1 引言

隨著5G（第五代移動通信網絡，5th Generation Wireless Systems）通信時代的到來，最直觀就是給移動用戶帶來了更快的數(shù)據(jù)傳輸體驗，其高速率、大容量和低時延的網絡特點將進一步推動社會信息化、網絡化與智能化地快速發(fā)展[1]。物聯(lián)網是信息產業(yè)與無線網絡技術相結合的產物，主要通過在物體中植入一個芯片，利用無線網絡來獲取物體的信息變化，就能夠將處于不同位置的物體有序的連接在一起，然后通過終端設備對這些物體進行控制[2]。結合5G技術的優(yōu)勢，將物聯(lián)網與其融合，借助5G產業(yè)鏈迅猛發(fā)展的勢頭，深化物聯(lián)網應用領域，牢牢抓住行業(yè)競爭的主動權。

2 5G發(fā)展現(xiàn)狀及技術特點

2012年起，歐盟、英國、美國、日本和韓國等陸續(xù)開展5G技術專題研究，全面開啟5G發(fā)展大門。在“5G商用準備”方面，表現(xiàn)活躍的國家集中在亞太、北美和歐洲[3]。GSM（全球移動通訊系統(tǒng)，Global System for Mobile Communication）在2018年6月“世界移動大會·上?！逼陂g發(fā)布的《5G連接——亞太》作了定量預測：預計到2025年，亞太有21個國家實現(xiàn)5G商用，全球所有的5G連接（不含蜂窩物聯(lián)網連接）中，54%將集中于亞太地區(qū)。韓國計劃2019年3月全國范圍推出5G商用服務；日本、歐盟均計劃于2020年正式推出5G商用服務；美國AT&T在2018年推出毫米波5G固定無線接入商用服務[4]。

我國自2013年2月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、科學技部成立了“IMT-2020（5G）推進組以來，頒布了一系列相關的政策和規(guī)劃路線，旨在大力推進5G關鍵技術研究，同時還制定了相關統(tǒng)一標準，促進5G產業(yè)鏈全面發(fā)展。目前，國內在5G網絡架構、基站系統(tǒng)和終端設備方面都有較為成熟的設備廠商，相關高校也在為5G技術的發(fā)展添磚加瓦，組建專業(yè)團隊積極開展研究，這些都為2020年計劃的5G大規(guī)模商用奠定了堅實基礎。

5G需滿足增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機器通信（mMTC）3個場景的應用，因此在速率、流量密度、連接數(shù)、時延和可靠性方面均有較大的突破。5G技術的創(chuàng)新主要來源于無線接入技術和網絡架構技術兩方面[5]。

5G無線接入關鍵技術包括：

（1）大規(guī)模天線陣列（MassiveMIMO）：增加天線端口數(shù)，提升相頻下的用戶數(shù)，支持更多用戶在同一時間內進行傳輸，3D-MIMO技術可同時實現(xiàn)水平和垂直方向上的MIMO（多輸入多輸出系統(tǒng)，Multiple-Input Multiple-Output）。

（2）超密級組網（UDN）：通過增加單位面積內小基站密度，形成超密集組網，滿足大容量場景的網絡需求，實現(xiàn)易部署、易維護、用戶體驗輕快的輕型網絡。

（3）全頻譜接入：增加6 GHz以上的高頻段，形成高低頻混合組網，將6 GHz以下低頻段用于無縫覆蓋，6 GHz以上高頻段用于熱點區(qū)域速率提升。

（4）新型多址：該技術可將下行吞吐量提升86%，用戶連接數(shù)提升3倍，目前主要有華為提出的基于多維調制和稀疏碼擴頻的稀疏碼分多址技術SCMA、中興提出的基于復數(shù)多元碼及增強疊加編碼的多用戶共享接入技術PDMA和大唐提出的基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址技術MUSA。

（5）新型多載波：可靈活配置的子載波長度，提高頻譜效率，目前主要由華為提出的靈活自適應的空口波形技術F-OFDM，中興提出的一種適合5G的新型多載波技術FB-OFDM和上海貝爾提出的5G新型多載波技術UFOFDM。

（6）終端直連：終端間直接通信，減輕基站負擔，減小通信時延。

5G網絡架構關鍵技術包括：

（1）網絡切片：VPN（虛擬專用網絡，Virtual Private Network）是網絡切片的基本版本，SDN（軟件定義網絡，Software De fi ned Network）通過對流量的頂層設計，實現(xiàn)5G復雜場景下的網絡側的整體接入性能，基于NFV（網絡功能虛擬化，Network Function Virtualization）按需編排網絡資源，滿足端到端的業(yè)務體驗和高效的網絡運營需求。

