鄔張帆，莊常進(jìn)

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

隨著當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)需求量的提升，物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用領(lǐng)域和覆蓋范圍上都處于不斷延伸的狀態(tài)。在這樣的情況下，物聯(lián)網(wǎng)中所接入的通信設(shè)備也在種類和數(shù)量上呈現(xiàn)出了不斷增加的趨勢(shì)，進(jìn)而讓物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行伴隨著海量信息數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。隨著數(shù)據(jù)量的逐漸擴(kuò)大，當(dāng)今的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法使其高速率、低延時(shí)以及低功耗等各個(gè)方面的通信需求得到全面滿足，這就為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展帶來(lái)了一定程度的阻礙[1]。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，面向5G形式的物聯(lián)網(wǎng)上行接入技術(shù)開(kāi)始得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，H2H（人和人之間的通信技術(shù)）已經(jīng)逐漸被MTC（人和物之間的通信技術(shù)）所取代，這樣就實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)上行接入能力的顯著提升，可對(duì)多臺(tái)設(shè)備的接入提供技術(shù)支持，且有著壽命長(zhǎng)、時(shí)延低等優(yōu)勢(shì)。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和5G技術(shù)的相關(guān)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就是將各種的傳感器設(shè)備作為基礎(chǔ)，讓各種物品都接入到互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)，并在這個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行信息的交互和共享的一種技術(shù)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也具備智能化、管理、識(shí)別、監(jiān)控、追蹤和定位等特征，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分明顯。從本質(zhì)屬性來(lái)講，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就是將物聯(lián)網(wǎng)作為背景來(lái)實(shí)現(xiàn)的人、物、事這三者之間的互相聯(lián)通。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中涉及到的學(xué)科有很多，如自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)及通信等。物聯(lián)網(wǎng)這一技術(shù)的起源也比較早，早在20世紀(jì)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就已經(jīng)開(kāi)始得到了早期應(yīng)用，其主要的應(yīng)用形式是汽車(chē)內(nèi)的收音機(jī)安裝。伴隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但是在該技術(shù)的具體應(yīng)用中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)卻對(duì)其應(yīng)用與發(fā)展造成了很大程度的制約[2]。雖然當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)讓無(wú)線傳感器的很多問(wèn)題都得以有效解決，但是在節(jié)點(diǎn)傳輸距離的影響作用下，信號(hào)干擾問(wèn)題依然是一項(xiàng)需要解決的技術(shù)難題，物聯(lián)網(wǎng)上行接入技術(shù)也有待進(jìn)一步研究。

1.2 5G通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)主要層級(jí)有4個(gè)，一是監(jiān)控應(yīng)用層，二是業(yè)務(wù)管理層，三是媒體服務(wù)層，四是前端接入層。具體應(yīng)用中，前端有著較多的智能化設(shè)備，且這些設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)寬帶方面都有著比較高的要求，這樣才可以讓物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控方面的標(biāo)準(zhǔn)以及傳輸速率方面的要求得以有效滿足。而5G通信技術(shù)可以滿足這些要求。5G通信技術(shù)在商用通話方面具有如表1所示的優(yōu)勢(shì)。

表1 5G通信技術(shù)商用通話方面的優(yōu)勢(shì)

在物聯(lián)網(wǎng)中，大多數(shù)的主干網(wǎng)絡(luò)都是通過(guò)光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）構(gòu)建而成，是一種剛性形式的寬帶通道，其可擴(kuò)展性十分優(yōu)良，可以讓物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的前端智能設(shè)備實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)寬帶需求得以全面滿足，且這種寬帶通道也有著比較低的延時(shí)性，其應(yīng)用效果十分良好。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，ONT網(wǎng)絡(luò)的光網(wǎng)絡(luò)化軟件定義也逐漸實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵摷夹g(shù)自身的波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）和同步數(shù)字體系((Synchronous Digital Hierarchy，sdh）優(yōu)勢(shì)十分顯著，所以能夠有效滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)于寬帶的實(shí)際要求，使其業(yè)務(wù)調(diào)度更加靈活，并實(shí)現(xiàn)其拓展性的進(jìn)一步提升[3]。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)的融合分析

隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，5G通信技術(shù)已經(jīng)不僅僅基于用戶基本應(yīng)用需求的滿足，同時(shí)也讓用戶的網(wǎng)絡(luò)寬帶擴(kuò)展性需求得到了良好滿足。隨著5G通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，通信網(wǎng)絡(luò)的整體應(yīng)用質(zhì)量都實(shí)現(xiàn)了顯著提升，同時(shí)也讓網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全性和可靠性得到了進(jìn)一步保障。而在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展中，5G通信技術(shù)也對(duì)其起到了很大程度的推動(dòng)作用，讓該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的應(yīng)用與普及。由此可見(jiàn)，將5G通信技術(shù)融入到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中已經(jīng)成為了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的一個(gè)必然發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)這兩種技術(shù)的融合，不僅可以實(shí)現(xiàn)彼此之間應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)這兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮，在促進(jìn)各個(gè)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值的進(jìn)一步提升[4]。另外，將5G通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合在一起，也可以讓傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)延時(shí)高、能耗大等的問(wèn)題得以有效解決，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的良好應(yīng)用與發(fā)展。

2 物聯(lián)網(wǎng)上行接入主要問(wèn)題分析

在物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前的上行通信中，最主要的一個(gè)問(wèn)題就是海量數(shù)據(jù)連接所帶來(lái)的較大功耗問(wèn)題，隨著5G通信技術(shù)的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)在上行接入方面的負(fù)擔(dān)也就變得更大，其主要問(wèn)題包括如下兩個(gè)方面。

2.1 設(shè)備接入量和空間之間的矛盾

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的通信設(shè)備開(kāi)始接入物聯(lián)網(wǎng)，這樣的情況勢(shì)必會(huì)將上行通信資源占用更多，而且由于通信設(shè)備的類型不同，其傳輸速度和數(shù)據(jù)類型等的諸多方面也都有著比較大的差異性，所以無(wú)線網(wǎng)接入堵塞情況就很容易發(fā)生。在這樣的情況下，如果不能有效解決物聯(lián)網(wǎng)的上行通信問(wèn)題，不僅會(huì)對(duì)其遠(yuǎn)程傳輸速度造成不利影響，也可能會(huì)損害到接入到物聯(lián)網(wǎng)中的通信設(shè)備。

2.2 4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行接入問(wèn)題

目前，4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)依然是物聯(lián)網(wǎng)上行接入的主要技術(shù)，其接入模式也依然是正交多址形式。雖然這種接入方式可以讓物聯(lián)網(wǎng)上行數(shù)據(jù)保持連續(xù)性，但是在物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展中，數(shù)據(jù)的多樣化和海量化特征也越來(lái)越明顯，而現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行技術(shù)對(duì)于小包突發(fā)形式的海量機(jī)器類通信(massive Machine Type of Communication，mMTC）業(yè)務(wù)并不能做到有效應(yīng)對(duì)，尤其是在面臨IoT形式的突發(fā)性、高能效通信業(yè)務(wù)需求時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度也很容易變慢，甚至?xí)霈F(xiàn)系統(tǒng)不響應(yīng)情況，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)通信的正常進(jìn)行造成嚴(yán)重干擾[5]。要想有效解決此類問(wèn)題，就需要將更加優(yōu)越的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上行接入中加以合理應(yīng)用。表2是4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)比。

表2 4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)比

3 面向5G通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)上行接入技術(shù)具體應(yīng)用分析

3.1 基于NOMA窄帶形式的物聯(lián)網(wǎng)上行接入

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）的功率譜密度非常高，而借助于這一本質(zhì)優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)可以對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行高效能、低速率的連接，并使其得到擴(kuò)展覆蓋，這樣就可以讓5G物聯(lián)網(wǎng)中MTCD大量的低成本性能需求得到有效滿足。表3是其技術(shù)參數(shù)。

表3 NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）參數(shù)

