5G与物联网

Posted 2021-01-10 aspirs

引子

今年6月14日，俄罗斯足球世界杯开赛了。细心的人会发现，俄罗斯运营商为了保障赛事信息通信运用上了一些新技术。他们在11个比赛场地部署了目前欧洲最大的“大规模天线”（Massive MIMO天线）。这些天线阵列能大幅提升容量，确保服务多个现场观赛的用户。在赛场上也首次引入了视频助理裁判系统（VAR），它通过赛场周围架设的35台8K高清摄像机，并通过光纤和无线网络连接到总控室，一旦主裁判有任何疑虑，就可请求VAR协助，通过高速无线网络与总控室联络，VAR通过视频回放，向主裁判提供参考，协助主裁判纠正错判、漏判。

这些技术的引用，预示着5G时代即将来临。

一、5G与以前的通信有啥不同

就在俄罗斯世界杯开幕前夕，2018年6月13日，3GPP全会（移动通信网标准制定机构）批准了第五代移动通信技术标准（5G NR）独立组网功能冻结，至此宣告5G技术具备独立部署的能力，同时带来了全新的端到端新架构，赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展，为运营商和产业合作伙伴带来新的商业模式，开启一个全连接的新时代。

让我们先回想移动通信领域一路走来的历程：

第一代是模拟技术，还记得砖头机大哥大吗？

第二代实现了数字化语音通信，速度只有几十K。

第三代是人们熟知的3G技术，以多媒体通信为特征，速度是几兆，人们开始用手机上网了，但是看视频还不太舒服；

第四代是规模推广的4G技术，其通信速率大大提高，到了百兆级别，标志着进入无线宽带时代。

第五代就是我们翘首以待的5G。ITU-R（国际电联无线电通信组）在2015年6月定义了未来5G的三大类应用场景，分别是：增强型移动互联网业务eMBB、海量连接的物联网业务mMTC、超高可靠性与超低时延业务uRLLC。

和4G相比，5G的提升是全方位的，这三类应用场景，就是意味着更高带宽、更低时延、更海量的接入能力。

那么5G引入了哪些关键技术呢？

首先，在核心网方面，5G应该说很好地采用了NFV（网络功能虚拟化）和SDN（软件定义网络）的理念，大部分是基于软件和硬件分离的架构。在大家看起来都是服务器，在上面虚拟出很多不同的功能单元，从网络功能设计来看，也更好地实现了控制和数据平面的分离。

其次，在网络架构方面，进一步向扁平化发展，过去2G、3G的四层，到4G已经变成三层，到5G更加简洁，变成两层，而且很多应用了移动边缘计算。核心网标准重点落实像网络切片、移动边缘计算，确保端到端用户的安全。

另外，5G技术的技术优势还体现在毫米波、小基站、大规模天线、波束成形这几大技术上。

考虑到5G的先进性和经济性两个方面，5G网络建设分为非独立组网和独立组网两种模式。所谓独立组网就是采用5G新的空口接入到5G新的核心网，端到端都是完整5G的标准。非独立方式更多体现在核心网部分，也就是说，有些运营企业在初级阶段仍然用4G核心网接入5G新的接口作为过渡以减少初期投资。

二、5G与物联网的关系

5G上述的三大场景，最重要的不是带宽的提升，而是物联网。其中后两种场景（uRLLC和mMTC）主要就面向物联网的应用需求。其中mMTC是针对未来海量低功耗、低带宽、低成本和时延要求不高的场景所设计。

万物互联的场景下，机器类通信、大规模通信、关键性任务的通信对网络的速率、稳定性、时延等提出更高的要求，包括自动驾驶、AR、VR、触觉互联网等新应用对 5G的需求十分迫切。面向未来，人们对移动互联网大流量应用的需求及万物互联的需求十分巨大，现有的无线网络性能无法满足这些需求，供给与需求间的缺口将推动着现有的无线网络继续升级，最终推动5G时代的到来。

物联网将是5G发展的主要动力，业内认为5G是为万物互联设计的。 到2021年，将有280亿部移动设备实现互联，其中IoT设备将达到160亿部。未来十年，物联网领域的服务对象将扩展至各行业用户，M2M终端数量将大幅激增，应用无所不在。从需求层次来看，物联网首先是满足对物品的识别及信息读取的需求，其次是通过网络将这些信息传输和共享，随后是联网物体随着量级增长带来的系统管理和信息数据分析，最后改变企业的商业模式及人们的生活模式，实现万物互联。未来的物联网市场将朝向细分化、差异化和定制化方向改变，未来的增长极可能超出预期；如果说物联网连接数至2020年将达到500亿，那么有可能这仅仅是一个起点，未来物联网连接数规模将近十万亿。

物联网连接数指数曲线

未来5G将可以广泛应用于生活的各个方面。目前4G通信技术上不能满足的场景，例如自动驾驶汽车、无人机飞行、5G VR/AR、移动医疗、远程操作复杂的自动化设备等都将是5G大显身手的地方。

在自动驾驶场景下，假设按120公里时速下的汽车，如果在4G通信时延下汽车将已经行驶1米，这个距离足以导致事故的发生，但是换在5G通信条件下，汽车仅行驶了几厘米。

AR/VR方面，目前的体验还比较差，随着5G的来临，其高带宽、低时延的特性将帮助高端VR设备摆脱数据传输线的束缚，5G引入的边沿计算技术结合高带宽的特点，不但提升了内容的渲染质量，而且大大降低头显的硬件成本。

