李伶俐 付書涵

摘 要 5G到來的口號叫的越來越響，白皮書指出，2020年我們進入到5G時代。在這個時代下各行各業(yè)整裝待發(fā)，為5G到來做著最后沖刺。毋庸置疑，新一代移動通信的全面到來將會帶動網(wǎng)絡信息行業(yè)的發(fā)展，不同的技術革新會帶動相關行業(yè)的進步，幫助突破技術瓶頸，打開新大門。本文主要說明了5G對移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展的影響。為更好的理解影響它們的因素，本文首先介紹5G的應用場景和關鍵技術，對影響移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要場景技術進行了介紹;在此基礎上，分析了場景與技術之間的關系;不同的應用領域面臨不同的技術挑戰(zhàn)，而在5G的促使下，網(wǎng)絡技術將會有新的突破，所以，本文又從5G技術預測了未來移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

關鍵詞 移動互聯(lián)網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng) 5G應用場景 5G關鍵技術

中圖分類號：TP393.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）03-0012-03

隨著移動通信的飛速發(fā)展，4G已融入生活的各個方面，“MWC 2018”主辦方GMSA發(fā)布的一份研究報告就曾指出，在2019年，5G會從“試驗”走向“商用”，這無疑是5G技術提速性的發(fā)展，5G將很快實現(xiàn)它的全球應用。相比其他代網(wǎng)絡，5G所具備的水平更高，它的用戶體驗速率可達0.1～1Gbps，是4G網(wǎng)絡的數(shù)十倍，連接數(shù)密度更加廣泛，ms內(nèi)的傳輸時延，以及每小時500KM以上的移動速率和10Gbps以上的峰值速率。用戶體驗速率、連接數(shù)密度和時延是5G最基本的三個性能指標。同時，與4G相比，它的頻譜效率提高了5～15倍[1]。在關鍵技術和應用場景下，5G具有高傳輸、低時延、萬物互聯(lián)的特征，也正是在此基礎上，GTI發(fā)布《5G新設備類型白皮書》提出10類5GeMBB創(chuàng)新應用[2]：AR/VR/MR、自動駕駛、信息娛樂、移動媒體、遠程教育、遠程辦公、遠程醫(yī)療、遠端工業(yè)應用（如遠程機器人）、固定無線接入、流媒體游戲。5G應用業(yè)務不斷增多，這要求5G要遠遠前超前幾代通訊技術。研究表明，5G讓連接不局限于人與人、人與物，還能在物與物之間進行海量大連接，真正實現(xiàn)萬物互聯(lián)。由于5G到來，讓我們的互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)具有更好的發(fā)展前景，本文通過闡述5G關鍵技術和5G應用場景，來淺析未來移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

1 通信網(wǎng)絡技術的發(fā)展

從上世紀80年代起，我國移動通訊技術有了巨大的發(fā)展，通訊技術時代也在不斷地發(fā)生著改變。每一代技術的誕生都有一定的基礎。1G采用頻分多址（FDMA），是在模擬蜂窩移動通技術下提出的，主要滿足人們的語音通話需求，但不能實現(xiàn)遠距離的漫游。而2G主要采用時分多址（TDMA），它是一種基于數(shù)字蜂窩移動通信技術，實現(xiàn)了從模擬通信向數(shù)字通信的轉變，能實現(xiàn)數(shù)字化語音業(yè)務，很大程度上提高了語音通話的質(zhì)量，可進行漫游。隨著帶寬不斷增加，在寬帶數(shù)字移動通信下，采用碼分多址（CDMA）為技術的3G在寬帶數(shù)字移動通信中具有更高的頻譜利用率和更強的標準兼容性，這讓它的數(shù)據(jù)傳輸能力也有了很大提高，能實現(xiàn)全球漫游和全球服務，人們可進行低速上網(wǎng)（比如說刷微博）。不斷發(fā)展的信息技術提供了更多的移動通信業(yè)務，這向3G網(wǎng)絡的服務業(yè)務提出了挑戰(zhàn)，再此條件下提出4G，這一代網(wǎng)絡技術是集多種標準、多個頻段共存的寬帶移動通信系統(tǒng)，以正交頻分多址（OFDMA）為核心的技術，讓4G具有更好的覆蓋率、更高的頻譜效率和峰值速率、良好的兼容性、靈活性等，其上行速率可達20Mb/s，下行速率可達100Mb/s，能滿足人們的互聯(lián)網(wǎng)需求。但是移動互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展，衍生出更多的新生技術，隨著生活水平的提高，人們對開始享受生活的態(tài)度，技術的更新，人民需求都推動著移動通訊技術向更高的水平發(fā)展，這促使著5G時代的到來。

