5G 作為一種超低延遲寬帶無線技術(shù)，其巨大應(yīng)用前景必須與連接生態(tài)系統(tǒng)中的其他技術(shù)一并考慮。例如，在5G 網(wǎng)絡(luò)不是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的選擇方案時(shí)，可能存在多種產(chǎn)品類別選項(xiàng)。在確定是采用 5G還是其他連接選項(xiàng)時(shí)，性價(jià)比可能是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。

本文可幫助系統(tǒng)工程師評(píng)估 5G 在現(xiàn)有連接生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用可行性。

5G 連接的獨(dú)特之處

我們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)由云計(jì)算和互連應(yīng)用主導(dǎo)的時(shí)代，每個(gè)垂直行業(yè)都在向服務(wù)模式過渡，其基本功能夠從云端進(jìn)行控制，這種轉(zhuǎn)變迫使我們以不同的方式思考連通性。

這就是 5G 可以展現(xiàn)的用武之地。5G 標(biāo)準(zhǔn)提供了全新的連接框架，從這個(gè)意義上說，5G 為現(xiàn)有的連接概念開拓了一條顛覆性的演進(jìn)之路。

除了使用現(xiàn)有的LTE頻譜范圍外，5G 還可使用毫米波 (mmWave) 頻段中的未授權(quán)頻譜。根據(jù) IEEE Spectrum 中題為“5G 字節(jié)：毫米波注釋”的條款，毫米波在 30 ～ 300 GHz 頻率范圍內(nèi)廣播，能夠提供比前幾代頻譜高得多的帶寬以及更低的延遲等額外好處。.然而，毫米波（波長(zhǎng)為 1 ～ 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 小基站。與傳統(tǒng)蜂窩基站相比，小型蜂窩基站尺寸要小得多，能效更高，而且價(jià)格也越來越便宜。由于其固有的頻譜效率，小型蜂窩還可以增加無線容量以連接更多設(shè)備，提供更大的數(shù)據(jù)流量。在數(shù)字通信環(huán)境中，5G 網(wǎng)絡(luò)還具有其他一些獨(dú)特之處（見圖 1）。

圖 1：該圖詮釋了5G 連接的一些性能指標(biāo)。（來源：貿(mào)澤電子）

無處不在的連接

在所有垂直行業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的應(yīng)用已經(jīng)在加速普及。目前，通過物聯(lián)網(wǎng)可以連接傳感器、執(zhí)行器、泵和汽車等實(shí)際設(shè)備。未來幾年，數(shù)十億臺(tái)此類設(shè)備將會(huì)需要網(wǎng)絡(luò)連接，以便與基于云的服務(wù)進(jìn)行可靠通信。 通過5G小基站技術(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(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 連接，與 4G LTE 相比，5G可提供 1,000 倍的帶寬，10,000 倍的流量，每單位面積可支持100 倍的連接設(shè)備數(shù)量。

實(shí)時(shí)性能

在物聯(lián)網(wǎng)達(dá)到工業(yè)規(guī)模時(shí)，連接性必須支持機(jī)器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、無人機(jī)和機(jī)器人應(yīng)用、時(shí)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(duì)于這些關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，只有高數(shù)據(jù)吞吐量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，為了達(dá)到實(shí)時(shí)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(dòng)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(dòng)解決方案，而 5G除了增強(qiáng)移動(dòng)性之外，還可支持固定無線和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，這些應(yīng)用中的設(shè)備往往需要在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，電源能量有限，并且需要運(yùn)行數(shù)十年時(shí)間。這就是為什么與 4G 相比 ，5G 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是最多可減少 90% 的功耗，并且物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命需要長(zhǎng)達(dá) 10年。

安全可靠性

相對(duì)而言，通過無線連接的通信更容易被攔截，也更容易在過程中受到攻擊。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，低功耗無線連接容易出現(xiàn)比特率錯(cuò)誤和連接中斷。5G 的可靠性設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)將提供 99.999% 的有效性，也包括相互認(rèn)證、本地安全保證、傳輸層安全 (TLS) 加密和 5G 電子產(chǎn)品的無線 (OTA) 固件更新等功能。就像虛擬化硬件平臺(tái)上的虛擬設(shè)備一樣，5G 網(wǎng)絡(luò)資源可以分割成許多“網(wǎng)絡(luò)切片”，5G 網(wǎng)絡(luò)切片使服務(wù)提供商可以構(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。

在連接環(huán)境中規(guī)劃5G 網(wǎng)絡(luò)

