5G关键技术及在精准农业中的应用前景

5G关键技术及在精准农业中的应用前景Abstract5G（5thgenerationmobilenetworks）isthelatestgenerationofmobilecommunicationsystem.Thispaperdemonstratessevenkeytechnologiesin5G-largescaleMIMOtechnology，multi-carriertechnologybasedonfiltersets，fullduplextechnology，ultra-densenetworktechnology，self-organizingnetworktechnology，softwaredefinednetworktechnology，andcontentdeliverynetworktechnology.Theseseventechnologiesareimportantinsolvingoldissuesinwirelesstransmissionandnetwork.5GtechnologycansupportfastgrowthoftheInternetofthings，whichhavealreadybeenappliedinagriculture.TheInternetofthingsisplayingaroleinenvironmentalmonitoringandprecisioncontrol.Thelatest5Gtechnologywouldbringinnovationstoprecisionagriculture.Keywords5G；communication；keytechnology；Internetofthings；precisionagriculture5G是继第4代移动通信系统（4G）之后的新一代移动通信系统，预计2020年将投入商用。5G将拥有比4G更高的频谱利用率和传输速度，能满足未来十年信息海量传输、机器间通信、网络智能化等要求[1]。物联网是使用信息传感设备，把物品和互联网相互连接，进行信息交互和通信，以实现识别、跟踪、定位、监控、管理的一种网络；物联网技术与农业生产有机结合之后，可以实现高效、高产、优质、环保、安全等目标，从而实现农业智能化、农业现代化[2]。精准农业是由信息技术支持的，根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统[2]，目前3G技术已经应用其中，4G技术正在逐步推进，预计5G时代的到来将会给这个产业带来翻天覆地的变化。5G移动通信的关键技术近3年，5G已成为通信业界的研究重点。自2013年初欧盟启动METIS项目起，各国纷纷加入了对5G关键技术的研发。据信，5G业务能力的提升主要将表现在3个方面：①资源利用率可以比4G网络提高10倍以上；②系统吞吐量可提高25倍；③频谱资源将被扩展为原来的4倍[1]。5G移动通信系统的关键技术有7项。大规模天线阵列多入多出（MIMO，Multiple-InputMultiple-Output）技术可以提高信息传输的可靠性和系统的频谱效率，而天线数量越多，对性能的提升越显著，因此，大家开始关注大规模MIMO技术。大规模MIMO技术可分为集中式和分布式2种，中国在分布式MIMO技术的研究中一直处于国际领先水平。由于大规模MIMO技术的空间分辨率大大增强，可以大幅度降低干扰，并且可以大大降低发射功率，因此在5G系统的研发中被广泛关注。面向5G的大规模天线阵列主要指位于基站的天线系统，它的频谱可能是毫米波，而毫米波技术能使设备易于集成，这就为MIMO天线系统同时选用3种应用模式提供了保证，即让5G系统中MIMO天线系统的波束赋形、空间分集和空间复用同时实现成为可能。波束赋形是对于天线阵列的信号预处理，通过调整参数产生定向波束，从而获得高传输可靠性。空间分集是用多根天线接受和处理同一个信号，再进行合并，这种模式可以大大提高传输的可靠性。空间复用是在不同天线上重复利用同一频段，可以显著地提高无线传输的容量和频谱利用率[3]。基于滤波器组的多载波技术由于正交频分复用（OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）技术无法实现对暂未被使用的闲散频谱资源灵活有效的利用，基于滤波器组的多载波实现方案被越来越多的人考虑。这种技术已经在中国的3G试验系统中被使用过，并且现在已经被广泛地应用在通信信号处理、图像处理、雷达信号处理等领域。在滤波器组多载波（FBMC，FilterBankMulti-Carrier）技术中，各子载波之间不再需要正交和同步，也不用插入循环前缀，实现复杂度低，使用起来比OFDM技术更灵活。广义频分复用（GFDM，GeneralizedFrequencyDivisionMultiplexing）虽然需要插入循环前缀，但不要求子载波同步，实现较为简单，并具有较高的频谱利用率[4]。