（2）邊緣計算MEC：通過本地計算、存儲以快速響應和傳輸信息，降低業(yè)務時延，實現(xiàn)業(yè)務本地化，減輕遠程傳輸壓力。

（3）網絡能力開放：開放調用菜單，方便第三方運營及發(fā)展大數(shù)據(jù)。

3 物聯(lián)網發(fā)展現(xiàn)狀及技術特點

全球物聯(lián)網相關技術、標準、應用、服務還處于起步階段，物聯(lián)網核心技術正深入發(fā)展，標準體系加快構建，產業(yè)體系處于持續(xù)建立和完善過程中[6]。世界各國紛紛出臺政策進行戰(zhàn)略布局，搶抓新一輪信息產業(yè)的發(fā)展先機。美國以物聯(lián)網應用為核心的“智慧地球”計劃、歐盟的十四點行動計劃、日本的“U－Japan計劃”、韓國的“IT839戰(zhàn)略”和“u－Korea”戰(zhàn)略、新加坡的“下一代IHub”計劃等都將物聯(lián)網作為當前發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標。近年來，我國在國家政策地大力扶持和業(yè)內企業(yè)地不斷努力下，物聯(lián)網產業(yè)保持良好的發(fā)展勢頭，關鍵技術突破取得重大進展，標準體系構建不斷完善、產業(yè)鏈全面發(fā)展、市場化應用穩(wěn)步推進。未來十年全球物聯(lián)網將實現(xiàn)大規(guī)模普及，年均復合增速將保持在20%左右，到2023年全球物聯(lián)網市場規(guī)模預計達到2.8萬億美元左右。《2018-2023年中國物聯(lián)網行業(yè)細分市場需求與投資機會分析報告》初步估算，2017年全球物聯(lián)網設備數(shù)量達到84億，比2016年的64億增長31%，2020年物聯(lián)網設備數(shù)量將達到 204億[7]。

按照物聯(lián)網對信息的感知、數(shù)據(jù)的傳輸、處理過程可將其劃分為感知層、網絡層和應用層。三層結構相互合作、協(xié)同完成真正意義的“萬物相聯(lián)”[8]。物聯(lián)網分層結構如下：

（1）感知層：作為物聯(lián)網的基礎，由各種傳感器和終端構成，主要實現(xiàn)信息的采集，捕獲和識別。目前感知層的技術主要包括RFID技術（射頻識別技術，Radio Frequency IDenti fi cation），MEMS技術（微機電系統(tǒng)，Micro-Electro-Mechanical Systems），GPS技術（全球定位系統(tǒng)，Global Position System），自組織網絡技術，短距離通信技術等。

（2）網絡層：物聯(lián)網的信息傳輸和處理層，它包括通信與互聯(lián)網的融合網絡、網絡管理中心、信息中心和智能處理中心等。信息由感知層獲取后，網絡層解決其在整個網絡中的長距離傳輸問題，網絡層的關鍵技術有長距離有線和無線通信技術、網絡技術等。

（3）應用層：用于支撐平臺和應用服務，將物聯(lián)網的優(yōu)勢與行業(yè)的生產經營、信息化管理、組織調度結合起來，形成各類物聯(lián)網解決方案，構建智能化的行業(yè)應用。

物聯(lián)網在各行各業(yè)的應用不斷深化，關鍵技術研究也日益成熟，其核心關鍵技術主要包括RFID技術、傳感器技術、網絡通信技術、人工智能技術和云計算技術[9]。

（1）RFID技術：RFID技術是以射頻信號為基礎自動識別出目標對象并獲取相應數(shù)據(jù)，識別過程不用人工干涉，能識別出高速運動物體，能同時識別出多個標簽，操作起來方便快捷，各種惡劣工作環(huán)境都適用。RFID技術涵蓋了無線通信技術、天線技術、信息安全技術、芯片技術等多種技術。

（2）傳感器技術：利用光電、熱電及電容電阻等相關原理，感知速度、加速度，壓力、溫度濕度等。隨著材料科學的發(fā)展，各種多功能新材料在傳感器制造方面應用，使該技術正朝著多功能化、智能化、耗能少，成本低及環(huán)境友好等方向發(fā)展。

（3）網絡通信技術：網絡通信技術給物聯(lián)網數(shù)據(jù)傳輸提供途徑，主要分為近距離通信技術與廣域網絡通信技術，就近距離通信技術而言，目前的主流技術以IEEE802.15.4為代表；就廣域網絡通信技術而言，具有代表性的就是衛(wèi)星通信技術、IP互聯(lián)網、移動2G/3G/4G/5G技術等，迅速發(fā)展的5G網絡能夠解決物聯(lián)網爆發(fā)式增長的井噴問題。