研究報告指出，5G具有高傳輸、低時延、萬物互聯(lián)的特征[3]，大大提高了傳輸速率，在車聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)中有著相當重要的作用。作為最新一代信息通訊發(fā)展的首要方向，信息將在它的基礎上突破時間和空間限制，讓信息得到更好的交互，為用戶帶來極具享受的信息盛宴。在未來，5G將會帶我們走進另一個高科技世界。

2 5G應用場景

不同應用場景下有不同的性能要求，這將給5G帶來很大挑戰(zhàn)，不同應用場景面臨的性能挑戰(zhàn)是不同的，用戶體驗享受程度、流量傳輸大小、連接數(shù)都在不同場景具有多重挑戰(zhàn)。從移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的主要應用場景和挑戰(zhàn)來看，主要的5G主要的場景有，連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠這四種。

2.1 連續(xù)廣域覆蓋

總結起來，這是移動通信最為基本的覆蓋，針對用戶的移動性的和業(yè)務的連續(xù)性的特點，建立的極具保證性的技術。這種場景的主要挑戰(zhàn)在于任何時間任何地點將向用戶的體驗速率控制在百兆以上。

2.2 熱點高容量

主要關注局部區(qū)域熱點，讓用戶所體驗的數(shù)據(jù)傳輸速率進一步提高，已達到人們對網(wǎng)絡流量密度的高要求。1Gbps用戶體驗速率、數(shù)十Gbps峰值速率和數(shù)十Tbps/km2的交通密度要求是該場景面臨的困難。

2.3 低功耗大連接

它的應用場景主要包括城市智能化、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、森林防火等這些以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標的業(yè)務，它的特點是數(shù)據(jù)包小、功耗低、可進行海量大連接等特點。能適應這個場景的設備數(shù)量很多，且種類繁多。它對要求網(wǎng)絡的連接及支持能力有很的要求，在以1km2的范圍內(nèi)要能支持最低一百萬人的連接數(shù)，而且還要能保證對終端功耗的低消耗和低成本。

2.4 低時延高可靠

主要運用在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等行業(yè)如（自動駕駛）的特殊應用需求，這種應用對時延和可靠性具有很高的技術要求，它向用戶提供毫秒級的終端到終端的延遲和接近比例為1的安全性和可靠性保證[4]。

總的來說，連續(xù)廣域覆蓋和熱點高容量場景作為傳統(tǒng)的4G主要技術場景也要廣泛運用到5G的移動互聯(lián)網(wǎng)應用上來。低功耗大連接和低時延高可靠場景主要針對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，作為一個新興業(yè)務，它關注的是以前的傳統(tǒng)移動通信無法帶動的物聯(lián)網(wǎng)及相關產(chǎn)業(yè)的應用問題。

3 5G關鍵技術

面對多樣化場景的極端差異化的性能要求，5G難以基于單一技術形成針對所有場景的解決方案，而5G的技術革新主要針對于無線和網(wǎng)絡技術。

在無線技術方面，主要有大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接入等技術;在網(wǎng)絡技術領域，則是基于軟件定義網(wǎng)絡和網(wǎng)絡功能虛擬化的新型網(wǎng)絡架構[5]，這里主要介紹5G無線技術。

