5G与物联网讲解资料整理

5G与物联网

一、背景

       物联网 (IoT,Internet of things)，即物品的互联网或物物相连的互联网。随着 IPV6、智能识别与计算等通信技术和互联网技术的发展与普及，物联网已经将互联网的业务和应用整合到一块，从最初的射频识别 (RFID)+ 互联网发展到任何物品可以通过互联网连接，不仅是传统计算机网络，而且是移动通信网实现互通互联，这样就可以实现人和物，物和物之间的信息交互，并且能进行智能管理。

       5G 技术是继 4G 之后的第五代移动通信技术。4G 技术虽然有传输速度快，频谱宽，通信灵活，更加智能的优点，但是，也有通信标准不统一，制式难以兼容，技术难以实现，容量受到限制，设施更新困难，市场推广困难的缺点。5G 技术因为使用了毫米波、小基站、大规模天线技术、全双工和波束成形技术，所以具有高性能、低延迟、高容量的优点，因为可用频谱带宽大，其通信速率峰值可以达到几十 Gbps。

二、5G移动通信技术与物联网结合

       物联网需要信息采集、物体识别，信息传送通信以及各类网络应用，所以它不同于传统互联网物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层的体系架构，而是由感知层、网络层、应用层构成。物联网技术已经跨越传统网络的界限，以物质互连的方式实现信息交换和交互。物联网通过连接各种事物来重塑世界，其已经不可能有统一模型，网络的异构性已成为其最主要特征，实际它需要中间件层进行协调，以完成对象的抽象、服务与管理。

       基于 5G 移动通信技术的网络完全适应了物联网的特点，包括异构性、大容量、高速度、动态分布式网络，都可以通过5G 技术的无线接入、大规模天线、移动性管理、大量频谱实现。因为 5G 设施灵活，不需要用户单独建网，基于移动通信网络就可以实现，既简单便利，又可以实现不同智能技术水平设备互联互通。

       物联网将是5G发展的主要动力，业内认为5G是为万物互联设计的。 到2021年，将有280亿部移动设备实现互联，其中IoT设备将达到160亿部。未来十年，物联网领域的服务对象将扩展至各行业用户。从需求层次来看，物联网首先是满足对物品的识别及信息读取的需求，其次是通过网络将这些信息传输和共享，随后是联网物体随着量级增长带来的系统管理和信息数据分析，最后改变企业的商业模式及人们的生活模式，实现万物互联。未来的物联网市场将朝向细分化、差异化和定制化方向改变，未来的增长极可能超出预期；如果说物联网连接数至2020年将达到500亿，那么有可能这仅仅是一个起点，未来物联网连接数规模将近十万亿。

三、基于 5G 移动通信网络的物联网技术机遇

 

3.1 5G网络将助力智能家居的发展

       智能家居系统实现对各个设备的控制管理，实际上是通过信息的传输和连接实现的，信息的传输与连接需要高效、稳定的网络，而目前，在4G网络下，信息传输慢，设备与设备交换信息存在延时的情况，这种延时情况，在在家庭影音和视频通话之间显得尤为明显。5G网络每秒传输速度达10Gb，5G时代到来后，智能家居产品将更灵敏，其它传统家电设备的响应速度也会大幅提升，智能家居系统能承载更多的设备连接、传输更大的流量，能承载更多想象与可能。

3.2 5G网络将推动智能交通领域的发展

       从智能交通的发展阶段来看，目前大多数车辆只停留在导航阶段，使用孤立的定位系统，而网络速度也达不到要求。使用导航时，即使只是走偏一两分钟，都不会及时的提醒我们，这主要原因还是因为传输速率不够。因为不能实时传输信息，所以不能实时更新信息。当5G网络的到来，相信能很好的解决这些问题。

 

3.3 5G网络将助力工业领域的发展：

       危险环境下远程作业一直受制于网络性能，发展阶段基本处于空白, 工人们要经常冒着生命危险去操作。5G时代的到来，将大大降低危险指数，可以轻松地将我们的作业地点和电脑实时连接，人们可实时操作、实时分析。

 

3.4 5G网络将加速虚拟现实领域的发展：

       虚拟现实也是物联网的一个发展方向，如今VR技术让许多人不出远门就可以体验到外面的精彩世界，但是，体验时间久了会有头晕的现象，对于VR来说，时延要低于20ms才能缓解晕眩感，而5G毫秒级的时延将很好的解决这个问题, 大大提升用户体验。

 

