預(yù)計很大比例的美國家庭將擁有 4K 和 8K 電視，因為它變得更容易獲得且更具成本效益。有線寬帶可以支持家庭中的 4K/8K 視頻流，但它不能支持移動中需要大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。

為此，世界大部分地區(qū)都依賴第五代 (5G) 網(wǎng)絡(luò)。在 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，峰值數(shù)據(jù)速率為每秒 10 吉比特 (Gbps)，這意味著下載一部 1.2 吉字節(jié) (GB) 的超高清 (UHD) 電影只需不到一秒的時間。與其第三代合作伙伴計劃 (3GPP?) 的前身（2G 和 3G/4G LTE）相比，5G 的擴(kuò)展容量是移動連接方面的一大進(jìn)步。

就像摩爾定律一樣，尼爾森的互聯(lián)網(wǎng)帶寬定律預(yù)測帶寬使用量每年將增加 50%。為了幫助跟上帶寬需求的指數(shù)增長，5G 無線將需要提供。

隨著設(shè)備制造商和應(yīng)用開發(fā)商為支持 5G 的產(chǎn)品和服務(wù)做準(zhǔn)備，評估 5G 在各自用例中的適用性非常重要。5G 作為一種超低延遲寬帶無線技術(shù)的巨大前景必須與連接生態(tài)系統(tǒng)中的其他技術(shù)進(jìn)行衡量。例如，存在幾個產(chǎn)品類別，5G 網(wǎng)絡(luò)可能不是一個現(xiàn)實的選擇。在確定是否采用 5G 而非其他連接選項時，性價比是至關(guān)重要的考慮因素。

本文幫助系統(tǒng)工程師評估 5G 在現(xiàn)有連接生態(tài)系統(tǒng)中的可行性。

5G 連接有什么區(qū)別？

我們已經(jīng)進(jìn)入了一個由基于云的連接應(yīng)用程序主導(dǎo)的時代。每個垂直行業(yè)都在向服務(wù)模式過渡，其中基本功能從云端分配。這種轉(zhuǎn)變迫使我們以不同的方式思考連接性。

這就是 5G 的用武之地。5G 標(biāo)準(zhǔn)提供了一個全新的連接框架。從這個意義上說，5G 為現(xiàn)有的連接概念鋪平了顛覆性的進(jìn)化道路。

除了使用現(xiàn)有長期演進(jìn) (LTE) 范圍內(nèi)的頻譜外，5G 還使用毫米波 (mmWave) 頻段中的未授權(quán)頻譜。根據(jù) IEEE Spectrum 中一篇題為“5G 字節(jié)：毫米波解釋”的文章，毫米波在 30 到 300 吉赫 (GHz) 頻率范圍內(nèi)廣播，提供比前幾代頻譜更高的帶寬以及更低延遲的額外好處. 然而，毫米波（長度為 1 到 10 毫米）不能輕易穿過建筑物和其他障礙物，并且很容易被雨水、樹葉等吸收。解決毫米波傳播問題的一種方法是使用 5G 小型蜂窩。與傳統(tǒng)的蜂窩基站相比，小型蜂窩基站的尺寸要小得多，能效更高，而且價格也越來越便宜。

其他一些因素可以區(qū)分?jǐn)?shù)字環(huán)境中的 5G 網(wǎng)絡(luò)（圖 1）。

圖 1：此快照圖捕獲了 5G 連接性能指標(biāo)。（來源：貿(mào)澤電子）

無處不在的連接

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的采用已經(jīng)在所有垂直行業(yè)中加速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)目前連接物理設(shè)備，如傳感器、執(zhí)行器、泵和汽車。未來幾年，數(shù)十億此類設(shè)備將需要網(wǎng)絡(luò)連接，才能與基于云的服務(wù)進(jìn)行可靠通信。5G 小型蜂窩技術(shù)增加的容量可以支持大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和機器對機器 (M2M) 連接。與4G LTE相比，5G的單位面積帶寬增加1000倍，流量增加10000倍，單位面積連接設(shè)備增加100倍。

實時性能

隨著物聯(lián)網(wǎng)達(dá)到工業(yè)規(guī)模，連接必須支持機器遠(yuǎn)程控制、無人機和機器人應(yīng)用、時間敏感的工業(yè)控制回路、無人駕駛汽車導(dǎo)航、遠(yuǎn)程手術(shù)等應(yīng)用。對于這些關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序，高比特率是不夠的。為了實現(xiàn)實時性能，延遲也必須非常低。5G 標(biāo)準(zhǔn)將寬帶無線服務(wù)從移動互聯(lián)網(wǎng)容量擴(kuò)展到需要超可靠、快速和關(guān)鍵任務(wù)通信的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

能源效率

4G 主要是一種移動解決方案，而 5G（除了增強移動性）迎合了設(shè)備在惡劣環(huán)境中運行、電源有限且運行數(shù)十年的固定無線和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。這就是為什么 5G 的設(shè)計目的是與 4G 相比，功耗降低高達(dá) 90%，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命長達(dá) 10 年。

安全性和可靠性

相對而言，通過無線連接進(jìn)行的通信更容易被攔截，也更容易受到中間人攻擊。在物聯(lián)網(wǎng)用例中，低功耗無線連接容易出現(xiàn)比特率錯誤和連接中斷。5G 的穩(wěn)健設(shè)計預(yù)計將提供 99.999% 的可用性，并包括相互身份驗證、本地安全元素、傳輸層安全 (TLS) 加密和 5G 電子設(shè)備的無線 (OTA) 固件更新。就像虛擬化硬件平臺上的虛擬機一樣，5G 網(wǎng)絡(luò)資源可以被分割成“網(wǎng)絡(luò)切片”。5G 網(wǎng)絡(luò)切片使服務(wù)提供商能夠構(gòu)建虛擬的、特定于應(yīng)用的端到端網(wǎng)絡(luò)，從而提供額外的安全性。

在連接領(lǐng)域映射 5G 網(wǎng)絡(luò)

對 5G 推出的興奮并不一定會轉(zhuǎn)化為棄用（或淘汰）現(xiàn)有技術(shù)。事實上，時間敏感網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)創(chuàng)新（下一代電氣和電子工程師協(xié)會 [IEEE] 802.1 以太網(wǎng)）；低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）；無線上網(wǎng); 和遠(yuǎn)程 (LoRa?) 技術(shù)也越來越受歡迎。

即使在 5G 標(biāo)準(zhǔn)大規(guī)模推出后，在可預(yù)見的未來，5G 技術(shù)仍將與其他技術(shù)共存。在許多場景中，5G 技術(shù)將補充這些技術(shù)。

光纖和固定寬帶

德勤于 2017 年發(fā)布的“通信基礎(chǔ)設(shè)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% 的流量通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸。光纖網(wǎng)絡(luò)在長距離上提供高吞吐量和低延遲的帶寬。在帶寬和速度方面，5G 無線和光纖是可比的技術(shù)。然而，作為連接解決方??案，這些技術(shù)的競爭更少，互補性更強。事實上，5G 網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和可靠性將取決于基于光纖的有線網(wǎng)絡(luò)在小型蜂窩之間進(jìn)行流量回程傳輸。

在智能家居和辦公室中，5G 小型蜂窩接入點可以增強室內(nèi)覆蓋光纖和基于同軸電纜的寬帶互聯(lián)網(wǎng)解決方案。5G 無線的速度和靈活性可能會取代工業(yè)和城市基礎(chǔ)設(shè)施中的傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)。然而，在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施和云計算服務(wù)器中，有線技術(shù)的穩(wěn)健性和成熟度至關(guān)重要，光纖和固定以太網(wǎng)技術(shù)將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位。

LPWAN

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的 LPWAN 技術(shù)功能包括：

• 具有低處理和傳輸功率以及電池壽命超過 10 年的設(shè)備芯片組，以支持長期使用。
• 覆蓋范圍廣（郊區(qū)超過 10 公里；市區(qū)超過 5 公里），在建筑物和地下室中具有良好的滲透性。
• 設(shè)備能夠間歇性地發(fā)送少量數(shù)據(jù)，因此支持的數(shù)據(jù)速率較低（每秒 0.3 位 [bps] 到每秒 50 千位 [Kbps] — 通常約為每天 10 千字節(jié) [KBpd]）。
• 以較低的總擁有成本實現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)傳輸。

LPWAN 技術(shù)已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)邊緣部署中流行，其中許多低成本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（如傳感器和儀表）分布在操作環(huán)境的擴(kuò)展區(qū)域。未來幾年，即使 5G 無線已準(zhǔn)備好用于商業(yè)用途，LPWAN 的采用預(yù)計將在全球物聯(lián)網(wǎng)市場增長。LPWAN 技術(shù)迎合了 5G 的高數(shù)據(jù)速率和低延遲不太引人注目的用例。

這些通用要求已在多種 LPWAN 技術(shù)中實現(xiàn)。以下是 5G 連接背景下常見 LPWAN 技術(shù)的快速匯總：

窄帶物聯(lián)網(wǎng)

窄帶 (NB)-IoT 傳輸設(shè)計使用更有限的帶寬，因此更節(jié)能。NB-IoT 用戶設(shè)備專為超低復(fù)雜性和低成本而設(shè)計。NB-IoT 具有顯著的頻譜效率。每個單元最多可以連接 50,000 個設(shè)備。NB-IoT 可以穿透建筑物和地下區(qū)域（提供 20dB 或更多室內(nèi)覆蓋），適用于具有靜態(tài)資產(chǎn)的智慧城市應(yīng)用。

Sigfox?

Sigfox 是一項專有技術(shù)，已經(jīng)滲透到歐洲市場，并得到許多電子供應(yīng)商的支持。Sigfox 使用較慢的調(diào)制速率來擴(kuò)展覆蓋范圍。它適用于智能停車傳感器、智能垃圾桶和公用事業(yè)儀表等應(yīng)用，其中低成本設(shè)備需要將少量、不頻繁的突發(fā)數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

用于機器的 LTE

LTE for Machines (LTE-M) 是一項相對較新的創(chuàng)新，其功率效率仍在評估中。它可以搭載現(xiàn)有的 4G-LTE 連接（并且可以演變?yōu)榕c 5G 兼容），以支持車輛和無人機等移動物聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)的漫游。LTE-M 電子設(shè)備是最昂貴的選項之一，因為它們可以提供比其他 LPWAN 選項更高的數(shù)據(jù)速率。物聯(lián)網(wǎng)邊緣的數(shù)據(jù)豐富的應(yīng)用程序可以從 LTE-M 中受益。

洛拉

LoRa 是 Lora Alliance? 的遠(yuǎn)程、低功耗、低數(shù)據(jù)速率連接標(biāo)準(zhǔn)。LoRa 旨在使大型網(wǎng)絡(luò)運營商能夠提供基于訂閱的 LPWAN 服務(wù)。LoRa 使用未經(jīng)許可的頻譜（sub-GHz 射頻；例如北美的 915MHz），但依賴于額外的安全層，因為 LoRa 設(shè)備不使用用戶識別模塊 (SIM) 或機器識別模塊 (MIM) 進(jìn)行設(shè)備身份驗證或加密。

