5G技术在生态环境领域的应用研究

冒海微?朱发斌?李丰

摘要：生态环境的日益恶劣不仅威胁着人类的生存，也阻碍了社会经济的发展，因此，积极探索可移动、超视距、大范围、全天候、低介入的“非现场”生态环境监管模式具有极其重要的意义。本文从5G技术特征出发，分析了5G技术的相关核心技术，并将其结合环境监测监控、移动执法、环境应急、辐射管理等领域进行 “5G+生态环境保护”探索，为新技术视域下的生态环境业务创新，综合决策、监管治理和公共服务提供科学助力。

关键词：5G技术；生态环境保护；新一代信息技术

一、引言

随着我国经济的不断快速发展，人民关心的生态环境问题日益突出，严重制约了经济的健康发展以及生活水平的提高。“十四五”期间，中央对生态环境督察频次逐渐增加，生态环境统一监管任务更加繁重，为控制环境污染和保护生态环境，生态环境监测应具备“全面设点、自动预警”的响应能力。

围绕生态环境建设发展趋势和业务管理需求，深度将信息技术与生态环境保护业务融合，建设生态环境信息化成为强化环境监管决策、解决生态问题、推进生态文明建设和绿色发展的重要技术支撑。然而，生态环境信息化存在监测数据实时性不强、数据之间的共享交互能力差、全过程监管技术手段单一、预警预报能力较弱等问题，而且在现场实时传输连接出现严重延迟，导致无法满足环境自动监测监控设备在地下、高空乃至深海等地域环境复杂的业务需求，严重阻碍了可移动、超视距、大范围、全天候、低介入的“非现场”生态监管模式的建立。因此，利用信息技术创新生态环境，建设高效感知、深度挖掘的生态环境智慧监测体系迫在眉睫。

当前，随着新一代以5G、物联网技术为首的信息技术迅猛发展，为生态环境信息化长远发展提供了有力的技术支撑。其中，5G技术因具备良好的特性，推动了其他新兴技术发展，基于此，本文对5G特征及核心技术进行深入研究，探讨5G在生态环境监测监控体系建设、环境移动执法、环境应急以及辐射管理领域的应用，并对“5G+生态环境保护” 进行展望，以期为新技术视域下的生态环境业务创新提供借鉴与参考。

二、5G特征及相关核心技术

（一）5G特点

从第一代移动通信技术（1G）到第四代移动通信技术（4G），移动通信一直研究的核心是人与人之间的通信技术，可以让人与人连接得更紧密。但第五代移动通信技术（5G）通信是面向物联网、工业自动化、无人驾驶等新兴产业应用，通信也从人与人之间通信转向人与物的通信，直至机器与机器的通信，这给我们的现实生活带来显著的变革。5G是当前最新一代移动通信技术，因它在高速率传输、降低延迟、降低能耗、降低成本，并实现增强系统容量、促进大规模设备连接方面性能优异，国际标准化组织3GPP为其定义了移动宽带（eMBB）、大规模机器通信（mMTC）以及高可靠低时延通信（uRLLC） 三大应用场景。 通过3GPP的三大场景定义我们可以看出，5G具备高速度、泛在网、低功耗、低时延、万物互联以及重构安全六大基本特点。相对于4G，5G在传输速率提高了一个量级或更高，在资源利用率和频谱利用率等方面也有所改善，这些优点使得其在无线覆盖性能、系统安全、传输时延和用户体验等方面也有了明显提升。在生态环境领域，将5G移动通信与其他无线移动通信技术密切结合，构成环境监测、监管、执法等全天候多维度的信息网络，满足未来生态环境监测设备全面设点的发展需求。

（二）5G移动通信若干关键技术

5G移动通信网络集中了多种核心技术，通过多种业务网络、多种接入技术和多层次覆盖的系统构建，以匹配应用场景中各类业务需求。其中大规模MIMO技术、超密集异构网络技术、自组网络技术研究在生态环境领域应用极其广泛。

1.大规模MIMO技术（Massive MIMO）

多天线技术（MIMO）是公认的提高无线通信网络容量最有效的途径之一。而大规模MIMO技术是MIMO技术的延伸，在收发端配置许多天线，使信号利用多个天线进行传送与接收，从而最终改善通信质量。大规模MIMO技术与传统的收发系统不同，信号覆盖维度在原有的水平维度增加了垂直维度，充分挖掘更多的维度资源，通过多个天线实现信号的多发多收，使得在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，实现多个用户在同一网络、同一时频资源与基站同时进行通信，从而成倍地提高系统信道容量，大幅提升信号传输速率。随着对大规模MIMO技术研究的不断深入，大规模MIMO技术逐步成熟，其凭借自身优势多被应用于5G网络构建中，成为未来移动通信最具潜力的研究方向之一。