3.5 5G网络将赋能远程医疗领域的发展

       目前我国医疗资源分配严重不均，而受医疗资源分配不均的医疗事件屡见不鲜，很多人因为没有及早有好的医生，好的医疗资源，而到最后病情加重，错失了治疗良机。而5G网络的到来，远程医疗的实现指日可待，远程医疗旨在减少看病花费的时间，平衡医疗资源分配不均的现象，为那些看不上病的偏远山村的人民造福。目前，远程医疗技术已经从最初的视频监护、电话远程诊断发展到利用高速网络进行数据、图像、语音的综合传输，假如5G网络实现，相信可以轻松实现实时的语音和高清晰图像的交流，为远程医疗领域的发展提供了前所未有的发展前景。

 

四、物联网下 5G 通信技术的应用

4.1 无线技术领域

4.1.1 高频段传输技术

       在物联网形势下， 各行各业的发展必须有足够的网络容量、传输速率支撑。 拿当前移动通信系统来说，系统频段基本在 3 GHZ内，可以将日常简单的需求得以满足，倘若出现大范围的线上活动，在短时间内使用数量快速上涨，频段资源就会不足，网络出现拥挤的情况，使得用户的使用受到影响。 然而在高段频传输技术中，宽带能够达到 284.7 GHZ，这一数字是微波全部带宽的十二倍。 也就是说，微波和毫米波叫法虽然差不多，然而范围却有很大的区别。 毫米波与微波进行比较，其要小一些，毫米波频率一般在 27.3~350 吉赫，因为尺寸不大，其可以使小型化得以实现，从而将体积更小、耗材更小的设备制作出来。 此外，还可以使超高速短距离通信得以实现，同时与5G 相结合，其兼容性也十分好。

4.1.2 密集网络技术

       对于 5G 通信技术来说，其提供的流量与 4G 网络进行比较，是后者的千倍以上。 5G 通信技术是将多种无线接入技术有机联系在一起，覆盖范围较小，想要使更小的分割得以实现基本是不现实的，因此，在这一条件下，密集网络技术的应用是十分关键的。 对于密集网络技术来说，其主要有两个方面的内容：①在宏基站外部，将很多的天线进行设置，通过这一方式使室外空间得以拓宽，同时，使系统容量增加的目的得以实现，更重要的是，它可以使系统灵活性得到很大的提升。 ②在室外，将很多密集网络进行设置，能够使不同网络节点间的协调、合作得以推进，这样，就能够使相邻节点的准确性大大提升，从而还会使信噪比增益得到很大的改进。 可以看出，在 5G通信技术中，密集网络技术的使用，能够使网络空间增加，使时间动态变化得以实现，使网络覆盖面积不断加大，使网络优势得以充分发挥出来。

4.2 网络技术领域

4.2.1 网络功能虚拟化

       作为 5G 网络的关键技术之一， NFV （网络功能虚拟化）旨在为 5G IoT 应用提供可扩展的、 灵活的网络， 这将使得基于分布式云的自定义网络切片为 5G IoT 应用创建可编程网络环境。 NFV 能够将一个物理网络分成多个虚拟网络， 其中设备可根据应用需求重新配置来构建多个网络。

图：NFV基于其将传输的类型或数据切分核心网

4.2.2 设备到设备通信

       在两个设备（D2D） 之间建立短程通信成为 5G IoT 数据传输的新方式， 这将降低 5G IoT 应用的功耗， 提高其负载的平衡， 为边缘用户提供给更好的 QoS。 正因为如此，D2D 通信正在逐步成为领先的技术。 D2D 还可被用作 NBIoT 上行链路的扩展， 可以通过 NB-IoT 建立路由蜂窝链路。并且在物联网中，D2D可与移动 NB-IoT用户设备配合使用

4.2.3 智能化技术

       今后 5G 通信技术必然会需要将多元化的服务进行提供，同时还会有很多复杂的数据向中心网络进行传输。 从本质上来看，5G 通信技术的中心网络就是一个云计算平台， 其是由大型服务器构成的，其计算能力是非常强的。 这一技术能够利用交换机网络和其它设备与其它基站连接在一起， 针对较强时效性的数据、以及大量的数据来说，它也可以有效的应对。

 

五、5G在物联网中的应用优势

5.1 连续宽广的覆盖

       5G 发展为物联网的发展提供了基本覆盖方式，使得其能够为用户提供具有移动性的目标和连续性的目标，进而在物联网的实际应用过程中，为用户提供有效高效的业务体验。在此情况下，5G网络连续宽广的覆盖为物联网应用的快速发展提供了优势。