通用滤波多载波（UFMC，UniversalFilteredMulti-Carrier）技术跟FBMC技术一样，它不需要有循环前缀，但设定了时域保护前缀，以增加复杂度为代价，换取子载波无需同步。以上提到的3种多载波传输技术都是5G技术重点关注的备选方案。1.3全双工复用全双工技术是指收发双方可以同时在同一频率下进行相互之间的通信，这种方式可以大大提高频谱效率和缩短时延。在现有的移动通信系统中，全双工通信暂时还不能实现，而这正是5G系统需要充分利用并发掘的重要资源。这项技术目前面临的最大难题是收发信号之间严重的自干扰（大于100dB）[5]。想要消除自干扰，必须要充分考虑发射信号的非线性失真。除此之外，要想避免饱和，就必须考虑接收端模/数（A/D，AnaloguetoDigital）转换器的分辨率限制。解决这些问题的方法很多，但针对大量基站和大量终端的情况还没有进行实验验证，不知道能否获得理想性能增益，这将是有待攻破的难关。另外，全双工技术面临3个方面的挑战：①电路板的设计；②物理层、媒体介入控制层的优化设计；③半双工和全双工之间的动态切换控制面优化等优化问题[5]。1.4超密集网络5G网络中会同时包含宏站和低功率小站，特别是低功率小站，密度将达到目前的10倍以上，从而形成超密集网络（UDN，UltraDenseNetwork）。在超密集网络中，网络节点离终端更近了，甚至能够达到每个激活的用户对应一个服务节点，大大提升了系统容量、提高了通信效率和频谱效率，但由此带来的干扰也是有待解决的难题。无线回传组网技术是解决这一问题的关键，但对于超密集网络，无线回传组网技术非常复杂，需要重点研究[6]。1.5自组织网络自组织网络（SON，Self-OrganizingNetwork）就是网络智能化，即在网络中引入自组织能力，其中包括自优化、自配置、自愈合等能力，从而最大程度地减少人力成本[7]。目前，SON技术不能支持多网协同，这将是5G技术研究的重点。对于5G中将采用的超密集网络，需要开发新的技术来支持自配置功能，而网络的自优化也会因为存在多个干扰源变得更困难，回传网络的智能化也需要自组织网络的配合。大规模天线阵列也会带来一些新的问题，而这些技术的优化也是SON技术的重要组成部分。1.6软件定义网络软件定义网络（SDN，SoftwareDefinedNetwork），就是将网络互联节点的控制功能从设备中分离出去，由中心控制器进行统一控制，将转发和控制分开，这样可以使设备功能更简化[8]。目前，由于网络设备的配置和优化都非常复杂，网络管理难度很大，SDN技术有待进一步完善。在5G系统中，不同运营商将可以控制同一个网络设备，基础设施也可以实现共享，这将大大降低运营商的成本，也将大大减小网络管理的难度。1.7内容分发网络内容分发网络（CDN，ContentDistributionNetwork）通过使用缓存服务器，根据用户的综合信息将用户的请求导向离用户最近的服务节点[9]。这样用户就可以就近取得所需要的内容，从而解决了因为网络访问量大、服务器重负荷、网络拥塞引起的网站响应慢、服务质量低等问题。25G在精准农业中的应用前景中国自2013年初就开始了对5G移动通信系统的研究，成立了IMT-2020（5G）推进组，并相继发布了5本白皮书。2014年5月发布的《5G愿景与需求》白皮书[10]，描述了5G对未来生活将要带来的改变，其中物联网的高速发展将对精准农业带来革新。农业物联网主要用来采集农作物生长的环境监测信息，并将这些信息进行处理，进而制定出精准农业的生产方案[11]。精准农业需要网络支持海量设备连接和大量小数据包频发，由于农业物联网设备常常部署在山区、森林、水域等信号难以到达的地方，这就需要5G具备更强的覆盖能力、灵活性、可扩展性以及更低的功耗、时延和成本。2015年2月发布的《5G概念》白皮书[12]，提出了无线技术和网络技术领域的关键技术。精准农业在中国主要应用在农情监测和精细化控制[11]，这些领域中的场景一般都具有小数据包、低功耗、海量连接、强突发性等特点。对于农业中的低功耗大连接场景，新型多址技术、新型多载波技术和终端直接通信（D2D，Device-to-Device）将被应用。由于精准农业中的终端分布范围极广、数量庞大，这就要求网络具备对超千亿连接总量、百万/km2连接数密度的强大支持能力，还要能够保证各个终端的超低功耗和成本。2015年5月IMT-2020（5G）推进组发布了《5G无线技术架构》[13]和《5G网络技术架构》白皮书[14]。《5G无线技术架构》中提出了5G新空口（包括高频空口和低频空口），其中5G低频新空口工作在6GHz以下频段，可以满足精准农业中大连接场景的体验速率、时延、连接数量、能效等指标要求。虽然农业物联网设备总体数量庞大，但对流量需求较低，因此可以采用低频段零散、碎片频谱或OFDM子载波。《5G网络技术架构》中提出了利用简化的新型连接管理、移动性管理、漫游等，通过优化控制协议来实现低功耗大连接，从而可以避免信令风暴、报头开销大、处理数据效率低等风险。对于农业物联