物流园区土地集约利用评价研究——以河南苏宁物流枢纽园区为例外文翻译资料

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5G下一代网络在物联网中的应用

Suresh Borkar

Illinois Institute of Technology Chicago, IL 60616, USA. Email: borkar@iit.edu

Himangi Pande

Maharashtra Institute of Technology Pune, 411038, India. Email: himangi.pande@mitpune.edu.in

摘要：在2020年以后智慧城市应用的关键服务将会涉及智能电网、智能交通、智能医疗、联网汽车、联网家庭、移动机器人和各类传感器等组成物联网的部分。5G是物联网应用的基础接入技术。它被定义为处理极高容量，高带宽，强健完整性和低延迟。 它融合了一系列创新和颠覆性的技术进步。无线电和天线系统的创新包括频谱效率的提高，接入方案的演进，载波聚合的利用以及天线技术的进步。频谱支持不是传统的基于静态分配的方法，而是涉及厘米和毫米频率范围内的动态频谱共享和操作。5G网络增强包括超精益设计，控制和用户平面之间的分离，灵活的双工方法，适应性资源管理，小型小区，协调多点网络和异构网络。

关键词：5G；物联网；MIMO；NOMA

1 引言

未来十年即将到来的服务和应用环境将涉及智能城市及相关应用，可穿戴计算，多种个人设备，智能和远程医疗保健和教育以及安全和生命线系统。物联网（IoT）将成为构建这些服务的基础。据估计，到2020年将有超过500亿台设备连接到互联网。 物联网设备将占流量的75％以上，90％的汽车将连接到互联网。访问设备将涉及生物识别，传感器和内置的地理定位功能。接入网络需要有效且高效地处理需要大规模连接，极高带宽，高完整性，跨域集成和多无线电接入技术（RAT）的主导机器对机器（M2M）流量。本文讨论了即将推出的具有适用性和增强功能的作为物联网接入技术的5G下一代网络（NGN）。

第2节总结了物联网接入网需要满足的要求。第3节介绍了5G NGN，然后介绍了5G技术中满足接入要求的特定增强功能和架构结构。涵盖了无线电和天线，频谱和网络领域的进展。 接下来是结束语。

2 接入物联网的关键要求

物联网需要技术和标准的融合，例如传感器和执行器，可穿戴计算，通信和协议，网络，存储和计算基础设施以及不同的数据和分析。从家用电器到整个工厂的所有设备的集成和自动化需要将大量小型突发数据包和大数据包与大量终端设备传输。接入网上的M2M通信产生的关键要求总结如下。

• 适应性服务质量（QoS）支持
• 频谱和网络效率的提升
• 高系统容量，大规模设备连接，以及处理具有不同流量特性的小型到大型设备
• 低到高通信带宽范围
• 通常，上行链路和下行链路方向的带宽相等
• 显著减少延迟
• 高度完整
• 节能

3 下一代无线网络的解决方案

拟在2020年推出的5G NGN系统具有独特的优势，可满足上述物联网相关要求。它支持基于小型小区配置的使用和基于不同类型技术的接入的高密度设备的需求。 它不仅提供通过集中式架构方法的通信，还提供设备之间的直接通信，尤其是在小区边缘。

特别是对于终端而言，与4G LTE相比，具有挑战性的目标包括100倍数据速率，尤其是高移动性，拥挤区域的大规模连接，每平方千米1000倍的系统容量，小于1毫秒的延迟，以及节能和降低成本。在从4G到5G的一代过度正尝试实现在四代蜂窝系统中实现的目标。

图1总结了5G的基本架构。

图1 5G结构

5G解决方案基于扁平架构，具有组合的基站和基站控制器，称为云 - 无线接入网络（C-RAN）。 虚拟增强分组核心（vEPC）本质上是基于软件升级的4G长期演进（LTE）分组核心。 管理和服务创建基于基于云的平台。 与3G无线不同，没有电路核心。

为了支持主要的M2M通信，5G实施在各个领域采用破坏性而非演进的方法，包括空中接入，双工方案，极其广泛的频谱，基于云的管理和应用创建，以及多RAT支持等。 以下各节总结了这些增强功能。

4 无线电和天线的支持

处理无线电中带宽和容量要求的主要方法是通过频谱效率的显着提高，接入方案的演进，载波聚合的利用以及天线技术的进步。

频谱效率：

频谱效率是指通过技术针对给定信道带宽（Hz）实现的带宽（bps），并且以bps/Hz测量。频谱效率的提高主要取决于调制方案的进步。3G/4G系统依赖于相移键控（PSK）用于靠近小区边缘的弱信号区域和靠近小区站的高阶正交幅度调制（例如，64QAM）。这是为了在存在噪声的情况下保持一致的误码率，但是在小区边缘附近导致较低的数据带宽和较低的频谱效率。这些方案的另一个缺点是高峰值平均功率比（PAPR）。5G建议包括另一种使用幅度和相移键控（APSK）的选项，该选项基于在某些噪声条件期间用作动态选择的幅度和相位变化的调整。一系列调制方案的集合将会优化系统频谱效率。

接入方案的演进：

5G接入方案涉及称为滤波正交频分复用（Filtered-OFDM）的新波形技术。 它可以促进不同波形与不同OFDM参数的共存，如图2所示。

图2 不同通信的接入方案

5 载波聚合

载波聚合是指组合多个信道以创建可适应的更高带宽。 例如，两个5MHz信道可以组合成逻辑10MHz信道，从而动态地提供双倍带宽。 如图3所示，来自相同或不同操作频带的信道可以是连续的或不连续的。