5.2 热点容量高

       5G 网络能够增强其局部热点的区域面积，增强数据传输速率，从而保证用户体验，将其网络流量的密度进行有效增强。也就是说，物理网的整体速率也得到加强，直接为用户的提供了 100MPas 以上的速率。

5.3 延时低，可靠性高

       在 5G 发展背景下，促进其在物联网发展中的应用，对应的场景能够有效满足车联网和工业控制行业的基本需求，促进行业的稳定发展，同时，就这种 5G 物联网来说，其本身发展对延时性的要求标准也相对较高，能够为用户提供较低延时性的服务，使其端到端时间达到毫秒级。

5.4 低功耗、大连接

       低功耗场景能够适应数据采集目标的应用场景，在将其进行具体应用的过程中， 能够有效实现其对环境的监测， 实现智能农业发展，并加强森林防火，也能够适应其他类型的场景。同时，就这些应用场景来说，其应用具有一定的优势，主要表现为数据包小、功耗降低，而且能够进行海量连接。而就物联网本身来说，其分布范围相对较广，所对应的数量也是相对较多的，这就需要其能够在具有较强的连接能力的同时，也能够对终端能耗和及其成本进行有效控制，从而保证其均处在较低的水平。

六、基于 5G 网络的物联网通信技术及挑战

       5G 可以满足未来物联网的需求， 但是 5G IoT 的体系结构也面临着设备之间的可信通信， 安全问题等一系列研究挑战。 虽然对 5G IoT 已经做了很多的研究工作， 但仍然存在一些技术挑战。

       5G IoT 体系结构的设计本身就是一个巨大的挑战。 由于大量物联网设备， 网络可扩展性成为一个主要问题， 同时管理大量物联网设备的状态信息也是一个需要考虑的问题。同时， 还需要考虑到 5G IoT 的互操作性和异构性。 异构网络之间的无缝互连同样也是一项重大的挑战， 大量物联网设备通过通信技术与其它智能网络或应用连接进行通信、 传播以及收集重要信息等活动， 它们之间的互操作性也是必须要解决的一个重要问题。 同时， 结构设计还需要考虑到 5G IoT 安全保障和隐私问题。

       无线软件定义网络对于 5G 数据网络的有效性来说也仍然是一个重要挑战。 为了保证高度灵活的核心网络， 可扩展的 SD-CN 对网络可扩展性提出了挑战。 同时， 控制分离数据平面对于大多数 SDN 来说都比较困难。 NFV 与 SDN 高度互补， 但不依赖于 SDN， 它运行在第三方公共云上， 因此安全跟隐私也成为一大问题。

       针对 5G IoT， 提出了大量物联网解决方案， 同时 5G IoT 的标准化也会使得物联网应用实现及开发变得更加容易。 但是由于在 5G IoT 中网络和设备的多样性， IoT 系统和应用缺乏一致性和标准化， 因此提出的物联网解决方案仍存在很多障碍和挑战。 5G IoT涉及两种标准。 一是技术标准，包括无线通信， 数据汇总标准等； 二是监管标准， 包括数据的安全性和隐私性， 例如通用数据保护法则（2018）， 安全解决方案， 密码原语等。

       对于 5G IoT 的研究目前还处在初级阶段， 除了要解决上述遇到的挑战外， 还应对未来的研究趋势进行探索。 由于物联网的多样性， 5G IoT 将会越来越分散， 因此需要开发更加复杂的技术， 例如 NVFs 来管理 5G IoT。 边缘计算是5G IoT 的另一个关键用例。 边缘计算结合 5G 网络将推动物联网设备成为物联网的核心， 并且将显著提升相关应用计算能力， 例如 AR/VR。 除此之外， 在高设备密度的情况下，实现上下文感知解决方案将会有效增加物联网实体规模， 增强移动性和异构性。

七、一些观点

       由于信息化技术、网络技术的快速深入推进，加之信息化进程的快速发展， 当前通信技术想要使日常通信需求得以满足已经很难，因此，今后通信技术的主流发展方向就是 5G。 同时，由于物联网技术的深入发展，物联网设备的不断深入和推广，通信技术也要与物联网的特点有机结合，对其进行有效的调整。 5G 通信技术要将自身的兼容性提升，使通信频段拓宽，还要强化通信安全保护， 从而使物联网时代对通信需求得以满足。

       需求带来场景，场景带来产品。颠覆性的产品，才能形成市场，所以可以这样认为物联网需求召唤5G技术，5G技术支撑互联网需求。有了需求的支撑，后面5G和物联网将会飞速发展，给人们的生活带来巨大变化。