5G通信信息技术在物联网时代的运用

2022-09-21 16:46:09 来源:写作指导

5G通信信息技术在物联网时代的运用

摘要:5G通信信息技术对于物联网网络发展具有正向作用和影响,能够扩展物联网应用的广度和深度,推动物联网深入垂直行业,探索未来人和物、物和物之间的紧密连接。通过探讨5G的三大典型应用场景、用于物联网络的关键通信技术,分析5G物联网带来的新机遇,并指出5G通信技术对物联网发展的影响。伴随运营商5G网络逐步成熟、物联网网络向5G的平滑演进,促进了完善物联网生态的构建,加快推进了5G物联。物联业务应用的核心诉求的解决和物联网在热点行业的应用将带来极丰富的物联网服务。

关键词:互联网;5G技术;网络安全;定制化网络;垂直行业;综合运维

0引言

无线通信网络从根本上改变了人们传统的生产生活模式,当今社会广泛通过网络进行生产、办公、交易、沟通,但由于无线通信技术具有一定的开放性和移动性特征,更易受到外部条件改变和各种因素的干扰,进而可能导致网络稳定性和安全性下降或者失效的情况发生[1-2]。当前4G时代已经逐步向5G移动时代演进,无线通信技术的迭代将对社会生产生活模式产生更为巨大的影响,信息意识水平也随着通信科技的迅猛发展而不断跃进。在5G通信技术与先进的存储转发和云计算算力网络科技相结合的整体网络环境下,5G物联网得到不断发展。5G物联网的模式下,一定程度上来说,所有的人和物都可以通过某种链接被联接起来并发生相互作用。万物互联的物联网彻底改变了社会群体和个人的思维、感觉、行为和生产生活方式,5G通信技术的加持会令互联世界观念下的社会变得更小、更安全、更智能[3-5]。

15G三大应用场景

1.1eMBB增强移动宽带

用户能够深度感知极致数据速率和极致用户移动性。数据速率可达10G/b,是4G的100倍。利用高功率的无线电波,甚至是毫米波,实现高带宽、高信息量传递。各类型基站广覆盖,针对高速环境叠加波速赋形,功率强,保证移动性可达500km/h以上。结合SR分段路由的5G承载,降低了网络连接的复杂度,使得业务路径更畅通。同时,边缘计算能力可以为超大规模语音、视频、即时通信、网络媒体和物联网络提供基础能力保障,能够使视频云、CDN、游戏云、智慧家庭、互联应用等服务能力有质的飞跃[6]。

1.2URLLC

URLLC拥有小于1ms的时延,只有4G的10%。结合5G网络切片能力,提供物联网络的差异化需求,保证不同物联业务的承载。低时延在物联网络中的作用更加强大,大部分物与物的连接中都要求一定的反应速度。在工业控制、智能制造、自动驾驶、远程医疗、XR元宇宙、游戏穿戴上,低时延都是一切能力呈现的基础。在5G网络环境下,端到端低时延可以做到优先级分类和网络流量的特殊处理,同时数据通信中的卡顿和延时也将大大缩减,大数据量的码流、4K和8K视频流稳定流畅。VRAR类物联环境以及连接数激增的情况下,仍可以做到敏感迅捷的交互时延[7]。

1.3mMTC海量机器通信

5G技术可以做到深度覆盖、超高密度、超低能耗要求下的海量连接。它的1M/km2的连接数是4G的100倍,能够实现端到端数据直接传输。运营商正在大规模建设700MHz、900MHz、2.1GHz、2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz、毫米波等多种5G频谱。5G网络与其他网络的互补优势明显,使得物联网的网络应用能力不断提升;在资源带宽优势基础上,不断增加终端接入能力;网络灵活多样,网络管理方便迅捷;接入带宽非常灵活,从不需要支持全带宽的智能仪表,到码流需求巨大的自动驾驶汽车,不同带宽灵活切换,网络自动调整基站UE功耗。5G技术采取前向兼容,动态配置带宽和载波间隔,资源预留、调度优先[8]。

2物联网环境下的5G关键技术

2.1多层级专网可靠性设计

通过5G设备单板和电源主设备实现单板级可靠性。通过RRU环形组网实现网元级可靠性。通过5G低码率表、回程重复、上行重复等方式实现链路级可靠性。通过多终端冗余、无线双平面、端到端会话双平面实现网络级可靠容灾。以上方式在5G技术中的实现,使物联网环境复杂、场景可靠性要求非常高的情况下的需求能够得到充分满足。在空口环境比较恶劣的场景下,也能充分发挥5G能力,保障在线业务不丢失。对用户层可靠性要求极高的情况下,通过冗余设计保障安全。即使从无线侧到核心侧整条链路上出现故障,也能充分保证端到端业务连续性。

2.2QoS对速率、时延、抖动的服务质量保证

基于5G切片的无线差异化保障,可应用于不同切片下相同的差异化保障。在5G公网中部署基于资源预留的切片,可灵活满足高可靠、高安全的物联行业应用。结合带内上行增强和时频深度协同技术,对速率进行增强。通过URLLC的时延增强功能,实现URLLC和eMBB两种下行业务共存,满足URLLC对低时延的高要求。同时5G技术允许对终端和核心网有定制化的需求,可以通过系统面控制精准地对时延进行确定性的管控并减少速率抖动。

2.35G业务组网及网络分流

在物联网的发展中,网络组网方案非常关键。在核心侧,5G技术通过网络级分流、网元级分流以及会话级分流对网络分域分流管理,以提升安全可靠性。在无线侧,5G技术通过基于IP和DNS的域名分流、园区切片ID分流,或者指定专网用户分流,实现不同物联网业务在同一张5G无线大网下各自的业务保证。