3.1 大規(guī)模天線技術

Massive MIMO（大規(guī)模天線技術）。從天線數(shù)量來看，傳統(tǒng)的TDD網(wǎng)絡的天線基本都是2天線、4天線或8天線，而Massive MIMO它的是通道數(shù)能達到64、128、256個;從信號的覆蓋維度來說，我們稱傳統(tǒng)的MIMO為2D-MIMO，以8天線為例，實際信號在做覆蓋時，只能在水平方向移動，垂直方向是不動的，信號像是從一個平面發(fā)射出去[6]。而大規(guī)模MIMO，基于信號電平的空間維數(shù)，利用空域的垂直維數(shù)來利用它。以電磁波束為輻射狀的信號，它的信道數(shù)目和多向信號覆蓋維數(shù)，可以大大提高頻譜效率和用戶接入

能力。

3.2 新型多址技術

5G支持的新型多址接入技術包括 SCMA、NOMA、PDMA、MUSA 以及較為傳統(tǒng)的OFDMA等[7]。這種技術不僅可以大大增加用戶的連接數(shù)量，而且可以有效提高系統(tǒng)頻譜傳輸效率，降低時延。NOMA（非正交多址）是基于功率域重復利用的一種新型多址接入方法，用來增加接收處的復雜程度，并以此來提高頻譜效率;PDMA（分割多址接入技術）是基于發(fā)送處和接收處聯(lián)合設計的一種新型非正交多址接入技術，可以提高2到3 倍的系統(tǒng)容量，通信系統(tǒng)的頻譜效率也可以提高1.5倍。MUSA（多用戶共享接入）是一種以復數(shù)域多元碼的上行為基礎的非正交多址接入技術，它具有多用戶共享接入方案無需調(diào)度的優(yōu)勢，有利于實現(xiàn)低成本、低功耗的5G 連接（即萬物互聯(lián)）。

3.3 超密集組網(wǎng)

5G的超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡架構一方面通過控制對承載的分離，及覆蓋與容量分離來實現(xiàn)未來網(wǎng)絡對與覆蓋和容量設計，實現(xiàn)以業(yè)務要求為目標的靈活擴展的控制和數(shù)據(jù)面資源[8];另一方面，通過抽出基站的無線電控制功能，進行集群集中控制[9]，它實現(xiàn)小區(qū)間協(xié)調(diào)、移動資源協(xié)調(diào)、移動性管理等這一類目標，增加了網(wǎng)絡容量，為用戶提供了極佳的業(yè)務體驗。

3.4 D2D通信技術

D2D 技術指的是通信系統(tǒng)中連接的設備之間的進行通信技術。在無線通信網(wǎng)中，以D2D的進行來實現(xiàn)通信鏈路連接，則傳輸網(wǎng)絡就就可擺脫中間設備的控制，這項技術降低了通信系統(tǒng)中核心主干路的成本又減小了的數(shù)據(jù)帶來的壓力，該技術極大提高了頻譜的效率，增加了容量，使通信系統(tǒng)更加高效、穩(wěn)定、便攜。

4 移動互聯(lián)網(wǎng)應用場景與5G關鍵技術的關系

移動互聯(lián)網(wǎng)給人們的生活帶來了巨大的改變，越來越多的人在購物、吃飯、外出時和工作或工作間隙時，都自然地拿出手機，工作、娛樂、聯(lián)系親人朋友、查看新聞、分享自己感受，人們通過隨聲攜帶的智能終端登錄到移動互聯(lián)網(wǎng)，他們將生活、工作、交易、交友擴大到移動互聯(lián)網(wǎng)上。隨著不斷增加的使用人數(shù)和通訊業(yè)務，使得移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有更大的前景和挑戰(zhàn)。相比前幾代通信網(wǎng)絡，5G要解決區(qū)域更廣的用戶連接和更快的傳輸速率問題，也就是說，在滿足未來的通訊業(yè)務的需求時，我們應該考慮到連續(xù)廣域覆蓋和熱點高容量場景所面臨的技術挑戰(zhàn)。根據(jù)研究表明，在連續(xù)廣域覆蓋場景中，目前還受限于站址和頻譜資源，為了滿足不斷提高的用戶體驗速率的需求，還要盡可能多的低頻段資源以作為連接的最基本保證，除此，系統(tǒng)的頻譜效率也要有很大的改善。作為其中最主要技術之一的大規(guī)模天線陣列，可與新型多址技術相結合，讓系統(tǒng)頻譜效率進一步提高和讓更多的多用戶能接入互聯(lián)網(wǎng)。在網(wǎng)絡架構體系方面，形成了多種無線接入能力和集中式網(wǎng)絡資源協(xié)同與控制技術，給了用戶一個較高的體驗速率保證。在熱點高容量場景中，針對不斷提升的用戶體驗速率和流量密度，超密集組網(wǎng)技術可以更充分地利用頻率資源，大大提高單位區(qū)域內(nèi)的頻率重復利用的效率;全頻譜接入可以充分利用低頻率和高頻率的資源來實現(xiàn)更高的傳輸速率;大規(guī)模天線、新型多址等技術和其他技術相結合，可進一步提升頻譜效率。5G應用場景和關鍵技術可以在很大程度上為移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供技術條件，從根本上保證移動互聯(lián)網(wǎng)在未來的能滿足人們的需求。

5 物聯(lián)網(wǎng)應用場景與5G關鍵技術的關系

5G將會是一個“萬物互聯(lián)”[10]的時代。不僅要滿足人們在衣食住行不同領域的多樣性業(yè)務，還將進入到物聯(lián)網(wǎng)和各個行業(yè)，并與工業(yè)的設施建設使用、醫(yī)療器械改進、交通等相結合，滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等垂直行業(yè)的多樣性的需求。目前，物聯(lián)網(wǎng)已被廣泛運用于各個領域。物聯(lián)網(wǎng)的設備終端數(shù)量正在快速增加，根據(jù)預測，2020年聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量將超過200億。在如此海量大連接下，物聯(lián)網(wǎng)將面臨巨大挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)作為低功耗大連接、低時延高可靠的應用場景，就需要面對并解決場景下的技術問題，使物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展。在低功耗大連接場景中，物聯(lián)網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)有大規(guī)模的設備接通性、低的終端功耗和成本。新型多址技術可以通過廣泛用戶信息的疊加傳輸成倍提升系統(tǒng)連接終端的能力，還可不通過調(diào)節(jié)傳輸讓設備功耗在一定程度上下降[11];新型多載波技術[12]如F-OFDM和FBMC等使用的分段頻譜、支持窄帶，也可以有效地減小功耗和降低成本。此外，終端直接通信（D2D）可跨域較長距離，實現(xiàn)基站到終端間的傳輸，同時也可降低功耗。在低時延高可靠的場景中，要能達到降低傳輸時延的目的，不僅如此，還要降低重復傳輸?shù)膸茁蕘磉_到極低的時延和高的質(zhì)量要求。為此，需采用較先進技術，即在運用調(diào)節(jié)編碼機制和改善重傳來提升傳輸?shù)谋Ｕ闲缘耐瑫r通過新型多址和D2D等技術來減少信息指令交互和數(shù)據(jù)傳輸。另外，在網(wǎng)絡架構中，通過提高數(shù)據(jù)傳輸能力和控制轉發(fā)云和訪問云邊緣附近的業(yè)務數(shù)據(jù)來有效地減少網(wǎng)絡延時。

6 移動互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量不斷增長和智能終端使用量不斷上升，移動互聯(lián)網(wǎng)得到快速發(fā)展，不斷滿足人們需要的移動終端業(yè)務得到蓬勃發(fā)展，因具有多元化的特性，不斷運用于生活中的各行各業(yè)。移動互聯(lián)網(wǎng)具有便攜性，它能讓人們利用碎片時間隨時、隨地訪問互聯(lián)網(wǎng)，因此，各具特色的移動終端不斷被發(fā)明，例如智能手環(huán)、智能手表、智能眼鏡，在移動互聯(lián)網(wǎng)技術不斷提高的同時，移動流量不斷增多，這就要求巨大和IP地址數(shù)量?，F(xiàn)如今IP地址的數(shù)量在一定程度上限制了移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。5G技術的飛速發(fā)展，給移動互聯(lián)網(wǎng)帶來更多的發(fā)展機會，也為解決IP地址數(shù)量和移動寬帶[13]提供了新的方向，隨著用戶增多，數(shù)據(jù)流量也在不斷增大，如何解決高數(shù)據(jù)有效傳輸是當下5G所面臨的關鍵問題。而5G也正有從此問題出發(fā)，不斷在突破技術上的瓶頸，大規(guī)模天線、新型多址技術等關鍵技術落實到移動互聯(lián)網(wǎng)的每個問題之上。2020年，5G將全面應用，而移動互聯(lián)網(wǎng)預計有三大發(fā)展方向。即方向一：將入口爭奪將進入到底層;方向二：多屏融合，大數(shù)據(jù)，云計算等技術的深入使用;方向三：開放平臺成為移動互聯(lián)網(wǎng)主要的部分[14]。

