探讨5G+物联网特点及其应用
时间：2022-09-29 08:45:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
柴华芳 陈富光 汪芳君 童孝波 娄嘉骏
摘 要：介绍了5G物联网时代发展的趋势和形态，以4G技术为比较，详细阐述了5G技术的高速率、高密度、高流量、低延时、高流动性和高频谱的特点，实现了数据洪流时代社会资源快速的优化、分配与再生。基于当前的行业特点与需求，文章分析了5G+物联网在eMBB、uRLLC及mMTC的三种应用场景，介绍了该技术在AR/VR、车联网及智慧城市行业中所带来的影响。5G物联网技术令我们的生活产生翻天覆地的变化，最终将带给我们新的价值与契机。
关键词：物联网技术;5G技术;技术特点;应用场景
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）06-0175-03
Discussion on Characteristics and Application of 5G+ Internet of Things
CHAI Huafang， CHEN Fuguang， WANG Fangjun， TONG Xiaobo， LOU Jiajun
（Ningbo Water Meter （Group） Co.， Ltd.， Ningbo 315033， China）
Abstract：
This paper introduces the development trend and form of 5G IoT era， takes 4G technology for comparison and expounds the characteristics of 5G technology such as high speed， high density， high flow， low delay， high mobility and high frequency spectrum in detail， and realizes the rapid optimization， distribution and regeneration of social resources in data torrent era. Based on the current industry characteristics and needs， this paper analyzes three application scenarios of 5G IoT in eMBB， uRLLC and mMTC， and introduces the impact of this technology in AR/VR， Internet of Vehicles and smart city industries. 5G IoT technology has brought tremendous changes in our lives， which will eventually bring us new value and opportunities.
Keywords：
IoT technology; 5G technology; technical feature; application scenario
0 引 言
移动通信经过持续的技术升级，经历了模拟时代、数字时代、移动互联时代等里程碑式的变革，到20世纪20年代进入了万物互联的数据洪流时代。伴随着数字经济建设的推进，物联网产业迎来快速发展。2020年全球各网络连接数量已经达到有50多亿，宽带、窄带、物联网齐头并进。其中5G网络的商用与发展又进一步推动了物联网成为万物互联、万物感知和万物智能时代的经济建设风向标。今后5G将逐步成为产业的主导力量，融合数字化新要素，深入企业运营流程，推动行业的变革，推动数字技术与实体经济的深度融合，成为企业转型的关键。