2.4专网行业定制化需求

5G通过大带宽使能3~5m精准定位能力,具备高精度、全场景、易维护、低成本优势,降低网络运维复杂度和系统开销,提升可商用性。高精度网络授时技术赋能物联网行业数字化改造,对电力、工控、交通、自动驾驶等物联应用提供同步和高效协同的基础保障能力。5G广覆盖下,基站位置灵活,可以充分确保重要的专业物联网络无缝连接。端到端的QoS监控能够实现精准检测保障。相比传统网络,5G网络具备端到端时延和抖动等关键指标,是实时的测量手段,且不占用大量资源开销,使得物联网大连接情况下充分得到网络质量保障监控,并且能够实现用户侧可视可管可控,业务服务可保障、可承诺。

35G物联网带来的新机遇

3.1用户侧数字化变革,物联网基础设施升级

在数字化转型的趋势下,更多的数据将从边缘处理、工业制造、电力物联网逐步走向智能物联。网络在边缘侧面临异构终端的海量连接、业务的实时性、应用智能性、数据优化和安全隐私等多种挑战。5G网络可通过简化边缘APP开发和适配,凭借深度开放的边缘计算和安全防护能力,帮助用户实现制造、管理、检测、维护、安全等智能化管理,提高生产效率,提升公共服务用户满意度。

3.2与多种新技术新领域融合

物联网与5G无线网相融合形成移动物联网,例如智能家居、车联网、可穿戴设备、智能设备、健康养老等规模化的消费应用。物联网与工业、农业、能源等传统行业深度融合形成产业物联网,成为行业转型升级所需的基础设施和关键要素,例如智慧工厂、智慧农业、智慧能源等生产性物联网应用。物联网立体化城市信息采集系统正在加快构建,智慧城市成为物联网应用集成创新的综合平台,例如智慧安防、智慧消防、智能停车等安全防护性应用。

3.34G和5G物联网共存化、网络切片、综合运维

5G网络的广覆盖预计到2025年左右可以实现无缝部署。从网络层面看,运营商不可能同时全面转向5G。从4G到5G,涉及虚拟设备和传统非虚拟设备的混合运维和管理,这对目前的综合运维方式有很大的冲击和挑战。5G网管与云对接,实现监控、编排、升级等云网业务一体化是综合运维的重点任务,需要做到网元共管、Pool管理,支持虚拟资源的编排,利用SDN实现5G部署切片网络配置和端到端切片的部署管理。

45G通信技术对物联网发展的影响

4.15G物联网典型应用场景

5G物联网典型应用场景:eMBB增强移动宽带通信、URLLC超可靠低时延、mMTC海量物联。通俗说:eMBB是为人提供更好的感受,URLLC是为车提供安全保障,mMTC是为物提供更全面灵活的连接能力。NB-IoT/eMTC窄带物联网标准继续演进,作为5G物联网的重要场景和补充。5G物联网发展强调与垂直行业融合,重点涉及工业互联网,面向企业提供广覆盖、低时延、高可靠的网络,助力企业建设。5G通信技术具有传输速率高、延迟较小等通信速度特质,应充分应用到物联网技术当中,推动物联网高度发展;同时伴随着技术的不断发展,人们对于物联网技术提出了越来越高的要求,恰好5G通信技术可以很好地完成信息传输任务,并在很多方面都起到了较好的推动作用。

4.25G对物联网的演进推动

5G低功耗广域网等基础设施的加速建设,推动边缘计算、人工智能、海量连接、区块链等新技术与物联网结合,进入物联网领域跨界融合。5G是无线网络面向数字化转型的契机。统一的网络可以满足差异化应用的需求,能够实现网络云级运营管理,灵活适配应用业务需求,满足开放式能力,用户层部署下沉,减小时延,降低数据承载压力,实现异构组网。

4.3垂直行业对5G技术的需求

引入5GMEC技术,结合边缘DC和中心DC,物联网数据的处理更加分布式地呈现,核心网部署更加边缘化。MEC组网可使应用业务本地化、本地分流和缓存加速、路由灵活配置。这些都是实现5G业务网络应用近距离部署和访问、用户层高效灵活按需部署分布的有效手段。为用户提供高带宽、低时延传输能力的同时,打造无线虚拟接入网络。进一步为客户提供安全可靠的本地数据存储和处理能力服务,确保用户数据的安全隐私。

5结语

物联网专网设备向5G的平滑演进和人网这张大网紧密关联,5G初期物联网核心网元可以和人网网元合一。总体策略上需要保持4G物联网的继承性,同时也需推动窄带物联网深度覆盖持续进行。5G中后期,构建完善的物联网生态,加快推进5G物联,构建泛在5G的信息基础。伴随运营商5G网络逐步成熟,URLLC/mMTC业务将不断融合网元,按需下沉靠近MEC。建设物联网保障安全体系,构建可控、可管的物联网核心架构是确保工业、电力、能源、交通等国计民生物联垂直行业的核心安全要求。物联业务应用是5G物联网发展的核心诉求,规模应用时同步开展综合物联网标准的制定,能够大力推动物联网在热点行业应用,充分围绕智慧交通、车联网、智慧电网、智慧制造、工业互联、智慧医疗、智慧民生等关系到人民生活的关键行业和领域,大力推广物联网新产品、新技术、新模式和新形态,物联网将迎来极丰富的智能服务。

作者:张坚 单位:中国电信股份有限公司杭州分公司