劉 霞，姜元山，張光偉

（中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 100048）

0 引 言

《工業(yè)和信息化部辦公廳關于深入推進移動物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》（工信廳通信[2020]25號）中指出，移動物聯(lián)網(wǎng)是新型基礎設施的重要組成部分。在移動物聯(lián)網(wǎng)技術演進中，基于蜂窩移動通信的5G技術滿足其更高速率、低時延聯(lián)網(wǎng)需求。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術與5G移動通信技術具有高度融合發(fā)展的趨勢（特別是低時延和高可靠性需求的用例），不僅使移動物聯(lián)網(wǎng)的服務質量、服務水平得到提高，還使社會經(jīng)濟得到快速發(fā)展。

1 5G通信技術和物聯(lián)網(wǎng)技術概述

5G通信技術，即第五代移動通信技術（5th-Generation Mobile Communication Technology），其核心特性為：超高速率、超高容量、超低時延、超節(jié)能、全覆蓋；主要有三大應用場景：高可靠性和低時延業(yè)務（URLLC）、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務（mMTC）、大流量移動寬帶業(yè)務（eMBB）。相對于4G技術，5G通信技術在連接速率、系統(tǒng)容量、鏈接數(shù)量、網(wǎng)絡時延方面都有大幅提升，在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)有廣闊的應用前景。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)絡架構是由紅外感應器、射頻識別器（RFID）、激光掃描器、GPS/北斗定位器等信息傳感設備組成的，如圖1所示。按照業(yè)界已定義標準協(xié)議或事實標準，針對將任何物品通過網(wǎng)絡連接到互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)信息的交換及通信，通過互聯(lián)網(wǎng)完成物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，強調互聯(lián)網(wǎng)鏈接的所有對象（包括人和機器）都擁有唯一的地址，并通過有線或無線網(wǎng)絡進行通信。5G通信技術即物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡通信技術的其中一種。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構

物聯(lián)網(wǎng)在各領域的需求主要體現(xiàn)在：（1）大規(guī)模設備連接到網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，對數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求相對較高，如電力系統(tǒng)能源調控等；（2）對數(shù)據(jù)通信和傳輸?shù)某呖煽啃?、超低時延要求，如電力系統(tǒng)控制類業(yè)務；（3）對設備的低功耗和低成本要求，以滿足行業(yè)部署環(huán)境、更新改造需要；（4）后臺智能化處理數(shù)據(jù)，前端可視化反饋結果，以滿足場景化、易用化。

2 5G與物聯(lián)網(wǎng)融合關鍵技術應用及發(fā)展

2.1 全頻譜接入

全頻譜接入技術充分組合使用現(xiàn)有的“高頻頻段（6～100 GHz）、低頻頻段（6 GHz以下）”“授權頻譜、非授權頻譜”“對稱頻譜、非對稱頻譜”“連續(xù)頻譜、非連續(xù)頻譜”等移動通信頻譜資源，有效地使數(shù)據(jù)傳輸速率、系統(tǒng)容量得到提升。其中，5G毫米波技術是物聯(lián)網(wǎng)領域應用的關鍵技術。若拓展物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋面，需要接入海量設備，同時5G網(wǎng)絡容量也要增加。5G毫米波帶寬資源豐富、天線增益高，可以支持超高傳輸速率，具有波束窄且靈活可控等優(yōu)勢，使可接入設備增加。未來將向高頻、超高頻發(fā)展，但頻率越高，傳輸距離越短，穿透力越差，會給系統(tǒng)硬件提出更高要求。

2.2 5G時間敏感網(wǎng)絡技術

物聯(lián)網(wǎng)領域10%的業(yè)務屬于大帶寬、低時延、高可信業(yè)務，典型應用是遠程醫(yī)療、視頻監(jiān)控、自動駕駛等，其中涉及工廠自動化（即智能制造）、傳輸工業(yè)和電力輸送分配的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景，對時間特別敏感。5G新技術可以實現(xiàn)1 μs同步精度、0.5～1 ms空口實驗，結合R16提出的工業(yè)級時間敏感網(wǎng)（TSN），在底層網(wǎng)絡架構標準方面推動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用快速落地；同時配合高精度定位、邊緣計算等技術，可以促進工業(yè)控制器能力的提升。

2.3 5G網(wǎng)絡切片技術

5G網(wǎng)絡切片技術的關鍵是網(wǎng)絡設備支持虛擬網(wǎng)絡功能，通過動態(tài)組合部署，在一張網(wǎng)絡中實現(xiàn)運營商網(wǎng)絡的動態(tài)切分，實現(xiàn)端到端地定制專用網(wǎng)絡能力。在物聯(lián)網(wǎng)的重要領域即工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域，對控制面、管理面的時延和可靠性要求不同，需要在一張物理網(wǎng)絡中，“切”出端到端的多個獨立的、服務質量保障和服務水平保障不同的邏輯子網(wǎng)絡，以滿足如下要求：（1）通過資源隔離，實現(xiàn)工廠內外數(shù)據(jù)安全與隔離；工廠內不同業(yè)務環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)安全與隔離；（2）在成本可控的前提下，實現(xiàn)不同場景、不同環(huán)節(jié)的特殊需求；（3）滿足工廠控制面超低時延、超高可靠性的服務質量要求。目前在配電網(wǎng)差動保護中，此技術已經(jīng)被分析應用。

