5G移动通信技术在物联网中的应用

2022-09-10

物联网 (Io T, Internet of things) , 即物品的互联网或物物相连的互联网。原来的互联网是基于用户的互联网, 而物联网已经发展到基于物品的互联网。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, 已经从最初的射频识别 (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。随着大数据、人工智能技术突飞猛进式发展, 物联网已经应用到环境监测、个人健康、快递物流等广泛的领域[1]。

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[2]。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[3]。

一、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。哲学上认为物质是相互联系的, 物联网正是通过连接各种事物来重塑世界。按照这种思想, 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。

预计到2020年, 全球移动数据流量比2010年会增长200倍, 到2030年会增长2万倍, 通过移动通信连接的设备总量会超过千亿, 除手机以外的各种设备终端将快速增长。这种移动通信网络为物联网提供了物质和技术基础。美、日、韩、欧盟等均在5G标准制定中激烈竞争, 期望在未来的新一代移动通信中占有一席之地。现在, 竞争中领先的是美国和中国, 其高通公司的LDPC和华为Polar公司分别在数据信道和控制信道编码方案中胜出。现在, 物联网技术面临的问题有能耗问题, 传播时延, 投递率, 网络动态拓扑模型等问题, 而这些均可以通过5G技术解决[4]。随着移动通信技术和5G网络的发展, 其广域覆盖、超密集组网、海量链接、低时延的特点可以满足物联网的要求, 实际上, 随着5G网络的普及, 物联网必然选择与其融合, 既可以实现低成本, 又可以实现先进技术和高效率。

二、基于5G移动通信网络的物联网技术应用

2011年, 手机平均每台频段4.18个, 2015年, 平均每台频段达到9.15个, 到2020年, 将达到16.44个, 频段增加, 射频数量也增长, 手机通信容量也增长, 也就适应了物联网技术的要求。基于5G移动通信网络可以应用在智能交通领域, 通过车载传感器、摄像机, 车辆信息交换, 以及物联网云服务和公路终端接收的数据, 将它们进行融合分析后, 可以确保车辆行驶安全[5]。它还可以应用到医疗领域, 可以实时监控用户健康状况, 并且能给出预防或治疗手段以及建议[6]。在传统制造业领域, 它更是可以监控生产线上的各项参数, 并且通过云服务进行处理分析, 以实时掌握机器设备运行状态, 能够提高机器运行的精确度和可靠性, 提高生产效率, 产品质量, 降低生产成本[7]。