近几十年来，我国一直走在信息科技变革的前沿，在5G技术的研究及发展上，一直处于国际领先的地位。2012年，我国开始着手于5G技术的研究，经过几年的技术沉淀，明确了5G的技术场景、关键性能指标，经历了5G技术验证阶段、方案验证阶段和系统验证阶段，首次在世界通讯舞台上成了领导者的角色。同时我国推出以5G技术为基础，大力建设以技术创新为驱动的新型基础设施，充分发挥互联网在推动数字经济发展、赋能传统产业、转型升级方面的重要作用。据公开资料显示，未来几年，5G将在中国产生渗透式发展，其中用户规模预测数据如图1所示。这将为中国建成全球规模最大的5G独立主网网络，构建物联网协同发展的综合生态体系迈出重要一步。
1 5G物联网技术特点
移动通信经过长时间的探索，实现了4G的全面普及，完成了高速数据业务和语音业务应用，使用户的数据传输达到100 MHz的速率。但是在数字经济下，对于物联网应用来说，它需要通过大数据来识别、选择、过滤、存储、使用以及引导来实现这些社会资源快速的优化、分配与再生，但是4G技术还远未达到发展的标准。
5G的出现给物联网的全面发展带来了曙光，表1展示了4G与5G网络在6个性能上的对比指标。
相比于4G，5G技术拥有如下六个性能优点[1，2]：
（1）高速率。真实网络环境下，5G网络带给用户数据传输速率可以达到1 Gbps，相當于4G的10倍，完全可以无压力支持视频影像的传输，对远程医疗、远程教育等行业的概念转向应用提供了技术基础保障。
（2）高密度设备连接[3]。高密度指的是网络节点相互之间的距离及与终端的距离更近，这将意味着系统容量、通信效率及频谱效率的大幅提升。其中5G连接的设备密度可达100万台/km²，约为4G的10倍之多，这能够为高山、峡谷等地的广泛覆盖实现了可能。
（3）低时延。3G网络时延约100 ms，4G网络时延约20 ms～80 ms，5G网络时延下降到1 ms ～10 ms。5G对于时延的终极要求是1 ms，甚至更低。同时，5G的网络架构中将引入边缘计算技术，进一步缩短由数据传输速度和带宽限制所带来的延时，并可对本地数据做初步分析，推动5G网络的行业应用。
（4）高流量密度。流量密度指单位面积区域内的总流量。4G网络中，这个性能指标为0.1 M/m2，而5G可达到10 M/m2。5G物联网时代，几乎身边的每个应用物件都在时时进行无线数据传输，每平方公里至少需要支持数十Tbps的流量。尤其在流集密集需求的港口等行业的应用场所，港区生产作业系统数据、业务控制、远程数字化操作及视频监控等都依赖5G完成它的智慧升级，完成产业经济发展。
（5）高速移动性。移动网络的移动性是指在满足一定系统性能的前提下，收发双方最大相对移动速度，它是历代移动通信系统重要的性能指标。5G移动通信系统需要支持飞机、高速公路、城市地铁等超高速移动场景，同时也需要支持数据采集、工业控制等低速移动或非移动场景。因此，5G移动通信系统的设计需要支持更广泛的移动性。5G通讯的移动性指标可达到500 km/h，很好地支持了各种移动场景的需求。
（6）高频谱效率。4G和5G支持不同的带宽，因此衡量它们的能力就需要用频谱效率的概念，即峰值的传输速率下所占信道的宽度，又称净比特率。据测试结果看，5G网络的频谱效率大约为4G的3至5倍，相当于在同样大小带宽的基础上，5G能实现更快的数据传输。
现在我们正慢慢从全云的时代走向全AI的时代，但只有在实现万物感知基础上，数据足够大，才能够实现万物智联。这个概念从原理上主要包含四个层次：第一，全息构建，即构建的基础就是万物感知;第二，全息仿真，实现虚实共生;第三，虚实融合，所有物理世界和虚拟世界要形成一定的信息交互;第四，虚实联动，即实现虚实控制，包括机器人等。
2 应用探讨
5G+物聯网基于时代的行业需求以及移动网络的技术特征，将实现多元化的应用场景。
2.1 eMBB应用
这种应用场景需要增强型的移动宽带，可以进行大流量的数据传输。比较典型的应用包括UHD超高清直播/点播，AR/VR，云游戏等行业。5G为上述业务中所存在的下行超宽带、媒体同步低延迟、边际缓冲分发等特殊需求提供技术与网络架构上的有效支撑。在传统的AR/VR的应用上，存在着延迟过长引起的眩晕，带宽不足引起的在线人数少，视场角小引起的沉浸感差以及手势动作追踪不成熟引起的交互性差等缺点，5G网络凭借着超低的延时、超高的传输速率，可同时支持4K或8K的视频，从而改善用户体验。同时，5G引入的云端处理能力，将部分内容从核心网下沉到基站，进一步降低访问延时。