（4）人工智能技術：計算機模擬人的某些思維過程和智能行為(如學習、推理、思考和規(guī)劃等)的技術。物聯(lián)網的人工智能技術主要將物品“講話”的內容進行分析，實現(xiàn)計算機自動處理。

（5）云計算技術：物聯(lián)網中終端的計算和存儲能力有限，云計算平臺可以作為物聯(lián)網的大腦，實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的存儲和計算。物聯(lián)網感知層獲取的信息以可通過網絡層傳輸至一個標準的平臺，利用云計算技術對這些數(shù)據(jù)信息進行分析和處理，將數(shù)據(jù)轉化成終端用戶需要的信息。

4 5G與物聯(lián)網的融合

5G技術帶來了更快的數(shù)據(jù)傳輸，成為未來網絡需求的主要技術，其拓展了物聯(lián)網網絡層數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_，在一定程度上加快了物聯(lián)網業(yè)務發(fā)展的步伐?；?G技術的物聯(lián)網具有快速性、便捷性和經濟性的特點[10]。

（1）快速性：基于5G的物聯(lián)網能夠克服以前網絡層在數(shù)據(jù)量龐大時處理能力不足的缺陷，由于5G網絡大規(guī)模MIMO技術的優(yōu)越性，所形成的天線陣列能夠很大程度滿足大量設備在其中應用，在這一陣列下，D2D技術（從出發(fā)地到目的地一站直通服務鏈，Departure to Destination one-stop service）也可以在近距離下直接連接，使數(shù)據(jù)傳輸速率大大加快。

（2）便捷性：5G網絡的部署與優(yōu)化可以利用現(xiàn)有的布線規(guī)劃，不需要大規(guī)模拆毀改造，實施過程相對便捷。并且5G通信網絡通過毫米波進行通信，能夠減小通信設備的體積，促進通信設備向小型化、便捷化發(fā)展，使得設備間的信息交換更加方便快捷。

（3）經濟性：物聯(lián)網設備可以借助5G網絡直接與5G手機連接，通過5G基站提高信息的實時交互能力。通過5G技術，很多路由器、交換機等網絡設備可以省去，極大地減少了網絡層設備的成本。

5G網絡大容量、高速率和低時延的優(yōu)勢解決了網絡堵塞、網絡延遲的問題，使得物聯(lián)網感知層的數(shù)據(jù)信息能夠及時傳輸?shù)綉脤?。此外?G網絡在安全架構方面沿用了4G（第四代移動通信網絡，4th Generation Wireless Systems）的架構，同時增加了非3GPP（第三代合作伙伴計劃，3rd Generation Partnership Project）接入、切片和虛擬網元等安全實體，再加上無線空口安全、網絡域安全等一系列完善的安全防護架構與機制地應用，為物聯(lián)網應用提供了良好的安全保護[11]。因為5G網絡對當前網絡布局改造較小，所以物聯(lián)網通過5G技術實現(xiàn)能夠避免對現(xiàn)有建筑造成破壞。并且5G通信網絡支持的智能設備數(shù)量及種類相比4G大幅增加，奠定了物聯(lián)網應用良好的基礎環(huán)境。

5 5G技術下的物聯(lián)網應用

5.1 軍用領域

軍事物聯(lián)網是實現(xiàn)人與信息化武器裝備和作戰(zhàn)系統(tǒng)最佳結合的重要手段，被譽為“一座尚未開采的軍事富礦”[12]。美軍最先建立軍事物聯(lián)網，先后部署了收集戰(zhàn)場信息的“智能微塵”系統(tǒng)、遠程監(jiān)視戰(zhàn)場環(huán)境的“倫巴斯”系統(tǒng)、偵聽武器平臺運動的“沙地直線”系統(tǒng)以及專門偵收電磁信號的“狼群”系統(tǒng)等。繼美國之后，日本、英國、意大利等國也紛紛展開軍事物聯(lián)網的研究，我國針對軍隊這個特殊部門，結合國防和軍隊信息化建設的實際需求，采用軍民共建的方式，選擇相關項目現(xiàn)行試點，再傘面推廣。目前，各國比較成熟的物聯(lián)網軍事應用是軍事物流系統(tǒng)，其利用RFID標簽標識物資信息，應用射頻讀寫器獲取標簽上的信息后傳輸給計算機，使得信息中心能夠精確掌握物資流通信息，讓軍事物資供應透明化，提高后勤保障能力。

