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預計2023年將有超過6億家庭擁有超高清電視。絕大多數家庭將擁有4K顯示器——目前只有3%的超高清電視將使用8K。當前，5G被視為高清視頻的最終方案。除了高速的下載速率的同時，還能實現高質量的視頻傳輸。 為此，世界上大部分地區都轉向了第五代 (5G) 網絡。在5G蜂窩網絡中，峰值數據速率為每秒10千兆比特 (Gbps)，這意味著下載1.2千兆字節 (GB) 的超高清 (UHD) 電影只需不到一秒的時間。與第三代合作伙伴計劃 (3GPP™) 的前身（2G和3G/4G LTE）相比，5G的擴展容量在移動連接方面向前邁出了一大步。 就像計算機界的摩爾定律一樣，互聯網業也有一個尼爾森定律，據預測互聯網帶寬每年將以50%的速度增長。為了跟上帶寬需求的指數級增長，亟需推出5G無線技術。 在設備制造商和應用開發人員著手準備5G產品和服務時，評估5G在各自用例中的適用性成為了一項重要的任務。5G作為一種超低延遲寬帶無線技術，需要根據連接生態鏈中的其他技術來衡量其巨大的前景。例如，對于某些類型的產品，5G網絡可能是一個不太現實的選擇。在決定采用5G而非其他連接選項時，首當其沖要考慮的是性價比問題。 本文可以幫助系統工程師評估5G在現有連接生態鏈中的可行性。 5G技術優勢 我們已經進入了云互連應用主導的時代。所有垂直行業都在向從云端分配基本功能的服務模型過渡。這種轉變迫使我們重新考慮連接問題。 在這種情況下5G應運而生。5G標準規定了一個全新的連接框架。從這個意義上說，5G為現有的連接概念打開了一條顛覆性的進化道路。 除了使用現有長期演進 (LTE) 范圍內的頻譜外，5G還可使用未經許可的毫米波 (mmWave) 波段的頻譜。IEEE Spectrum一篇名為 “5G Bytes: Millimeter Waves Explained”的文章中寫到，“頻率范圍為30至300千兆赫茲 (GHz) 的毫米波提供了比前幾代頻譜更高的帶寬，并具有低延遲等優勢。然而，毫米波（波長為1到10毫米）不能輕易穿過建筑物和其他障礙物，很容易被雨水、樹葉等吸收。這就是為什么5G小基站會成為標準。與傳統基站相比，小基站的體積更小，更節能，而且價格也越來越便宜。由于其固有的頻譜效率，小基站還能提升無線連接容量，連接更多‘目標’，提供更高的數據流量。” 圖1列出了其他一些可以彰顯數字環境中5G網絡優勢的因素。 
圖1：5G連接性能指標（圖源：貿澤電子） 連接無處不在 物聯網 (IoT) 在占領垂直市場后迅速成長起來，目前可以連接傳感器、執行器、泵和汽車等物理設備。到2020/2021年，將有數十億的設備需要連接網絡，以便能夠與基于云的服務進行可靠通信。通過5G小基站技術增加的容量可以支持大規模的物聯網設備和M2M連接。與4G LTE相比，5G可以提供每單位面積1,000倍的帶寬、10,000倍的流量以及每單位面積100倍的連接設備。 實時性能 隨著物聯網在工業上的運用，要求連接技術能夠支持機器、無人機和機器人遠程控制、時間敏感型工業控制回路、無人駕駛汽車導航、遠程手術等應用。對于這些任務關鍵型應用，不僅要求高數據傳輸速率，為實現實時性能，低延遲也很重要。5G標準的推出，將無線寬帶服務延伸到了需要超可靠、快速、關鍵任務通信的物聯網應用。 能源效率 4G主要是一種移動解決方案，而5G除了移動性更強之外，還可滿足固定式無線應用和工業物聯網應用需求，這些應用中設備的工作環境惡劣、供電能力有限，并且需要運行數十年。這就是為什么5G的設計與4G相比可以減少90%的能源消耗量，而IoT設備的電池壽命可以長達10年。 安全性與可靠性 相對而言，無線通信更容易被攔截，更容易受到中間人攻擊。在物聯網應用案例中，發現低功耗無線連接容易出現比特率錯誤和連接中斷。