图3 载波聚合

高级天线（大规模多输入多输出（MIMO））

虽然MIMO天线配置也已用于4G LTE技术，但5G充分利用其优势。MIMO的主要特征包括空间分集，易处理的3D波束成形，空间复用和干扰消除。

空间分集允许系统增加系统可靠性，即降低比特或分组错误率。这是基于在发射器和接收器之间使用多个独立信道。

可跟踪的3D波束成形减少了干扰和所需的发射功率。 在这种方法中，基于接收器的特定方向发射窄波束，并且接收天线捕获也是定向的。

图4 使用MIMO的3D可跟踪波束形成

图4示出了通过3D波束形成方法在覆盖区域内的电磁辐射的分布。 这允许根据用户分布操纵天线波束的电转向实现动态扇区化，其通过多波束发送/接收增加容量，并提供自适应波束成形，其通过天线置零最小化对属于其他小区的终端的方向的干扰。空间复用增加了可实现的数据速率，因此增加了系统容量。 这可以通过使用空时编码创建其他空间通道来实现。 最后，基于使用先进的处理技术来管理低信号干扰和噪声比（SINR），干扰消除技术增加了覆盖区域。

6 频谱支持

通常，700 MHz至6 GHz频谱的范围已经分配给无线系统，并继续强调在700 MHz以下的频率中从白色空间取代电视台。 设想5G不仅在该频谱中操作，而且还将操作扩展到高达100GHz的厘米（cm）和毫米（mm）频带，如图5所示。

图5 5G工作频率

低于6 GHz，5G系统将与4G系统互通并共存。 6-100 GHZ范围提供更大的带宽，但由于在如此高的频率下显着的路径损耗，导致更小的覆盖范围。 在这一具有挑战性的频谱中，将使用网状网络小小区，多载波技术以及提供高达1960 MHz的非常宽的信道带宽来提供连续覆盖。 因此，5G非常适合物联网应用中的高密度设备通信。 将使用统一的空中接口和用于无线电接入和回程的分层调度，从而实现灵活的回程和低成本的超密集网络（UDN）。

7 网络支持

在超精益设计，控制和用户平面分离，双工方法，自适应资源管理，小型小区，协调多点（CoMP）网络和异构网络（HetNets）等领域提供网络支持。

超精益设计

类似于4G LTE系统的5G接入将基站和控制器组合成一个实体以减少通信和协议开销。 该设计还最小化了与用户数据传输无直接关系的任何传输。 使用更轻的第2层媒体访问控制（MAC）协议以及用于上行链路（UL）和下行链路（DL）的集成且可适应的资源分配，从而允许有效的路由。

控制和用户平面之间的分离

通信管理的根本变化是通过网络控制和用户平面之间的更大分离来实现的。 控制平面处理有关如何设置会话以及数据将如何通过网络的控制信令。 数据平面支持用户流量并使数据移动。 控制平面和用户平面流量可以由不同的RAN提供，甚至可以由来自不同无线世代的不同基站提供。 可以打开和关闭小型小区，同时保持控制锚的打开，以便不会错过新的呼叫。 用户平面容量和基本系统控制功能的单独扩展可以显着减少控制信令开销。

双工方法（带内全双工-IBFD）

前几代定义了不同的双工方法 - 频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。在FDD中，为UL和DL分配不同的频带，其不允许上行链路和下行链路之间的资源共享。TDD对UL和DL业务使用公共频带，因此可以基于两个方向上的业务动态地分配相应的带宽。 5G“利用”FDD环境中高效TDD模式的特性，如图6所示。UL/DL传输可以在同一频率上同时发生。

图6 5G双工方案

自适应资源分配

使用软件定义的灵活空中接口来支持多种应用场景和物联网要求。 实现了高级调度算法。 5G还使用基于4G LTE的基础设置来使用基于优先级的准入控制和用户承载分配。

小区

高频率的使用显然需要使用小小区。然而，带宽的增加被用作仅处理数据的基础。 如果用户过于频繁地在不同的小小区之间切换，则将它们放回到宏小区上。 小型单元导致密集部署，可以处理IoT应用程序中设想的大量网络节点。 而且，这允许高空间和频率重用。 该架构使用自组织网络（SON）的原理并支持无线电资源协调

RAN之间的短距离还使网状网络和它们之间的有效直接通信能够进行资源管理和切换。 为了节省功率，根据流量负载打开/关闭RAN。

协调多点（CoMP）

不是“最小化”用户设备之间干扰的不良影响，而是利用小区间“干扰”进行数据传输。 这允许用户数据的同步交换，联合处理，无线电资源共享和功率调度。 CoMP可确保有效的频谱重用和额外的功率增益。 动态功率控制在用户之间以及与周围小区之间进行最佳协调。 结果是在PHY层1的业务量和能量消耗之间具有一致的比例性。CMP在小区边缘处尤其相关。

多层异构网络（HetNets）

5G支持多蜂窝和局域网（LAN）技术的共存。 为Inter-RAT切换提供必要的通信和协议支持。 此外，如前所述，HetNets允许有效地使用不同的技术来控制和用户流量。 基于锚定增强器的控制平面和将用户平面卸载到另一个RAT的示例在图7中示出。

图7 控制平面和用户平面分离

8 结束语

无线技术在支持基本的“尽力而为”互联网以支持触觉互联网方面已经走了很长一段路，在5G技术中具有极低的延迟和高完整性。物联网是即将到来的服务和应用环境的必要条件，需要大容量，大量设备节点，突发流量，从窄带到宽带的适应性和宽带宽范围，极低的延迟和节能设计。5G是物联网的主要推动因素，因为无线电和天线系统，频谱和网络架构的颠覆性增强。 目前，在一些像韩国这样的先进国家，每100个居民在线支持38个物联网设备。 印度的相应数字是0.6。印度需要制定协调一致的战略，引入3G，4G和5G技术，以推动物联网领域的发展。

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