5G推出帶來的興奮并不一定會(huì)導(dǎo)致快速棄用（或淘汰）現(xiàn)有技術(shù)。事實(shí)上，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（下一代電氣和電子工程師協(xié)會(huì) [IEEE] 802.1 以太網(wǎng)）的持續(xù)創(chuàng)新、低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN)、Wi-Fi以及LoRa®等技術(shù)也會(huì)越來越受歡迎。

即便5G 標(biāo)準(zhǔn)大規(guī)模推出部署之后，在可預(yù)見的未來，5G 技術(shù)仍將與其他技術(shù)共存。在許多應(yīng)用場(chǎng)景中，5G 技術(shù)將與這些技術(shù)相互補(bǔ)充。

光纖和固定寬帶

德勤（Deloitte）在2017 年發(fā)布的“通信基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)（Communications Infrastructure Upgrade）：對(duì)深層光纖的需求”研究表明，只有 11% 的互聯(lián)網(wǎng)流量是通過無線連接傳輸，而 90% 的流量是通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸。光纖網(wǎng)絡(luò)能夠提供高吞吐量和高帶寬，以及長(zhǎng)距離、低延遲。在帶寬和速度方面，5G 無線和光纖不相上下。然而，作為連接解決方案，這些技術(shù)彼此競(jìng)爭(zhēng)較少，互補(bǔ)性較強(qiáng)。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)，因?yàn)檫@些光纖有線網(wǎng)絡(luò)會(huì)用于在小基站之間進(jìn)行流量回程傳輸。

在智能家居和辦公室中，5G 小基站接入點(diǎn)可以增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋光纖和同軸電纜寬帶互聯(lián)網(wǎng)解決方案。5G 無線通信在速度和靈活性方面可能會(huì)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(jì)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。

LPWANs

用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的 LPWAN 技術(shù)需要如下主要功能：

• 設(shè)備芯片組具有低處理功率和低傳輸功率，以及超過 10 年的電池使用壽命，能夠支持長(zhǎng)期使用。

• 更廣的覆蓋范圍（郊區(qū)超過 10 公里；城市超過 5 公里），在建筑物和地下室具有良好的穿透性。

• 設(shè)備能夠間歇性地發(fā)送少量脈沖串?dāng)?shù)據(jù)，所支持的數(shù)據(jù)速率較低（每秒0.3 比特 至每秒 50K比特），通常約為每天 10K比特。

• 以較低的總體擁有成本實(shí)現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)傳輸。

LPWAN 技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)邊緣部署中已經(jīng)很普遍，其中許多低成本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（例如傳感器和儀表）分布在操作環(huán)境外的擴(kuò)展區(qū)域。 即使 5G 無線已經(jīng)完全準(zhǔn)備好用于商業(yè)用途，LPWAN 的采用預(yù)計(jì)將在未來幾年全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)呈現(xiàn)增長(zhǎng)。LPWAN 技術(shù)將適用于 5G 的高數(shù)據(jù)速率和低延遲并不是特別重要的領(lǐng)域。

這些通用要求已在多種 LPWAN 技術(shù)中實(shí)施。以下是 5G 連接背景下常見 LPWAN 技術(shù)的簡(jiǎn)要綜述：

窄帶物聯(lián)網(wǎng)

窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)原則是使用更有限的帶寬，因此更節(jié)能。NB-IoT 用戶設(shè)備的目標(biāo)旨在實(shí)現(xiàn)超低復(fù)雜性和更低成本，NB-IoT 具有更高的頻譜效率，每個(gè)小區(qū)最多可以連接 50,000 個(gè)設(shè)備。NB-IoT 可以穿透建筑物和地下區(qū)域（室內(nèi)覆蓋可達(dá)20dB 或更多），適用于具有靜態(tài)資產(chǎn)的智慧城市應(yīng)用。

Sigfox®

Sigfox 是一項(xiàng)專有技術(shù)，目前已經(jīng)應(yīng)用于歐洲市場(chǎng)，并得到了許多電子供應(yīng)商的支持。Sigfox 使用慢調(diào)制速率來擴(kuò)展覆蓋范圍，適合于智能停車傳感器、智能垃圾桶和公用事業(yè)儀表等應(yīng)用，這些應(yīng)用中的低成本設(shè)備需要向物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)上傳少量、不頻繁的脈沖數(shù)據(jù)串。

用于機(jī)器設(shè)備的 LTE

用于機(jī)器設(shè)備的 LTE (LTE-M) 是一項(xiàng)相對(duì)較新的創(chuàng)新技術(shù)，其功率效率仍在評(píng)估中。它可以搭載現(xiàn)有的 4G-LTE 連接（并且可以發(fā)展為兼容 5G）以支持移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)（如車輛和無人機(jī)）的漫游。LTE-M 電子設(shè)備是最昂貴的選項(xiàng)之一，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┍绕渌?LPWAN 選項(xiàng)更高的數(shù)據(jù)速率。物聯(lián)網(wǎng)邊緣的數(shù)據(jù)豐富應(yīng)用可以從 LTE-M 中受益。