2.超密集异构网络技术（Heterogeneous Ultra?Dense Network， HetUDN）

随着万物互联时代的到来，未来无线网络中出现了大量无线终端，网络环境变得越来越复杂，使用者对网络性能及吞吐量提出了更高要求。超密集异构网络技术（HetUDN） 特别适用于终端密集化的区域，能有效提升网络容量；在覆盖盲区利用微小区覆盖提升覆盖面积，实现无缝网络覆盖。超密集异构网络凭借密集化这一优势，不仅有效提升了功率效率、频谱效率、系统容量，也促进了业务在各种接入技术和各覆盖层次间分担的灵活性。因此，未来5G通信系统不再是宏基站覆盖下，面向简单的传统数据语音业务、简单的短信业务的通信系统，而是多样化的异构密集分布网络节点覆盖下，面向各种服务需求的多业务、多技术融合的新型网络系统。

3.自组织网络技术（SON）

随着移动技术的不断发展和人们日益增长的自由通信需求，未来5G网络结构非常复杂。为了降低运维成本，提高网络质量，自组织网络因其适配灵活度高而受到了广泛关注。自组织网络是一种用户终端可以在网内随意移动而保持通信的分布式网络，可以实现网络部署阶段的自规划和自配置，网络维护阶段的自优化和自愈合，实现在整个网络没有固定基础设施情况下实现终端之间的相互通信。

综上所述，通过分析5G特征及其相关核心技术，我们可以发现，5G对海量传感设备及机器与机器（M2M）通信的支撑能力是巨大的，这为生态环境监测全面设点带来了可能；无论在地貌崎岖的山区还是廣袤无垠的海洋，监测设备与传感设备都有可能成为通信的中继与周边基站进行通信，使得设备间的连接更加紧密。再利用5G高速度、低时延特点，通过远程操控、监控水、大气监测设备与外部系统通信等方式，可以实现环境的实时监测与管理，如部分自动站监测实时数据、企业工况实时数据、污染源或自动站现场视频数据、无人机应急监测采集的航拍影像以及环境执法过程视频等等，都可以借助5G技术快速传输至生态环境大数据中心进行处理，从而实现对现场污染数据及状况的实时监控，为生态环境综合决策能力的提升作出贡献。

三、5G在生态环境领域的应用

随着科学技术不断发展，5G突破了传统移动通信系统的应用范畴，已经成为支撑全社会、全行业运行的基础性互联网络。

（一）5G在环境监测监控网络建设中的应用

随着可移动、超视距、大范围、全天候、低介入的“非现场”生态环境监管模式的提出，5G在生态环境监测监控网络建设中的应用优势不断显现。在环境监测方面，5G与物联网、区块链、大數据等技术联合应用，对区域环境质量自动监测设备、污染源自动监控设备、工况监控设备、视频监控设备等进行5G及NB-IOT应用技术改造，结合加装物联网传感器、5G通信模块、超清红外灯专用摄像头等专用设备，更新软件系统，不断强化污染源监控技术手段。另外，利用5G基础设施高覆盖的特点，选择合适的5G基站搭载环境监测监控设备，可以实现环境、信息指挥调度中心与人三者之间的实时信息交互，监测监控环境质量状况，形成基于5G基站的生态环境数据传感“神经网络”（如图1），能够有效提升环境质量监测与污染源监控的实时能力。同时，信息指挥调度中心信息存储资源还可为多个城市提供共享数据，协助联防联控。

通过5G技术结合无人机、卫星遥感等信息化手段，对从不同网络维度采集到的多维环境监测信息进行传输和处理，突破各自独立网络系统之间数据共享的壁垒，实现对资源进行汇聚并分发，有效推进了高覆盖、多维度的环境监测网络建设，提高了环境监测与污染源企业监管能力。

（二）5G在生态环境执法中的应用

随着无人机在地形测绘、救灾、环境监测等领域的广泛应用，未来无人机需要处理不同类型的数据，如语音、视频和大数据文件，这给通信网络宽带速率带来了前所未有的挑战。随着5G技术研究开发渐趋成熟，它的高速率低时延特性使得综合承载无人机飞控、图像、视频等信息成为可能。无人机在巡检飞行过程中，利用无人机可以采用吊装360度全景相机进行多维度拍摄这一特点，实现动态、高纬度的超高清广角俯视效果，对获取的生态环境信息进行实时高清视频回传，并利用人工或计算机AI进行分析识别，获取多维生态环境信息，极大提升了生态环境现场执法指挥调度能力及执法精准度。另外，将移动监测监控设备全部连接物联网，利用5G广覆盖网络，通过一部手机和一套软件实现无人机、无人船、水下机器人、走行车等移动物联网监测监控设备的联动，利用移动执法系统的音视频双向稳定传输和多方实时通话，让一线执法人员既可以在“非现场”查看企业实时监控情况和历史数据，也可以在执法现场与专家进行视频会商，从而创建可移动、超视距、大范围、全天候、低介入的执法检查和监管新模式，实现非现场、不接触监管体系建设。

