李伶俐 付書涵

（1.西華大學(xué) 西華學(xué)院,四川 成都 610039；2.西華大學(xué) 計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院,四川 成都 610039）

隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，4G已融入生活的各個(gè)方面，“MWC 2018”主辦方GMSA發(fā)布的一份研究報(bào)告就曾指出，在2019年，5G會(huì)從“試驗(yàn)”走向“商用”，這無疑是5G技術(shù)提速性的發(fā)展，5G將很快實(shí)現(xiàn)它的全球應(yīng)用。相比其他代網(wǎng)絡(luò)，5G所具備的水平更高，它的用戶體驗(yàn)速率可達(dá)0.1～1Gbps，是4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)十倍，連接數(shù)密度更加廣泛，ms內(nèi)的傳輸時(shí)延，以及每小時(shí)500KM以上的移動(dòng)速率和10Gbps以上的峰值速率。用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度和時(shí)延是5G最基本的三個(gè)性能指標(biāo)。同時(shí)，與4G相比，它的頻譜效率提高了5～15倍[1]。在關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場景下，5G具有高傳輸、低時(shí)延、萬物互聯(lián)的特征，也正是在此基礎(chǔ)上，GTI發(fā)布《5G新設(shè)備類型白皮書》提出10類5GeMBB創(chuàng)新應(yīng)用[2]：AR/VR/MR、自動(dòng)駕駛、信息娛樂、移動(dòng)媒體、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程辦公、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)端工業(yè)應(yīng)用（如遠(yuǎn)程機(jī)器人）、固定無線接入、流媒體游戲。5G應(yīng)用業(yè)務(wù)不斷增多，這要求5G要遠(yuǎn)遠(yuǎn)前超前幾代通訊技術(shù)。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(jìn)行海量大連接，真正實(shí)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(guān)鍵技術(shù)和5G應(yīng)用場景，來淺析未來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

1 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

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

研究報(bào)告指出，5G具有高傳輸、低時(shí)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(dāng)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(chǔ)上突破時(shí)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(huì)帶我們走進(jìn)另一個(gè)高科技世界。

2 5G應(yīng)用場景

不同應(yīng)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(yīng)用場景面臨的性能挑戰(zhàn)是不同的，用戶體驗(yàn)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)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(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠這四種。

2.1 連續(xù)廣域覆蓋

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

2.2 熱點(diǎn)高容量

主要關(guān)注局部區(qū)域熱點(diǎn)，讓用戶所體驗(yàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)一步提高，已達(dá)到人們對網(wǎng)絡(luò)流量密度的高要求。1Gbps用戶體驗(yàn)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(yīng)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(biāo)的業(yè)務(wù)，它的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)包小、功耗低、可進(jìn)行海量大連接等特點(diǎn)。能適應(yīng)這個(gè)場景的設(shè)備數(shù)量很多，且種類繁多。它對要求網(wǎng)絡(luò)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(shí)延高可靠

主要運(yùn)用在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等行業(yè)如（自動(dòng)駕駛）的特殊應(yīng)用需求，這種應(yīng)用對時(shí)延和可靠性具有很高的技術(shù)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(diǎn)高容量場景作為傳統(tǒng)的4G主要技術(shù)場景也要廣泛運(yùn)用到5G的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上來。低功耗大連接和低時(shí)延高可靠場景主要針對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，作為一個(gè)新興業(yè)務(wù)，它關(guān)注的是以前的傳統(tǒng)移動(dòng)通信無法帶動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用問題。

3 5G關(guān)鍵技術(shù)

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(shù)形成針對所有場景的解決方案，而5G的技術(shù)革新主要針對于無線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

在無線技術(shù)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(shù)；在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，則是基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[5]，這里主要介紹5G無線技術(shù)。

3.1 大規(guī)模天線技術(shù)

Massive MIMO（大規(guī)模天線技術(shù)）。從天線數(shù)量來看，傳統(tǒng)的TDD網(wǎng)絡(luò)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(dá)到64、128、256個(gè)；從信號(hào)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(shí)際信號(hào)在做覆蓋時(shí)，只能在水平方向移動(dòng)，垂直方向是不動(dòng)的，信號(hào)像是從一個(gè)平面發(fā)射出去[6]。而大規(guī)模MIMO，基于信號(hào)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(hào)，它的信道數(shù)目和多向信號(hào)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(shù)

5G支持的新型多址接入技術(shù)包括 SCMA、NOMA、PDMA、MUSA 以及較為傳統(tǒng)的OFDMA等[7]。這種技術(shù)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(shí)延。NOMA（非正交多址）是基于功率域重復(fù)利用的一種新型多址接入方法，用來增加接收處的復(fù)雜程度，并以此來提高頻譜效率；PDMA（分割多址接入技術(shù)）是基于發(fā)送處和接收處聯(lián)合設(shè)計(jì)的一種新型非正交多址接入技術(shù)，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(fù)數(shù)域多元碼的上行為基礎(chǔ)的非正交多址接入技術(shù)，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(shí)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(luò)架構(gòu)一方面通過控制對承載的分離，及覆蓋與容量分離來實(shí)現(xiàn)未來網(wǎng)絡(luò)對與覆蓋和容量設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以業(yè)務(wù)要求為目標(biāo)的靈活擴(kuò)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(jìn)行集群集中控制[9]，它實(shí)現(xiàn)小區(qū)間協(xié)調(diào)、移動(dòng)資源協(xié)調(diào)、移動(dòng)性管理等這一類目標(biāo),增加了網(wǎng)絡(luò)容量，為用戶提供了極佳的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

