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5G时代的智慧农业
发布时间:2019-04-02       点击量:155

5G是继第4代移动通信系统(4G)之后的新一代移动通信系统,其峰值理论传输速度可达每秒数10Gb,比4G网络的传输速度快数百倍,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。目前2G3G技术已经广泛应用于农业中,4G技术正在逐步推进,预计5G时代的到来将会给农业带来翻天覆地的变化。

一、5G移动通信中的关键技术

(一)大规模天线阵列

多入多出(Multiple-Input Multiple-OutputMIMO)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。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。大规模MIMO可提供更广的空间自由度,基站可以并行传输更大的数据流,而且大规模MIMO可定向发送波束,减少相互干扰和噪声,从而提高传输速率。值得说明的是,大规模MIMO天线的有效孔径更大,因此它可以接受更多的信号分集度,使得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,从而保证信号传输的可靠性。

与传统MIMO技术相比较,大规模MIMO技术,使得频谱效率比串联MIMO增加35倍,在编码发射以及解码方面有着较大的优势,大大提升了大规模MIMO技术无线网络信息数据获取的渠道,强化信息交互能力,确保信息的高速稳定交互。并且由于现阶段时分双工系统逐渐成熟,使得大规模MIMO技术能够以时分双工系统为基础,减少TDD系统的信道开销,实现了5G无线网络系统物理层技术的新突破。

(二)全双工复用

通信网络在运行的过程之中,传输活动势必受到环境因素的影响,为了排除外部环境因素对于5G通信技术的干扰。电信运营商采取同时同频全双工技术(Co-time Co-frequency Full Duplex, CCPD)技术方案,使得通信网络在接受同频信号的同时,能够对信号发射机的干扰信号进行消除,增加频谱的运行效率。但是考虑到现阶段相关技术尚不成熟,其应用范围以及应用效果相对较小,在后续的技术研发过程之中,电信运营商应当增加资源投入力度,对同时同频双全技术进行创新优化,以提升技术的实用性,扩大覆盖范围。在这一过程之中,技术人员应当对网络框架进行调整,借助于这种方式,来提升5G通信的集中性,使得网络能够对用户提供更为全面、便捷、高效的通信服务,满足不同用户的不同使用需求,增强通信行为的稳定性,排除外部因素的干扰。

(三)超密集网络

5G网络中会同时具有少数个宏站和多个低功率小站,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(Ultra Dense NetworkUDN)。其技术实现具体包含两个层面,一是在宏基站中部署大规模的天线,这样能够获得更大的室外空间;二是布置更多密集网络,以此来更好的满足室内外的数据需求。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。

(四)自组织网络

自组织网络(Self-Organizing NetworkSON)的智能化将成为 5G 网络必不可少的一项关键技术,在网络智能化中引入自组织能力,其中包括的自动化优化、自动愈合,自我调整5G网络参数等能力,从而最大程度地减少人力成本,提高网络性能和质量,大大地提高网络的运行效率。

(五)软件定义网络

软件定义网络(Software Defined NetworkSDN),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,其可实现5G移动网络的虚拟化,利用核心技术Open Flow可以实现网络设备的控制面与数据面分离,灵活控制5G移动网络的流量,将5G网络升级为一个更加智能的管道,为5G核心网络与应用创新提供良好的控制平台。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。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。

(六)内容分发网络

内容分发网络(Content Distribution NetworkCDN)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。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

二、5G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,并相继发布了多本白皮书。其中包括20155IMT-2020(5G)推进组发布了《5G无线技术架构》和《5G网络技术架构》白皮书,20166月发布的《5G网络架构设计》白皮书。

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。对于农业物联网,可以采用简化改进位置管理相关协议减少信令交互。

5G网络架构设计》白皮书,提出了新型5G网络架构设计方案,提炼了移动边缘计算、网络切片、以用户为中心的无线接入网、按需网络重构、网络能力开放等创新技术。为了实现农业物联网中万物互联的愿景,5G网络将采用这些新技术。

2019年年初工信部苗圩部长在《贯彻落实中央经济工作会议精神》讲话中,表示从三个方面加快5G商用步伐。一是加快促进5G终端成熟。5G芯片、终端的研发正在全力加速、力争5G终端尽快与用户见面,有望2019年中推出供用户测试的手机。二是加快网络建设进程。201812月,工信部向三家电信运营商发放了5G试验频率使用许可,下一步将开展5G规模试验,着力打造城市的高质量5G精品网。三是加快培育5G融合应用。