5G技術與物聯(lián)網融合為戰(zhàn)場物聯(lián)網提供了統(tǒng)一的網絡傳輸環(huán)境，統(tǒng)一的網絡傳輸規(guī)范，統(tǒng)一的信息傳輸格式，解決了以前軍事物聯(lián)網互聯(lián)互通存在的障礙。5G的高速率、大容量還解決了軍事物聯(lián)網連接終端眾多、網絡規(guī)模龐大、傳輸信息量大、種類多的問題，提高戰(zhàn)場信息提取及傳輸?shù)膶崟r性，可應用于預警偵察信息、指揮控制信息、武器裝備性能及維護保養(yǎng)信息等場景。另外，5G網絡安全性設計增加了軍事物聯(lián)網鏈路傳輸?shù)目煽啃员Ｕ?，避免鏈路失效的發(fā)生。

5.2 民用領域

物聯(lián)網可應用日常生活、智能交通、智能醫(yī)療、智慧農業(yè)和工業(yè)制造等方面[13]。

智慧家庭是最早被提出的物聯(lián)網應用場景，家庭中所有物品都被裝上電子標簽通過管理系統(tǒng)聯(lián)系在一起，家庭成員可以隨時掌握任意物品的狀況。水表、電表、煤氣表等也可以聯(lián)接到管理系統(tǒng)中，通過遠程查詢傳遞和處理信息。家庭內部的物品可以通過窄帶物聯(lián)網聯(lián)接入管理系統(tǒng)，與手機、汽車等聯(lián)接的物品需要通過移動互聯(lián)網接入管理系統(tǒng)。智慧社區(qū)包括智慧物業(yè)管理、智慧養(yǎng)老服務等，可利用5G網絡實現(xiàn)防火防盜系統(tǒng)、停車管理和公共設施管理，確保信息交互的實時性；同時，對社區(qū)老人的生活狀態(tài)和健康情況進行遠程監(jiān)控，及時對其提供需要的服務，特別適合獨居或孤寡老人。物聯(lián)網在智慧城市的應用主要體現(xiàn)在空氣質量監(jiān)控、飲水質量監(jiān)測、市政設施管理等方面。

物聯(lián)網汽車、車聯(lián)網、智慧汽車等逐漸興起，為汽車工業(yè)發(fā)展注入新動力。夏季車主可以在進入停車場前通過手機啟動汽車空調；車輛停放后，車輛監(jiān)控設備可以實時記錄車輛周邊情況，發(fā)現(xiàn)偷竊行為系統(tǒng)會自動通過短信或撥打手機向車主報警；汽車芯片感應防盜系統(tǒng)可以正確識別車主，在車主接近或遠離車輛時自動打開或關閉車鎖；售后服務商可以監(jiān)測車輛運行狀況，對故障進行遠程診斷；Car-2-Car通信技術可以使車輛之間保持一定的安全距離，避免對撞或追尾事故。

智能醫(yī)療通過傳感器對人的生理狀態(tài)（如心跳頻率、體力消耗、血壓高低等）進行監(jiān)測，主要利用醫(yī)療可穿戴設備獲取生理信息，記錄到電子健康文件中，可供個人或醫(yī)生查閱。另外，通過醫(yī)療物聯(lián)網還能對醫(yī)療設備、物品進行監(jiān)控與管理，實現(xiàn)醫(yī)療設備用品可視化。

智慧農業(yè)利用物聯(lián)網實現(xiàn)農業(yè)生產全過程的信息感知、精準管理和智能控制，這種全新的農業(yè)生產方式，可實現(xiàn)農業(yè)可視化診斷、遠程控制以及災害預警等功能。農業(yè)種植通過傳感器、攝像頭和衛(wèi)星等收集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)農作物數(shù)字化和機械裝備數(shù)字化。畜牧養(yǎng)殖利用傳統(tǒng)的耳標、可穿戴設備以及攝像頭等收集畜禽產品的數(shù)據(jù)進行分析，運用算法判斷畜禽產品健康狀況、喂養(yǎng)情況、位置信息以及發(fā)情期預測等。

物聯(lián)網在工業(yè)制造方面應用于制造業(yè)供應鏈管理、生產過程工藝優(yōu)化、產品設備監(jiān)控管理、環(huán)保監(jiān)測能源管理及工業(yè)安全生產管理，目前比較成熟的工業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)有倉儲物流信息系統(tǒng)、安全生產監(jiān)管監(jiān)察系統(tǒng)等。

5G技術主要為物聯(lián)網遠程傳輸業(yè)務帶來高速率、高可靠的保證，廣泛拓展了物聯(lián)網在生活中的應用場景，增加了用戶對物聯(lián)網應用的友好體驗。

6 結束語

5G技術的不斷成熟促進了物聯(lián)網的全面發(fā)展，5G網絡能夠為物聯(lián)網應用提供實時性和安全性保障。5G技術和物聯(lián)網的有機融合使物聯(lián)網應用真正深入到各行各業(yè)，成為創(chuàng)造智能信息時代的重要基石。