物聯(lián)網(wǎng)技術于1911年首次提出，到目前為止主要走過了三個階段，大規(guī)模建立聯(lián)網(wǎng)階段，大量的連接設備狀態(tài)被感知到越來越多的設備通過移動網(wǎng)絡、WiFi、RFID、ZigBee和其他連接技術連接到網(wǎng)絡網(wǎng);生成海量數(shù)據(jù)，形成了物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù);人工智能初始化運用已經(jīng)實現(xiàn)，其對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行智能分析。中國物聯(lián)網(wǎng)處于設備層成熟期，但應用層仍處于成長期，智能制造、汽車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、消費智能終端市場等已形成一定的市場規(guī)模，并處于成長期。2020年，聯(lián)網(wǎng)設備在進一步增加，將達到260億。在5G的助力下，5G的物聯(lián)網(wǎng)技術將不斷突破，在功耗大連接、低時延高可靠5G應用場景和超密集組網(wǎng)、D2D通信技術的基礎上將會給物聯(lián)網(wǎng)應用上帶來可觀性的發(fā)展。比如車聯(lián)網(wǎng)領域，更低的傳輸時延確保了其更高的安全性，這將帶動車聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展。未來幾年內(nèi)，中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將除了率先在智能電網(wǎng)、家居、醫(yī)療、還要在車用傳感器等領域推廣使用，當5G全面到來的時候，我們也就真正的實現(xiàn)了萬物互聯(lián)。

參考文獻：

[1] 李其昌.大規(guī)模多天線信道測量及信道衰落特性研究[D].北京交通大學，2017.

[2] 佚名.5G來了！VR/物聯(lián)網(wǎng)等“黑科技”不再遙遠[J].信息與電腦（理論版），2016（12）：12-13.

[3] 孫勝齊.5G網(wǎng)絡應用場景[J].中國新通信，2017，19（20）：82.

[4] 許明元.5G低時延技術的應用淺析[J].移動通信，2017，41（09）： 90-96.

[5] 王胡成，徐暉，程志密，等. 5G網(wǎng)絡技術研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 電信科學，2015，31（09）：156-162.

[6] 李鵬.大規(guī)模天線與新型多址接入技術資源優(yōu)化方法研究[D].東南大學，2017.

[7] 胡顯安.5G新型非正交多址技術研究[D].北京交通大學，2017.

[8] 李冰.基于PDMA技術的5G異構網(wǎng)絡融合技術研究[D].華北電力大學（北京），2016.

[9] 李新.基于5G超密集組網(wǎng)的規(guī)劃與設計[J].電子測試，2018 （04）：70-71.

[10] 鄧鵬，陳金鷹，陳俊鳳.基于5G的物聯(lián)網(wǎng)應用研究[J].通信與信息技術，2017（06）：34+37-38.

[11] 劉金玲，陸海翔.面向5G的新型多載波技術分析[J].電信技術， 2017（08）：20-22.

[12] 李新.5G新型多載波技術分析[J].信息通信，2018（04）：256-257.

[13] 楊鑫.IP網(wǎng)絡流量凈化系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].電子科技大學， 2016.

[14] 李越.移動互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢探析[J].數(shù)字通信世界，2018（03）：88+99.

1.西華大學 西華學院，四川 成都

2.西華大學 計算機與軟件工程學院，四川 成都