5G在农业中主要有以下几个应用场景:

(一)5G技术在设施农业中的应用

运用人工或者工程技术等手段改变作物生长的自然环境,以期实现农产品的周年生产。这就是设施农业,其环境封闭性较强,生长条件易于操控,运用基于5G的农业物联网技术可以提高其生产的精细化。温室大棚的产生,为满足蔬菜跨季市场供应提供可能。而温室大棚的管理,由于受环境条件的限制,往往需要耗费大量的人力、财力和物理。更关键的是,人工作业难免有种植误差的存在。5G物联网在温室大棚的应用,能将作业误差缩小到最低,大大提升作物种植经济效益,改善种植作物品质,有利于提升种植产量,实现作业的精准化、智能化、高效化管理。以此为核心技术形成的几大控制系统如下:①智能化控制系统,采集棚内空气、土壤、光照等环境因素参数,比较与预先设定的差异值,一旦出现偏差会自动启动设备,改善棚内环境控制在标准范围内。②视频监控系统,借助远程操作系统,实现对农作物生产、设备运行等远程监控。此系统的形成,简化工作负担。为后期的农作生产,提供可参考的画面依据。便捷化监控系统,实现与手机的互联,是农业物联网操作的有一大便捷。通过手机客户端,能做到远程随时监控作物生长情况、设备运行情况,同时根据与数据的比较,随时操控数据管理。

(二)5G技术在水产养殖中的应用

目前我国已经运用传感器技术、无线通信技术、智能处理以及智能控制等物联网技术搭建集水质环境实时数据监测、图像实时采集、无线传输、预测预警、智能处理等功能于一体的智能水产养殖系统。基于5G网络,实时水质情况的监测,能够在第一时间做出预警,及时做出智能调控,保证水产物种有适宜的生存环境。此外还有的利用物联网技术实现区域性精准投食,精准水温调试以及疾病的远程智能诊断和防治。

(三)5G技术在畜禽养殖中的应用

在畜禽养殖方面,5G网络的加入使其更加优化了实时监测、精细养殖、产品溯源以及专家决策管理等于一体的精细化养殖与监控。比如,可利用物联网的传感器技术采集并处理禽畜的进食量、个体体征、生长周期等数据,实现科学的饲料补给以及自动化喂养。此外,还可对禽畜个体的生理信息实行精细化管理,实时监测其体温及行为等数据,便于预防禽畜疾病或者疫病的发生,并能在疾病或者疫病发生之初进行有效控制和处理,利于减少一些经济损失。总之,基于5G的农业物联网基本实现了畜禽养殖过程中控制的智能化和管理的科学化,提高了资源的利用率和劳动生产率。

(四)5G技术在大田种植中的应用

在大田种植方面,遥感技术和地面监测站的有机结合,能够对农田环境、土壤情况、农作物的长势以及病虫害等数据进行全面感知和监测,并将采集的数据信息进行系统分析,通过专家决策来精准调节灌溉量和施肥量,以实现农作物的高产。通过5G网络,实现大规模、高速、低成本的作物水肥信息数据传输,将用肥与用水有效结合在一起,实现了农业肥水管理智能化控制。该系统的实现,实现肥水管理的定时、定量、省时、省力,大大提升作业效率。运行实时监控,远程视频监测水位,掌握灌溉系统运行情况,及时发布预警信息,做出适时控制。查验各环节运行情况,发现问题迅速通知监护人员,保证灌溉系统良性运行。阀门自动控制,借助物联网掌控作业农田的气候、土壤、农作物等信息情况,根据情况变化结合水肥需求规律,配合制定自动开启水泵功能,做到无人值守时能自动灌溉管理,减少人为操作带来的误差。

5G时代对农业产业变革,不仅仅存在以上等领域,同时在农业产业的上下游也会产生效率的提升,比如农产品加工、物流、销售等环节,5G技术也将会带来巨大变革。

5G时代,农业将会更加智能、更加精准、更加高效率。同时,5G时代,农业物联网、大数据将获取新的加速。有了5G的加持,智慧农业发展即将迎来空前高潮。

 

撰稿人:华南农业大学电子工程学院 凌康杰 岳学军

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