3.4 D2D通信技術(shù)

D2D 技術(shù)指的是通信系統(tǒng)中連接的設(shè)備之間的進(jìn)行通信技術(shù)。在無線通信網(wǎng)中，以D2D的進(jìn)行來實(shí)現(xiàn)通信鏈路連接，則傳輸網(wǎng)絡(luò)就就可擺脫中間設(shè)備的控制，這項(xiàng)技術(shù)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(shù)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景與5G關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)系

移動(dòng)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(shí)和工作或工作間隙時(shí)，都自然地拿出手機(jī)，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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，他們將生活、工作、交易、交友擴(kuò)大到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上。隨著不斷增加的使用人數(shù)和通訊業(yè)務(wù)，使得移動(dòng)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(luò)，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(wù)的需求時(shí)，我們應(yīng)該考慮到連續(xù)廣域覆蓋和熱點(diǎn)高容量場景所面臨的技術(shù)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(yàn)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(shù)之一的大規(guī)模天線陣列，可與新型多址技術(shù)相結(jié)合，讓系統(tǒng)頻譜效率進(jìn)一步提高和讓更多的多用戶能接入互聯(lián)網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系方面，形成了多種無線接入能力和集中式網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同與控制技術(shù)，給了用戶一個(gè)較高的體驗(yàn)速率保證。在熱點(diǎn)高容量場景中，針對不斷提升的用戶體驗(yàn)速率和流量密度，超密集組網(wǎng)技術(shù)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(fù)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(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率；大規(guī)模天線、新型多址等技術(shù)和其他技術(shù)相結(jié)合，可進(jìn)一步提升頻譜效率。5G應(yīng)用場景和關(guān)鍵技術(shù)可以在很大程度上為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供技術(shù)條件，從根本上保證移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)在未來的能滿足人們的需求。

5 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景與5G關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)系

5G將會(huì)是一個(gè)“萬物互聯(lián)”[10]的時(shí)代。不僅要滿足人們在衣食住行不同領(lǐng)域的多樣性業(yè)務(wù)，還將進(jìn)入到物聯(lián)網(wǎng)和各個(gè)行業(yè)，并與工業(yè)的設(shè)施建設(shè)使用、醫(yī)療器械改進(jìn)、交通等相結(jié)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(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備終端數(shù)量正在快速增加，根據(jù)預(yù)測，2020年聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shí)延高可靠的應(yīng)用場景，就需要面對并解決場景下的技術(shù)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(shè)備接通性、低的終端功耗和成本。新型多址技術(shù)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(shè)備功耗在一定程度上下降[11]；新型多載波技術(shù)[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(shí)現(xiàn)基站到終端間的傳輸，同時(shí)也可降低功耗。在低時(shí)延高可靠的場景中，要能達(dá)到降低傳輸時(shí)延的目的，不僅如此，還要降低重復(fù)傳輸?shù)膸茁蕘磉_(dá)到極低的時(shí)延和高的質(zhì)量要求。為此，需采用較先進(jìn)技術(shù)，即在運(yùn)用調(diào)節(jié)編碼機(jī)制和改善重傳來提升傳輸?shù)谋Ｕ闲缘耐瑫r(shí)通過新型多址和D2D等技術(shù)來減少信息指令交互和數(shù)據(jù)傳輸。另外，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，通過提高數(shù)據(jù)傳輸能力和控制轉(zhuǎn)發(fā)云和訪問云邊緣附近的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)來有效地減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

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

隨著移動(dòng)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)得到快速發(fā)展，不斷滿足人們需要的移動(dòng)終端業(yè)務(wù)得到蓬勃發(fā)展，因具有多元化的特性，不斷運(yùn)用于生活中的各行各業(yè)。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)具有便攜性，它能讓人們利用碎片時(shí)間隨時(shí)、隨地訪問互聯(lián)網(wǎng)，因此，各具特色的移動(dòng)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷提高的同時(shí)，移動(dòng)流量不斷增多，這就要求巨大和IP地址數(shù)量。現(xiàn)如今IP地址的數(shù)量在一定程度上限制了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。5G技術(shù)的飛速發(fā)展，給移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)帶來更多的發(fā)展機(jī)會(huì)，也為解決IP地址數(shù)量和移動(dòng)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(dāng)下5G所面臨的關(guān)鍵問題。而5G也正有從此問題出發(fā)，不斷在突破技術(shù)上的瓶頸，大規(guī)模天線、新型多址技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)落實(shí)到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的每個(gè)問題之上。2020年，5G將全面應(yīng)用，而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)預(yù)計(jì)有三大發(fā)展方向。即方向一:將入口爭奪將進(jìn)入到底層；方向二:多屏融合，大數(shù)據(jù)，云計(jì)算等技術(shù)的深入使用；方向三:開放平臺(tái)成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)主要的部分[14]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)于1911年首次提出，到目前為止主要走過了三個(gè)階段，大規(guī)模建立聯(lián)網(wǎng)階段，大量的連接設(shè)備狀態(tài)被感知到越來越多的設(shè)備通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、WiFi、RFID、ZigBee和其他連接技術(shù)連接到網(wǎng)絡(luò)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(yùn)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，其對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析。中國物聯(lián)網(wǎng)處于設(shè)備層成熟期，但應(yīng)用層仍處于成長期，智能制造、汽車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、消費(fèi)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(shè)備在進(jìn)一步增加，將達(dá)到260億。在5G的助力下，5G的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將不斷突破，在功耗大連接、低時(shí)延高可靠5G應(yīng)用場景和超密集組網(wǎng)、D2D通信技術(shù)的基礎(chǔ)上將會(huì)給物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上帶來可觀性的發(fā)展。比如車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，更低的傳輸時(shí)延確保了其更高的安全性，這將帶動(dòng)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(lǐng)域推廣使用，當(dāng)5G全面到來的時(shí)候，我們也就真正的實(shí)現(xiàn)了萬物互聯(lián)。