通過(guò)NOMA的應(yīng)用，可以為統(tǒng)一頻譜帶上的多個(gè)用戶數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送提供支持，其接收端會(huì)通過(guò)5G通信技術(shù)對(duì)各種的重疊信號(hào)進(jìn)行分離。具體應(yīng)用中，為了讓5G物聯(lián)網(wǎng)條件下的MTCD海量同步連接需求得以滿足，可以將資源共享這一理念作為基礎(chǔ)，讓同一個(gè)窄子載波被多個(gè)MTCD所共用。通過(guò)這樣的方式，不僅可以實(shí)現(xiàn)通信傳輸性能的提升，也可讓上行鏈路實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本的有效降低，讓該技術(shù)更具實(shí)用性。但是在該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，窄帶資源分配不足的情況也很可能發(fā)生，如果在短時(shí)間內(nèi)有大量的瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)涌入物聯(lián)網(wǎng)，堵塞和延遲等的問(wèn)題也可能發(fā)生。所以就目前的情況來(lái)看，基于NOMA窄帶形式的物聯(lián)網(wǎng)上行接入技術(shù)依然有待進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 基于NOMA免調(diào)度形式的分布式上行接入

為實(shí)現(xiàn)LTE/LTE-A系統(tǒng)上行輸入的有效性與傳輸?shù)目煽啃?，一般都需要先隨機(jī)接入，然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，這樣的情況就會(huì)導(dǎo)致物理層開(kāi)銷以及MAC層接入與調(diào)度開(kāi)銷的大量形成。隨著NOMA在近年來(lái)的廣泛應(yīng)用，其5G蜂窩系統(tǒng)中頻率效率的提升也越來(lái)越受到研究者的關(guān)注，有研究者將5G通信技術(shù)中的NOMA以及gran-free新技術(shù)作為基礎(chǔ)，進(jìn)行了一種基于分布式形式的免調(diào)度分層NOMA混合上行接入新型框架的設(shè)計(jì)[6]。在該框架中，免調(diào)度形式的NOMA技術(shù)主要有兩大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。第一，可以將上行接入以及通信傳輸中的堵塞、沖突問(wèn)題解決，在保障信息傳輸更具時(shí)效性的同時(shí)也進(jìn)一步提升鏈路的通信速率。第二，可以實(shí)現(xiàn)上行連接成功率的進(jìn)一步提升。經(jīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，免調(diào)度形式的NOMA上行接入方式應(yīng)用之后，其接入的成功率比傳統(tǒng)的OMA接入成功率高出了將近40倍。圖1是該框架的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 基于分布式形式的免調(diào)度分層NOMA混合上行接入新型框架結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 基于免調(diào)度分布式NOMA穩(wěn)定性的上行傳輸

雖然免調(diào)度形式的NOMA上行技術(shù)可以為物聯(lián)網(wǎng)的上行接入提供足夠的技術(shù)支撐，但是在該技術(shù)的具體應(yīng)用中，零星通信以及小包突發(fā)問(wèn)題依然有待進(jìn)一步解決，同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)存在一定程度的負(fù)載不穩(wěn)定現(xiàn)象。在正常條件下，因?yàn)樯闲薪尤脒x擇了分布式的方式，所以如果負(fù)載波動(dòng)比較小，通信的正常運(yùn)行也不會(huì)受到顯著影響。但是在物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，隨時(shí)可能出現(xiàn)大流量傳輸現(xiàn)象，所以出于安全方面考慮，在具體的5G上行技術(shù)應(yīng)用中，還需要以此為基礎(chǔ)進(jìn)行穩(wěn)定傳輸設(shè)計(jì)的增設(shè)。尤其是在遠(yuǎn)距離或者是大流量傳輸條件下，穩(wěn)定傳輸技術(shù)的應(yīng)用更會(huì)發(fā)揮出關(guān)鍵作用。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，多信道隨機(jī)重傳不僅可實(shí)現(xiàn)接入時(shí)延的縮短，也不會(huì)對(duì)通信質(zhì)量造成明顯影響，所以該方法可作為免調(diào)度分布式NOMA上行接入技術(shù)中的穩(wěn)定傳輸技術(shù)。

4 結(jié) 論

相比較傳統(tǒng)的上行接入技術(shù)，將5G通信技術(shù)用來(lái)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)的上行接入，將會(huì)實(shí)現(xiàn)其傳輸速率和穩(wěn)定性的進(jìn)一步提升。因此，在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行上行接入研究的過(guò)程中，技術(shù)人員一定要加強(qiáng)5G通信技術(shù)的研究，將其與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之間進(jìn)行有機(jī)融合，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮。