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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(shù)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(xiàn)高質量的視頻傳輸。 為此，世界上大部分地區(qū)都轉向了第五代 (5G) 網(wǎng)絡。在5G蜂窩網(wǎng)絡中，峰值數(shù)據(jù)速率為每秒10千兆比特 (Gbps)，這意味著下載1.2千兆字節(jié) (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(lián)網(wǎng)業(yè)也有一個尼爾森定律，據(jù)預測互聯(lián)網(wǎng)帶寬每年將以50%的速度增長。為了跟上帶寬需求的指數(shù)級增長，亟需推出5G無線技術。 在設備制造商和應用開發(fā)人員著手準備5G產(chǎn)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(jù)連接生態(tài)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(chǎn)品，5G網(wǎng)絡可能是一個不太現(xiàn)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(tǒng)工程師評估5G在現(xiàn)有連接生態(tài)鏈中的可行性。 5G技術優(yōu)勢 我們已經(jīng)進入了云互連應用主導的時代。所有垂直行業(yè)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(guī)定了一個全新的連接框架。從這個意義上說，5G為現(xiàn)有的連接概念打開了一條顛覆性的進化道路。 除了使用現(xiàn)有長期演進 (LTE) 范圍內的頻譜外，5G還可使用未經(jīng)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(yōu)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(tǒng)基站相比，小基站的體積更小，更節(jié)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(shù)據(jù)流量�！� 圖1列出了其他一些可以彰顯數(shù)字環(huán)境中5G網(wǎng)絡優(yōu)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(lián)網(wǎng) (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(zhí)行器、泵和汽車等物理設備。到2020/2021年，將有數(shù)十億的設備需要連接網(wǎng)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(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)在工業(yè)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(yè)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(shù)據(jù)傳輸速率，為實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用需求，這些應用中設備的工作環(huán)境惡劣、供電能力有限，并且需要運行數(shù)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(lián)網(wǎng)應用案例中，發(fā)現(xiàn)低功耗無線連接容易出現(xiàn)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(wǎng)絡資源可以劃分為“網(wǎng)絡切片”，這種網(wǎng)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(wǎng)絡，進一步增強安全性。 5G網(wǎng)絡在連接環(huán)境中的映射 5G的推出不一定會貶低（或取代）現(xiàn)有技術。事實上，5G技術還推動了時間敏感型網(wǎng)絡（電氣電子工程師協(xié)會 [IEEE] 802.1開發(fā)出的下一代以太網(wǎng)）、低功率廣域網(wǎng) (LPWAN)、Wi-Fi以及遠距離 (LoRa®) 技術的持續(xù)創(chuàng)新。 即使在5G標準大規(guī)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(fā)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(lián)網(wǎng)流量通過無線連接傳輸，而90%的流量仍將通過有線網(wǎng)絡傳輸。這是因為光纖網(wǎng)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(wǎng)絡的質量和可靠性將取決于基于光纖的有線網(wǎng)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(lián)網(wǎng)解決方案。5G無線技術的速度和靈活性可能會取代工業(yè)和城市基礎設施中的傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡。然而，在數(shù)據(jù)中心基礎設施和云計算服務器中，有線連接技術的穩(wěn)健性和成熟度至關重要，因此光纖和固定以太網(wǎng)技術將繼續(xù)占據(jù)主導地位。 LPWAN 用于物聯(lián)網(wǎng)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(qū)10公里以上，市區(qū)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(fā)送小的突發(fā)數(shù)據(jù)包，因此支持的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)安全傳輸。 LPWAN技術已被廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)邊緣部署，其運行環(huán)境的擴展區(qū)域分布著許多低成本物聯(lián)網(wǎng)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(yè)市場，但也不會影響LPWAN在全球物聯(lián)網(wǎng)市場的增長，這是因為LPWAN技術迎合了那些不需要5G高數(shù)據(jù)速率和低延遲性的應用需求。 現(xiàn)在已有一些LPWAN技術可以滿足這些常規(guī)需求。下面簡單概述了5G連接環(huán)境下一些常見的LPWAN技術： NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 傳輸采用更有限的帶寬設計，更節(jié)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(yōu)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(qū)域（提供20dB或更深度的室內覆蓋范圍），適用于具有靜態(tài)資產(chǎn)的智能城市應用。 Sigfox® Sigfox是一種已經(jīng)滲透到歐洲市場的專利技術，得到了許多電子產(chǎn)品供應商的支持。Sigfox使用慢調制速率來實現(xiàn)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(fā)數(shù)據(jù)包上傳到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。 LTE-M 機器LTE (LTE-M) 是一項相對較新的創(chuàng)新技術，其能效仍在評估中。它可以利用現(xiàn)有的4G-LTE連接（并且可以發(fā)展為兼容5G），實現(xiàn)車輛和無人機等移動物聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)漫游。LTE-M電子設備可以提供比其他LPWAN選項更高的數(shù)據(jù)速率，當然價格也比較昂貴，多用于物聯(lián)網(wǎng)邊緣的富數(shù)據(jù)應用。 LoRa LoRa是Lora Alliance™的遠程、低功耗、低數(shù)據(jù)速率連接標準。LoRa旨在使大型網(wǎng)絡運營商能夠提供基于訂閱的LPWAN服務。LoRa使用的是未經(jīng)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(wǎng)絡和LPWAN有望在各種端到端物聯(lián)網(wǎng)部署中形成互補態(tài)勢。例如，在遠程手術中，通信的時間敏感性要求實時傳輸數(shù)據(jù)，這就需要低延遲的5G蜂窩網(wǎng)絡。然而，遠程手術還涉及邊緣傳感器網(wǎng)絡，例如在醫(yī)院內收集和處理本地關鍵信息。對于這些邊緣傳感器網(wǎng)絡，LPWAN連接則更可行。 個域網(wǎng) (PAN) 和局域網(wǎng) (LAN) 對于家庭和企業(yè)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(chǎn)和資源跟蹤等企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)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(yè)、大型體育場館和購物中心的“Wi-Fi-like”專用網(wǎng)絡。 衛(wèi)星 在連接生態(tài)鏈中，衛(wèi)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(tǒng) (GPS) 追蹤跨洋、偏遠地區(qū)、服務匱乏地區(qū)和受災地區(qū)的飛機、貨船和艦隊的機載連接時，使用移動網(wǎng)絡可能會出現(xiàn)故障，這時衛(wèi)星通訊就派上用場了。 衛(wèi)星連接可以在由于經(jīng)濟和其他位置限制而無法實現(xiàn)蜂窩連接的地區(qū)擴大5G網(wǎng)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(xiàn)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(shù)據(jù)速率和不到1毫秒的延遲，終會將蜂窩網(wǎng)絡發(fā)展成超高速、響應迅速、節(jié)能的連接源。 世界各地仍在部署4G網(wǎng)絡。5G網(wǎng)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(xù)使用4G網(wǎng)絡。5G NR標準旨在與4G核心網(wǎng)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(wǎng)絡的商用進程都將提速，包括美國、中國、韓國、日本等在5G網(wǎng)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(xiàn)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(lián)網(wǎng)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(xiàn)實場景中實現(xiàn)這些強大功能所帶來的全新挑戰(zhàn)。為了以后能夠采用和創(chuàng)造5G應用與電子產(chǎn)品，需要實時了解5G測試和開發(fā)的新進展。5G社區(qū)還需要以創(chuàng)新思維克服技術上的難題，評估5G無線網(wǎng)絡在快速發(fā)展的連接生態(tài)鏈中的適用性。 文章來源：貿澤電子 作者簡介：Sravani Bhattacharjee是一名數(shù)據(jù)通信技術專家，有著20多年的從業(yè)經(jīng)歷。她是《Practical Industrial IoT Security》（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全）一書的作者，這是第一本有關工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(yè)云/數(shù)據(jù)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)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(yè)決策的進步。Sravani擁有電子工程專業(yè)碩士學位。她是一名IEEE物聯(lián)網(wǎng)小組成員，一位作者，還是一位演說家。 |