5G的強大設計預計將提供99.999%的可用性，包括5G電子設備的相互認證、本地安全元素、傳輸層安全 (TLS) 加密和無線 (OTA) 固件升級。與虛擬硬件平臺上的虛擬機非常相似，5G網絡資源可以劃分為“網絡切片”，這種網絡切片使服務提供商能夠構建特定于應用的虛擬端到端網絡，進一步增強安全性。 5G網絡在連接環境中的映射 5G的推出不一定會貶低（或取代）現有技術。事實上，5G技術還推動了時間敏感型網絡（電氣電子工程師協會 [IEEE] 802.1開發出的下一代以太網）、低功率廣域網 (LPWAN)、Wi-Fi以及遠距離 (LoRa®) 技術的持續創新。 即使在5G標準大規模應用之后，5G技術也將與其他技術共存。在許多情況下，5G技術還可以是這些技術的補充。 光纖和固定寬帶 德勤（Deloitte）于2017年發布的“通信基礎設施升級：對深度光纖的需求”研究表明，只有11%的互聯網流量通過無線連接傳輸，而90%的流量仍將通過有線網絡傳輸。這是因為光纖網絡擁有高吞吐量和帶寬，在遠距離傳輸時具有低延遲的特性。5G無線技術雖然在帶寬和速度上可與光纖相提并論。然而，作為連接解決方案，這些技術的競爭性較小，互補性更強。事實上，5G網絡的質量和可靠性將取決于基于光纖的有線網絡，用于小基站之間的回程流量傳輸。 在智能家庭和辦公室，5G小基站接入點可以增強室內光纖和同軸電纜寬帶互聯網解決方案。5G無線技術的速度和靈活性可能會取代工業和城市基礎設施中的傳統有線網絡。然而，在數據中心基礎設施和云計算服務器中，有線連接技術的穩健性和成熟度至關重要，因此光纖和固定以太網技術將繼續占據主導地位。 LPWAN 用于物聯網應用的LPWAN技術的預期功能包括： • 設備芯片組擁有低處理速度和傳輸功率，電池壽命超過10年，可長時間使用。 • 覆蓋范圍廣（郊區10公里以上，市區5公里以上），對建筑物和地下室有良好的滲透性。 • 設備能夠間歇地發送小的突發數據包，因此支持的數據速率很低（0.3 bps到50 Kbps——通常每天約為10 KBpd）。 • 以較低的總體擁有成本確保數據安全傳輸。 LPWAN技術已被廣泛用于物聯網邊緣部署，其運行環境的擴展區域分布著許多低成本物聯網設備（如傳感器和儀表）。在未來幾年里，即使5G無線技術已可投入商業市場，但也不會影響LPWAN在全球物聯網市場的增長，這是因為LPWAN技術迎合了那些不需要5G高數據速率和低延遲性的應用需求。 現在已有一些LPWAN技術可以滿足這些常規需求。下面簡單概述了5G連接環境下一些常見的LPWAN技術： NB-IoT 窄帶物聯網 (NB-IoT) 傳輸采用更有限的帶寬設計，更節能。NB- IoT用戶設備的復雜性和成本都很低，并針對頻譜效率進行了優化，每個單元可連接多達50,000臺設備。NB- IoT可以穿透建筑物和地下區域（提供20dB或更深度的室內覆蓋范圍），適用于具有靜態資產的智能城市應用。 Sigfox® Sigfox是一種已經滲透到歐洲市場的專利技術，得到了許多電子產品供應商的支持。Sigfox使用慢調制速率來實現更大的傳輸范圍，適用于智能泊車傳感器、智能垃圾桶和公用設施儀表等應用，方便低成本設備將較小的、不頻繁的突發數據包上傳到物聯網網關。 LTE-M 機器LTE (LTE-M) 是一項相對較新的創新技術，其能效仍在評估中。它可以利用現有的4G-LTE連接（并且可以發展為兼容5G），實現車輛和無人機等移動物聯網資產漫游。LTE-M電子設備可以提供比其他LPWAN選項更高的數據速率，當然價格也比較昂貴，多用于物聯網邊緣的富數據應用。 LoRa LoRa是Lora Alliance™的遠程、低功耗、低數據速率連接標準。LoRa旨在使大型網絡運營商能夠提供基于訂閱的LPWAN服務。