5G 網(wǎng)絡(luò)和 LPWAN 有望在各種端到端物聯(lián)網(wǎng)部署中相互補充。例如，在遠(yuǎn)程手術(shù)的情況下，通信的時間敏感特性需要實時數(shù)據(jù)傳輸。像這樣的場景適合低延遲 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)。然而，遠(yuǎn)程手術(shù)還涉及邊緣的傳感器網(wǎng)絡(luò)，例如在醫(yī)院場所，以在本地收集和處理關(guān)鍵信息。對于這些位于邊緣的傳感器網(wǎng)絡(luò)，LPWAN 連接是一個更可行的選擇。

個域網(wǎng) (PAN) 和局域網(wǎng) (LAN)

對于家庭和企業(yè)的本地連接，Wi-Fi? 和藍(lán)牙? 技術(shù)（基于 IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)）和低功耗藍(lán)牙是常見的選擇。基于 802.15.4 的技術(shù)（包括 Zigbee?、ISA100.11a、6LoWPAN、WirelessHART? 和 Z-Wave?）支持資產(chǎn)和資源跟蹤等企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

就像有線和光纖寬帶解決方案一樣，5G 固定寬帶和蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該補充 Wi-Fi 和藍(lán)牙。3GPP 的第 16 版將包括 5G 新無線電 (NR)-未授權(quán)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)支持現(xiàn)有的 5 和 6GHz（“綠地”）未授權(quán)頻段。5G 免許可頻譜的有前景的用例之一將是企業(yè)、大型體育場館和商場中的“類似 Wi-Fi”的專用網(wǎng)絡(luò)。

衛(wèi)星

在連接生態(tài)系統(tǒng)中，雖然衛(wèi)星技術(shù)提供高帶寬和可靠性，但它們價格昂貴。因此，衛(wèi)星只服務(wù)于利基用例。使用全球定位系統(tǒng) (GPS) 在海洋、偏遠(yuǎn)地區(qū)、服務(wù)欠缺地區(qū)和移動網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)故障的災(zāi)區(qū)進(jìn)行跟蹤的飛機、貨運和車隊中的機載連接是衛(wèi)星有用的一些場景。

衛(wèi)星連接可以通過在由于經(jīng)濟(jì)和其他位置限制而無法實現(xiàn)蜂窩連接的地區(qū)擴(kuò)大 5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，從而增強 5G 無線以提供無處不在的連接。

蜂窩：4G-LTE

4G-LTE 于 2009 年開始推出，在 5G 之前的日子里，它是可用的最先進(jìn)的蜂窩技術(shù)，峰值速率高達(dá) 1Gbps，延遲為 30 到 70 毫秒 (ms)。憑借 10Gbps 的數(shù)據(jù)速率和小于 1ms 的延遲，5G 無線有望將蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為超快速、響應(yīng)迅速、節(jié)能的連接來源。

全球 4G 網(wǎng)絡(luò)的部署仍在進(jìn)行中。5G 網(wǎng)絡(luò)普及以及 5G 芯片組和設(shè)備以商業(yè)規(guī)模進(jìn)入市場還需要一段時間。即使在 5G 推出后，不需要超高吞吐量和超低延遲的用例也可以繼續(xù)使用 4G。5G NR 標(biāo)準(zhǔn)旨在與 4G 核心網(wǎng)絡(luò)重疊共存。因此，至少從技術(shù)設(shè)計的角度來看，4G 和 5G 無線蜂窩服務(wù)已經(jīng)內(nèi)置了兼容性。

結(jié)論

5G 在全球范圍內(nèi)的加速部署和實施將在 2021 年繼續(xù)，北美緊隨其后，歐洲和東亞將處于領(lǐng)先地位。東南亞和南美洲幾乎每個國家都通過大力投資 5G 技術(shù)來反映這一趨勢。以如此快速的部署速度，5G 覆蓋率可能很快在某些國家達(dá)到 50% 以上。5G 通信不僅可以為智能手機帶來更快的上傳和下載速度，還可以降低從聯(lián)網(wǎng)汽車到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到實時控制執(zhí)行遠(yuǎn)程醫(yī)療程序的醫(yī)療機器人的所有通信延遲。

審核編輯：符乾江