2.2 uRLLC应用
5G技术具有即时并且可靠的特点，简单来讲就是传输速度快，这可以加快改善传统行业往智能化的方向发展的速度。在智能电网中，5G技术将配电终端进行全国性的联网，完成全国范围内的电力调配，解决能源不均衡的现状[4]。5G物联技术通过对所有应用场景的大量数据采集以及视频监控，根据用电习惯，配置各配电站的额度数据，精准实现信息管理。
车联网也是在5G技术下发展起来的新概念。它指车辆上的车载设备通过无线通信技术，对信息网络平台中的所有车辆的动态信息进行有效利用，在车辆运行中提供不同的功能服务。它以行驶中的车辆为信息感知对象，借助新一代信息通信技术，实现车与X（即车与车、人、路、服务平台）之间的网络连接[5，6]。车联网的系统的示意图如图2所示。
5G技术使车联网应用安全性大幅提高，达到车路协同，把车辆感知信息、路况环境感知信息、高精地图信息进行高速融合，通过5G切片技术处理混合场景传输，采用5G边缘计算进行多级协同控制，为智能网联汽车提供车路系统的技术保障。uRLLC的应用场景还包括远程医疗、智能港口、智能矿山等行业。
2.3 mMTC应用
这种应用场景主要体现的是5G技术的宏观层面，即可以同时处理海量的机器通信需求。智慧城市、智能家居、智慧社区就是整个应用场景的主要代表。5G技术的全频谱覆盖技术可支持大面积低频广域覆盖，同时使用高频+高密度小基站，实现热点密集覆盖。在智慧城市中需要有超前的链接功能，实现整个环节信息的连接性以及共享性，并且物联网以及互联网出现高度的融合，达到万物互联的场景，推动城市资源优化配置，实现城市类型智能、优化、灵活响应、降本增效，促进城市管理精细化、低碳化。
终端平台是5G+物联网创新的核心。在移动互联网时代，创新的核心在于智能手机。应用于智能手机端的APP大量搜集人类的各种行为，利用智能操作系统把应用快速部署并分发到手机端，实现各种服务，因此智能手机成为原始数据的采集点及服务的分发点。5G+物联网将聚焦各种应用场景，泛智能终端采集多元化数据，承载多种类应用。因此它的基础创新模式将是围绕某一类场景将终端整合，同时收集多形态的数据，通过构造为智能生活、产业赋能和社会治理共同使用的应用体系来实现多元化。在万物互联时代，泛智能终端涉及方方面面，终端模型支持终端的统一适配，满足多协议、多支持终端接入需求，兼容多平台sdk的开发和移植。各类表计、门锁、摄像、烟感等平时生活中所见到的终端，通过网络将数据传输至终端平台，平台通过聚合应用，把数据进行识别过滤等操作，并且通过跨界融合，集成创新，使之成为一种生产资料，实现信息化能力共建、共享，实现平台、终端侧的能力和服务延伸。
3 结 论
物联网从2008年开始到现在，经历过坎坷，也经历过高潮，现在又重新崛起。而当前物联网来到了一个新的发展转折点，这得益于5G的出现，也离不开AI人工智能、区块链技术、云计算能力、边缘计算技术等的应用支撑。反过来物联网又给这些技术的融合、商用提供了一个很好的载体，所以这是互相促进的一个过程，最终的结果将呈现给我们新的规模和新的价值。
参考文献：
[1] 郝凤蕾，李鹏，李淑敬.5G标准关键技术及应用前景分析 [J].通讯世界，2019，26（2）：12-13.
[2] 钱承远.5G移动通信关键技术的分析及其未来发展前景 [J].通讯世界，2017（14）：125-126.
[3] 刘永旺，赵向帅.5G关键技术及其在智慧能源行业应用探讨 [J].电子元器件与信息技术，2020，4（8）：43-47.
[4] 谷碧玲. 5G关键技术及其对物联网的影响 [J].无线互联科技，2019，16（7）：30-31.
[5] 刘小洋，伍民友.车联网：物联网在城市交通网络中的应用 [J].计算机应用，2012，32（4）：900-904.
[6] 彭艺真.5G关键技术及其在精准农业中的应用前景分析 [J].数字通信世界，2021，5：198-199.
作者简介：柴华芳（1964—），男，汉族，浙江宁波人，工程师，本科，研究方向：无线远程通信与设备应用。
收稿日期：2022-02-20
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