（三）5G在生态环境应急处置能力建设中的应用

基于5G网络建设灵活机动的天地一体化无“死角”监控应急指挥系统，此系统将采用无人机与固定摄像头相配合的方式，实现全时域无间断地制高点侦测巡测，同时又弥补固定摄像头监视死角，形成感知精准、反应迅速的预警体系。另外，结合“虚拟现实”技术，开展面向5G时代的VR环境应急防控网络建设；在事故发生地，通过利用卫星遥感辅助无人机进行航拍所采集到的高密度数据，在异地进行三维仿真事故现场模型，结合污染扩散经验模型，以及现场应急监测数据及一些局部可视化视频等，环境应急专家线上实时同步开展分析及指挥，从而共同为应急处置提供全面科学的决策支持。

（四）5G在辐射管理中的应用

为提升辐射安全监管水平，有效防止辐射事故发生，借助5G、物联网等前沿技术，综合采用辐射剂量监控、视频监控、RFID电子标记、GPS位移定位等技术手段，通过人工智能（AI）技术自动识别高风险放射源的贮存位置、运输轨迹，对放射源特别是高风险源贮存、运输、使用过程中出现的异常情况进行动态预警，从而达到放射源特别是高风险的贮存、运输、使用等全过程监测监控。

综上所述，随着对5G技术研究的不断深入，将其与生态环境具体业务进行结合的应用点也将不断增多，由此，5G将为生态环境保护建立系统性的“立体网络”。

四、结束语

本文介绍了5G技术特征及其核心技术，并对其在环境监测监控、移动执法、环境应急、辐射管理等领域进行了分析，结合生态环境体制改革与业务需求的新变化，以“推动生态环境质量持续改善”为核心服务目标，展望了5G在生态环境保护工作中的应用前景。

“5G+生态环境”的应用，坚持了“业务驱动”与“技术引领”相结合，不仅大大加快了生态环境信息化建设的步伐，而且创新生态环境管理工作方式，为精准治污提供信息支撑，使得可移动、超视距、大范围、全天候、低介入的“非现场”生态环境监管模式成为可能。

作者单位：冒海微 朱发斌 李丰 镇江市生态环境保护调度中心

参  考  文  献

[1] 齐丹.基于云计算的环保物联网污染源在线监控系统设计与实现[D]. 天津大学，2014

[2] 魏斌， 黄明祥， 李顺. 国家环境信息化发展研究[M].北京：中国环境出版社， 2015.

[3] 刘博鑫. 对环境信息化建设的一些思考[J]. 环境科学，2020（06）：179.

[4] 刘定，马庆华，张聪. 生态环境信息化标准现状分析及对策[J]. 标准化研究. 2021（10）：57-61.

[5] 章少民. 中国生态环境信息化：30年历程回顾与展望[J]. 环境保护，2021（02）：37-44.

[6] 项立刚. 5G的基本特点与关键技术[J]. 中国工业和信息化，2018（05）：34-41

[7] Foschini G J， Gans M J. On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas[C]//Wireless Personal Communications 1998：311-335.

[8] J. G. Andrews， F. Baccelli， R. K. Ganti. A tractable approach to coverage and rate in cellular networks[J]. IEEE Transactions on Communications， 2011， 59（11）： 3122-3134.

[9] Dhillon H S， Ganti R K， Baccelli F， et al. Modeling and analysis of K-tier downlink heterogeneous cellular networks. IEEE J Sel Area Commun， 2012， 30： 550-560.

[10] 陈铁康. 第五代移动通信系统无线网络组网技术研究[D]. 东南大学，2017.

[11]  Teo T A， Shih T Y， Yu S C， etal. The Use of UAS for Rapid 3D Mapping in Geomatics Education[J]. ISPRS -International Archives of the Photogrammetry， Remote Sensing and Spatial Information Sciences， 2016： 95-100.

[12] Li B， Fei Z， Zhang Y/ UAV Communications for 5G and Beyond： Recent Advances and Future Trends[J]. IEEE Internet of Things Journal， 2018：1-23.

[13] 朱珂，王玮，杨露彬.“5G 无人机”技术的教与学：场景、路径与未来应用展望[J]. 遠程教育杂志，2019（07）：33-41.

[14] 中国信通院：《5G 无人机应用白皮书》[EB/OL]（2018）. http：//www.199it.com/archives/780400.html.

[15] 勒伟青，令狐兴兵. 5G技术提升生态环境管理信息化水平[J]. 环境经济，2022（01）：57-59.

[16] 孙金龙. 深入打好污染防治攻坚战持续改善环境质量[J]. 旗帜， 2020（11）： 9-11.

冒海微（1989-），女，汉族，江苏南通，硕士研究生，高级工程师，研究方向：计算机系统集成与应用，新一代信息技术，生态环境信息化建设研究。