我们再来详细看看5G在智能制造环境下的应用场景：在智能制造自动化控制系统中，低时延的应用尤为广泛，比如对环境敏感高精度的生产制造环节、化学危险品生产环节等。智能制造闭环控制系统中传感器（如压力、温度等）获取到的信息需要通过极低时延的网络进行传递，最终数据需要传递到系统的执行器件（如：机械臂、电子阀门、加热器等）完成高精度生产作业的控制，并且在整个过程需要网络极高可靠性，来确保生产过程的安全高效。

此外，工厂中自动化控制系统和传感系统的工作范围可以是或者几百平方公里到几万平方公里，甚至可能是分布式部署。根据生产场景的不同，制造工厂的生产区域内可能有数以万计传感器和执行器，需要通信网络的海量连接能力作为支撑。

自动化控制是制造工厂中最基础的应用，核心是闭环控制系统。在该系统的控制周期内每个传感器进行连续测量，测量数据传输给控制器以设定执行器。典型的闭环控制过程周期低至ms级别，所以系统通信的时延需要达到ms级别甚至更低才能保证控制系统实现精确控制，同时对可靠性也有极高的要求。

三、现在的M-IoT与未来 5G的mMTC的关系

2016年起，公网窄带物联网的逐步引起大家的关注。NB逐渐成了窄带物联网的代名词。那么未来的NB-IoT/eMTC与5G是怎样的一个关系呢？

GSMA发布报告《5G未来中的移动物联网》，指出以NB-IoT/eMTC为代表移动物联网（M-IoT）是未来5G物联网战略的组成部分。5G革命性不仅仅在于它涵盖更多应用场景和更复杂的技术，还在于其有更强的包容性，因此5G的核心之一是能够支持、兼容多种接入技术，如卫星、WiFi、固网和3GPP其他技术实现互操作，这也为NB-IoT、eMTC成为5G组成部分创造了条件。

因此，为满足物联网低成本的需求，先以NB-IoT/eMTC促进产业链成熟、降低成本，再通过NB-IoT/eMTC的演进逐渐平滑过渡到5G mMTC上应该是未来的选择。

四、电信运营商积极推动5G助力物联网发展

5G是物联网“IoT”的核心技术，通信速度比当前手机所使用通信技术高出10-100倍，可传送高清视频等大容量数据，即使同时连接多台设备，速度也不会下降。全球各大电信运营商均积极跟进5G技术发展，在日本，NTT DoCoMo、KDDI、软银这三大移动通信运营商正致力于5G的商业化运营；在中国，电信、移动和联通三大运营商更是积极部署5G，力求取得先发优势。

2017年中国电信就已经公布了其5G发展路标，即将在2020年实现重点城市、重点区域的规模部署，在雄安启动建设5G创新示范网，并发布了《中国电信5G创新示范网白皮书》通过小规模外场试验到预商用、商用阶段，中国电信做出了三年的规划期，力促2020年实现5G规模商用。

中国电信5G区域部署呈现“6＋6”布局，5G试点城市暂定为“6＋6”模式，其中包括之前已经确定的雄安、深圳、上海、苏州、成都、兰州六个城市，根据国家相关部委要求继续扩大试点范围，再增设6个城市。在5G终端层面，中国电信5G终端将具备沉浸式体验、多场景、多制式、多形态等特征。其中，显示、芯片工艺、CPU／GPU与AI等都将是关键技术，包括芯片工艺在内，5G终端的开发与创新与业界各方携手深度合作。

中国电信在5G应用研发方面聚焦于探索新的商业模式，将5G的技术特性与云(雾)计算、物联网等相结合，实现与垂直行业的跨界融合。在带动标准制定上，中国电信共主导5G国际标准立项30余项，获得技术专利保护100余项，牵头国家重大专项7项。中国电信在外场试验上布局支持5G商用场景的5G试验网络，并进行组网测试。测试的内容包括5G信号的覆盖能力、强度、基站间的切换、4G和5G核心网之间的互操作等等。同时，针对不同城市的发展规划，配备不同的测试业务。

无锡电信在去年的物联网大会召开前夕开通了4T4R设备，用于提升物联网展馆周边区域用户感知；今年，又在场馆周边站址上部署了64T64R规格的“大规模天线”（Massive MIMO天线），信号接收（RSRP）提升6dB，覆盖区域平均用户数增加301%，体验速率提升260%，忙时流量增长340%，用户感知获得显著提升。

通过64T64R多天线技术的部署，无锡电信已经正式开启5G化时代的征程，规模试点部署，为用户提供极致的速率体验。面向2020年5G网络商用，无锡电信一方面继续深耕4G网络深度覆盖，同时引入更多5G新技术，持续提升网络性能和用户体验，为5G到来提前准备。

中国移动是5G部署较早的运营商，从2017年开始，中国移动已经先后在广州、杭州、苏州、武汉、上海等5个城市开展了场外测试。终端层面上，中国移动联合了全球20家终端企业合作伙伴共同启动了“5G终端先行者计划”。中国联通在5G技术部署领域虽有所滞后，但后续快速赶上，在上海建立了5G外场实验基地，完成了5G高、低频区域连片部署。2018年1月，中国联通向工信部递交申请，计划在北京、天津、上海、深圳、杭州、南京和雄安等7个城市进行5G试验，4月26日又宣布增加新的9个城市。

结语

5G网络速度和接入能力更加强大，将跳出移动互联网真正实现让万物相连，让城市生活包括交通、安防、教育、旅游等各个方面都将变得更加智慧，人工智能，自动驾驶，远程手术，智慧城市，万物互联，都会因5G而普及。5G带来的不仅仅是网速的改变，更是思维方式和商业模式的变革。加快5G推进步伐，让我们在不断创新中迎接万物互联时代的到来！（无锡市物联网产业协会）

 

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