LoRa使用的是未經許可的頻譜（低于1 GHz的射頻，例如北美的915MHz），但由于LoRa設備不使用用戶識別模塊 (SIM) 或機器識別模塊 (MIM) 進行設備身份驗證或加密，因此需要額外的安全層。 5G網絡和LPWAN有望在各種端到端物聯網部署中形成互補態勢。例如，在遠程手術中，通信的時間敏感性要求實時傳輸數據，這就需要低延遲的5G蜂窩網絡。然而，遠程手術還涉及邊緣傳感器網絡，例如在醫院內收集和處理本地關鍵信息。對于這些邊緣傳感器網絡，LPWAN連接則更可行。 個域網 (PAN) 和局域網 (LAN) 對于家庭和企業中的本地連接，通常采用Wi-Fi®、藍牙技術（基于IEEE 802.11標準）和藍牙低能耗連接技術。而基于802.15.4的技術（包括Zigbee®、ISA100.11a、6LoWPAN、WirelessHART®和Z-Wave®）則一般用于資產和資源跟蹤等企業物聯網應用。 與有線和光纖寬帶解決方案一樣，5G固定寬帶和蜂窩網絡也與Wi-Fi和藍牙技術相輔相成。第16版3GPP將包括5G新無線（NR）- 未許可標準，并支持現有的5GHz和6GHz（“格林菲爾德”）未許可頻段。5G未許可頻譜有希望用于企業、大型體育場館和購物中心的“Wi-Fi-like”專用網絡。 衛星 在連接生態鏈中，衛星技術帶寬高和可靠性也高，但價格昂貴，因此，只適合用于特定的場合。使用全球定位系統 (GPS) 追蹤跨洋、偏遠地區、服務匱乏地區和受災地區的飛機、貨船和艦隊的機載連接時，使用移動網絡可能會出現故障，這時衛星通訊就派上用場了。 衛星連接可以在由于經濟和其他位置限制而無法實現蜂窩連接的地區擴大5G網絡覆蓋范圍，增強5G無線通信強度，讓連接無處不在。 蜂窩技術：4G-LTE 4G-LTE始于2009年，是5G出現之前最先進的蜂窩連接技術，峰值速率高達1Gbps，具有30到70ms的延遲。然而5G無線連接技術憑借10Gbps的數據速率和不到1毫秒的延遲，終會將蜂窩網絡發展成超高速、響應迅速、節能的連接源。 世界各地仍在部署4G網絡。5G網絡的普及還需要一段時間，5G芯片組和設備也需要一段時間才能進入商用市場。即使在5G推出后，那些不需要超高吞吐量和超低延遲的場合仍可以繼續使用4G網絡。5G NR標準旨在與4G核心網絡重疊共存。因此，至少從技術設計的角度來看，4G和5G無線蜂窩服務是兼容的。 結語 目前5G的部署正在加速，2021年在全球范圍的5G網絡的商用進程都將提速，包括美國、中國、韓國、日本等在5G網絡部署上領先的國家，預期到2021年底時5G覆蓋率將可達50%以上。隨著5G標準出臺，不只意味著市場上出現的更快的智能手機，5G所帶來的更高的速度和更低的延遲的特性，將在聯網汽車和智能家居等方面提供良好體驗，這些應用場景將成為可能。 對于5G，不僅要做出大膽承諾，還要直面在現實場景中實現這些強大功能所帶來的全新挑戰。為了以后能夠采用和創造5G應用與電子產品，需要實時了解5G測試和開發的新進展。5G社區還需要以創新思維克服技術上的難題，評估5G無線網絡在快速發展的連接生態鏈中的適用性。 文章來源：貿澤電子 作者簡介：Sravani Bhattacharjee是一名數據通信技術專家，有著20多年的從業經歷。她是《Practical Industrial IoT Security》（工業物聯網安全）一書的作者，這是第一本有關工業物聯網安全的出版書。Sravani曾擔任Cisco的技術主管直到2014年，在此期間領導主持了多個企業云/數據中心解決方案的架構設計和安全評估工作。作為Irecamedia.com公司的負責人，她目前致力于與工業物聯網創新力量合作，通過撰寫各種評論和技術營銷內容，來推動相關認識和商業決策的進步。Sravani擁有電子工程專業碩士學位。她是一名IEEE物聯網小組成員，一位作者，還是一位演說家。 |