2.4 密集網(wǎng)絡技術

密集網(wǎng)絡技術，即通過增加宏基站外天線數(shù)量，使外部有效接入空間拓展，從而使系統(tǒng)容量大幅度提升和系統(tǒng)的靈活性提高。室外網(wǎng)絡各節(jié)點的融洽性相對于室內網(wǎng)絡較強，利用密集網(wǎng)絡技術，網(wǎng)絡節(jié)點的性能得到有效提高；通過促進節(jié)點間自由連接的實現(xiàn)，可管理節(jié)點間信息交換效率、準確性。將密集網(wǎng)絡技術應用于物聯(lián)網(wǎng)，可應對大規(guī)模數(shù)據(jù)連接及數(shù)據(jù)傳輸帶寬的問題，使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)更加高效穩(wěn)定，滿足行業(yè)化應用的相關需求。

2.5 5G邊緣計算技術

5G邊緣計算技術，即在靠近物品或者數(shù)據(jù)源的運營商部署網(wǎng)絡邊緣位置，融合運營商網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)存儲、計算、應用等核心能力的分布式開放系統(tǒng)，可按需承載部分智能應用，實時處理現(xiàn)場業(yè)務數(shù)據(jù)，并快速反饋結果至現(xiàn)場，滿足實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能等需求。在工業(yè)制造物聯(lián)場景已有典型應用，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設對邊緣計算也有典型需求。

2.6 基于5G技術的低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術

從技術可行性及建設運營成本方面考慮，沙漠、海洋等地表環(huán)境會制約運營商的基站建設，導致在某些特定環(huán)境條件下，無法實現(xiàn)蜂窩移動網(wǎng)絡的全面連續(xù)覆蓋。然而，部分大宗國際業(yè)務發(fā)展，如遠洋物流等，對物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)容量、連續(xù)覆蓋有更高要求，迫切要求解決物聯(lián)網(wǎng)的連續(xù)覆蓋問題。將低軌衛(wèi)星與5G技術融合的物聯(lián)網(wǎng)，可有效解決特殊地表環(huán)境下的網(wǎng)絡連續(xù)覆蓋問題，為海量物聯(lián)網(wǎng)終端提供廣域、連續(xù)、泛在的接入服務。

3 5G技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的未來發(fā)展

現(xiàn)有的5G關鍵技術，主要通過承載5G工業(yè)模組來實現(xiàn)。在5G物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)應用過程中，不僅包含5G工業(yè)模組，還需要其他業(yè)務場景化軟硬件能力的支撐，即涉及場景化端到端應用的分析及研究。以下是結合當前的產(chǎn)業(yè)分析研究，列舉的最重要的技術研究方向。

3.1 5G端到端切片技術

現(xiàn)有的5G切片技術，主要關注無線空口側，在3GPP協(xié)議中已經(jīng)進行標準制定，5G物聯(lián)網(wǎng)模組跟隨3GPP協(xié)議演進，基本具備支持該技術的能力。但是，在端到端的物聯(lián)網(wǎng)中，除了無線空口，還涉及協(xié)議轉換側（如路由協(xié)議）的配合處理，并且可能涉及到與QoS等網(wǎng)絡協(xié)議的端到端解決方案的設計及標準化。

3.2 5G端到端時間敏感網(wǎng)絡技術

5G時間敏感網(wǎng)絡技術重在解決基礎空口網(wǎng)絡的時延問題。在端到端應用中，還涉及工業(yè)協(xié)議轉換、路由轉發(fā)等，如何分段解決時延問題，形成端到端的時間敏感網(wǎng)絡解決方案及標準，是未來發(fā)展的重點，也是在各時間敏感行業(yè)應用的理論及標準基礎。

3.3 5G端到端可靠性技術

隨著物聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)的逐步應用，特別是在可靠性敏感行業(yè)（如電力控制面、工業(yè)自動化控制等）的海量設備遠程配置管理等。如何保證端到端網(wǎng)絡的可靠性，以滿足行業(yè)企業(yè)級、通信級業(yè)務可靠性要求，也是未來5G與物聯(lián)網(wǎng)技術融合發(fā)展的重點問題之一。

4 結 語

近年來，隨著5G技術與物聯(lián)網(wǎng)技術的融合，各領域對二者的應用越發(fā)深入，成效也越發(fā)顯著，不僅解決了物聯(lián)網(wǎng)應用的痛點，也為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。本文對5G和物聯(lián)網(wǎng)技術的應用和發(fā)展進行了綜合闡述，對后續(xù)5G與物聯(lián)網(wǎng)技術融合的研究具有一定的借鑒意義。