LoRa

LoRa 是 Lora Alliance™ 的遠(yuǎn)程、低功耗、低數(shù)據(jù)速率連接標(biāo)準(zhǔn)，這種技術(shù) 旨在使大型網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)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?yàn)?LoRa 設(shè)備不使用訂戶識(shí)別模塊 (SIM) 或機(jī)器識(shí)別模塊 (MIM) 進(jìn)行設(shè)備身份驗(yàn)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(bǔ)充。例如，在遠(yuǎn)程手術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景下，通信的時(shí)間敏感性需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，這些應(yīng)用比較適合采用低延遲 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)。然而，例如在醫(yī)院，遠(yuǎn)程手術(shù)還涉及邊緣的傳感器網(wǎng)絡(luò)，以在本地收集和處理關(guān)鍵信息。對(duì)于這些邊緣傳感器網(wǎng)絡(luò)，LPWAN 連接是更為可行的選擇。

個(gè)人局域網(wǎng) (PAN) 和局域網(wǎng) (LAN)

對(duì)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)）以及藍(lán)牙低功耗是常見的技術(shù)選擇。Zigbee®、ISA100.11a、6LoWPAN、WirelessHART® 和 Z-Wave®等基于 802.15.4 的技術(shù)支持企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可用于資產(chǎn)和資源跟蹤等應(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)該與Wi-Fi 和藍(lán)牙相互補(bǔ)充。3GPP 的第 16 版（Release 16）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 5GHz 和 6GHz（“綠地”）免授權(quán)頻段。5G免授權(quán)頻譜的一個(gè)非常有前景的應(yīng)用是企業(yè)、大型體育場(chǎng)館和商場(chǎng)中的類似Wi-Fi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)能夠提供高帶寬和高可靠性，但它們非常昂貴。因此，衛(wèi)星僅服務(wù)于少量應(yīng)用。機(jī)載連接、貨運(yùn)和使用全球定位系統(tǒng) (GPS) 跟蹤跨越海洋、偏遠(yuǎn)地區(qū)、服務(wù)欠缺地區(qū)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的災(zāi)區(qū)的飛機(jī)、車隊(duì)等都是衛(wèi)星應(yīng)用的一些場(chǎng)景。

在一些地區(qū)，由于經(jīng)濟(jì)和其他地理位置限制等原因而無法使用蜂窩連接，衛(wèi)星連接可以擴(kuò)展 5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，從而能夠增強(qiáng) 5G 無線通信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 之前的時(shí)期，它是最先進(jìn)的蜂窩技術(shù)，峰值速率高達(dá) 1Gbps，延遲為 30 ～70 ms。憑借 10Gbps 的數(shù)據(jù)速率和不到 1ms 的延遲，5G 無線技術(shù)有望將蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為超高速、快響應(yīng)的高能效連接。

4G 網(wǎng)絡(luò)的部署仍在全球范圍內(nèi)提供服務(wù)，在達(dá)到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(chǎng)之前，可能還需要一些時(shí)間。即使在 5G 推出后，不需要超高數(shù)據(jù)吞吐量和超低延遲的應(yīng)用也可以繼續(xù)使用 4G。5G NR 標(biāo)準(zhǔn)旨在與 4G 核心網(wǎng)重疊和共存，因此，至少?gòu)募夹g(shù)設(shè)計(jì)的角度來看，兼容性已經(jīng)在4G 和 5G 無線蜂窩服務(wù)中得到充分考慮。

結(jié)束語

2020 年是 5G 連接的元年，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商和原始設(shè)備制造商 (OEM) 正準(zhǔn)備在一年內(nèi)推出商業(yè)化的 5G 網(wǎng)絡(luò)。盡管如此，現(xiàn)實(shí)情況是某些 5G 標(biāo)準(zhǔn)仍在制定中，并且仍在進(jìn)行一些測(cè)試以認(rèn)證 5G 功能。

5G做出了大膽的承諾，但在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)5G雄心勃勃的性能目標(biāo)也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。為了在未來采用和創(chuàng)建支持 5G 的應(yīng)用和電子產(chǎn)品，重要的是要跟上正在進(jìn)行的 5G 測(cè)試和開發(fā)。5G 社區(qū)還需要以創(chuàng)新的方式思考，以克服遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)，并評(píng)估 5G 無線網(wǎng)絡(luò)在快速發(fā)展連接生態(tài)系統(tǒng)中的適用性。