如何看5G 在互连生态系统中的位置?

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在设备制造商和应用开发商准备开发支持 5G 的产品和服务时,评估 5G 在具体应用环境中的适用性非常重要。

5G 作为一种超低延迟宽带无线技术,其巨大应用前景必须与连接生态系统中的其他技术一并考虑。例如,在5G 网络不是一个现实的选择方案时,可能存在多种产品类别选项。在确定是采用 5G还是其他连接选项时,性价比可能是一个关键的考虑因素。

本文可帮助系统工程师评估 5G 在现有连接生态系统中的应用可行性。

5G 连接的独之处

我们已经进入了一个由云计算和互连应用主导的时代,每个垂直行业都在向服务模式过渡,其基本功能够从云端进行控制,这种转变迫使我们以不同的方式思考连通性。

这就是 5G 可以展现的用武之地。 5G 标准提供了全新的连接框架,从这个意义上说,5G 为现有的连接概念开拓了一条颠覆性的演进之路。

除了使用现有的LTE频谱范围外,5G 还可使用毫米波 (mmWave) 频段中的未授权频谱。根据 IEEE Spectrum 中题为“5G 字节:毫米波注释”的条款,毫米波在 30 ~ 300 GHz 频率范围内广播,能够提供比前几代频谱高得多的带宽以及更低的延迟等额外好处。.然而,毫米波(波长为 1 ~ 10 毫米)不能轻易穿过建筑物和其他障碍物,并且很容易被雨水、树叶等吸收。解决毫米波传播问题的一种方法是使用 5G 小基站。与传统蜂窝基站相比,小型蜂窝基站尺寸要小得多,能效更高,而且价格也越来越便宜。由于其固有的频谱效率,小型蜂窝还可以增加无线容量以连接更多设备,提供更大的数据流量。在数字通信环境中,5G 网络还具有其他一些独特之处(见图 1)。

 1诠释了5G 连接的一些性能指标。(来源:贸泽电子

无处不在的连接

在所有垂直行业中,物联网 (IoT) 的应用已经在加速普及。目前,通过物联网可以连接传感器、执行器、泵和汽车等实际设备。未来几年,数十亿台此类设备将会需要网络连接,以便与基于云的服务进行可靠通信。 通过5G小基站技术增加的容量可以支持大规模的物联网设备和机器对机器 (M2M) 连接,与 4G LTE 相比,5G可提供 1,000 倍的带宽,10,000 倍的流量,每单位面积可支持100 倍的连接设备数量。

实时性能

在物联网达到工业规模时,连接性必须支持机器设备的远程控制、无人机和机器人应用、时间敏感的工业控制回路、无人驾驶汽车导航、远程手术等应用。对于这些关键任务应用,只有高数据吞吐量还远远不够,为了达到实时性能,延迟也必须非常低。5G 标准将宽带无线服务从移动互联网容量扩展到需要超可靠、快速和关键任务通信的物联网应用。

能源效率

4G 主要是一种移动解决方案,而 5G除了增强移动性之外,还可支持固定无线和工业物联网应用,这些应用中的设备往往需要在恶劣环境下运行,电源能量有限,并且需要运行数十年时间。这就是为什么与 4G 相比 ,5G 的设计目标是最多可减少 90% 的功耗,并且物联网设备的电池寿命需要长达 10年。

安全可靠

相对而言,通过无线连接的通信更容易被拦截,也更容易在过程中受到攻击。在物联网应用中,低功耗无线连接容易出现比特率错误和连接中断。 5G 的可靠性设计预计将提供 99.999% 的有效性,也包括相互认证、本地安全保证、传输层安全 (TLS) 加密和 5G 电子产品的无线 (OTA) 固件更新等功能。就像虚拟化硬件平台上的虚拟设备一样,5G 网络资源可以分割成许多“网络切片”,5G 网络切片使服务提供商可以构建虚拟的、特定于应用的端到端网络,从而提供额外的安全性。

在连接环境中规划5G 网络

5G推出带来的兴奋并不一定会导致快速弃用(或淘汰)现有技术。事实上,时间敏感网络(下一代电气和电子工程师协会 [IEEE] 802.1 以太网)的持续创新、低功耗广域网 (LPWAN)、Wi-Fi以及LoRa®等技术也会越来越受欢迎。

即便5G 标准大规模推出部署之后,在可预见的未来,5G 技术仍将与其他技术共存。在许多应用场景中,5G 技术将与这些技术相互补充。

光纤和固定宽带

德勤(Deloitte)在2017 年发布的“通信基础设施升级(Communications Infrastructure Upgrade):对深层光纤的需求”研究表明,只有 11% 的互联网流量是通过无线连接传输,而 90% 的流量是通过有线网络传输。光纤网络能够提供高吞吐量和高带宽,以及长距离、低延迟。在带宽和速度方面,5G 无线和光纤不相上下。然而,作为连接解决方案,这些技术彼此竞争较少,互补性较强。5G 网络的质量和可靠性将取决于基于光纤的有线网络,因为这些光纤有线网络会用于在小基站之间进行流量回程传输。

在智能家居和办公室中,5G 小基站接入点可以增强室内覆盖光纤和同轴电缆宽带互联网解决方案。 5G 无线通信在速度和灵活性方面可能会取代工业和城市基础设施中的传统有线网络。然而,在数据中心基础设施和云计算服务器中,有线技术的稳健性和成熟度至关重要,光纤和固定以太网技术将继续占据主导地位。

LPWANs

用于物联网应用的 LPWAN 技术需要如下主要功能:

  • 设备芯片组具有低处理功率和低传输功率,以及超过 10 年的电池使用寿命,能够支持长期使用。
  • 更广的覆盖范围(郊区超过 10 公里;城市超过 5 公里),在建筑物和地下室具有良好的穿透性。
  • 设备能够间歇性地发送少量脉冲串数据,所支持的数据速率较低(每秒0.3 比特 至每秒 50K比特),通常约为每天 10K比特。
  • 以较低的总体拥有成本实现安全的数据传输。

LPWAN 技术在物联网边缘部署中已经很普遍,其中许多低成本物联网设备(例如传感器和仪表)分布在操作环境外的扩展区域。 即使 5G 无线已经完全准备好用于商业用途,LPWAN 的采用预计将在未来几年全球物联网市场呈现增长。 LPWAN 技术将适用于 5G 的高数据速率和低延迟并不是特别重要的领域。

这些通用要求已在多种 LPWAN 技术中实施。以下是 5G 连接背景下常见 LPWAN 技术的简要综述:

窄带物联网

窄带物联网 (NB-IoT) 传输的设计原则是使用更有限的带宽,因此更节能。NB-IoT 用户设备的目标旨在实现超低复杂性和更低成本,NB-IoT 具有更高的频谱效率,每个小区最多可以连接 50,000 个设备。 NB-IoT 可以穿透建筑物和地下区域(室内覆盖可达20dB 或更多),适用于具有静态资产的智慧城市应用。

Sigfox®

Sigfox 是一项专有技术,目前已经应用于欧洲市场,并得到了许多电子供应商的支持。 Sigfox 使用慢调制速率来扩展覆盖范围,适合于智能停车传感器、智能垃圾桶和公用事业仪表等应用,这些应用中的低成本设备需要向物联网网关上传少量、不频繁的脉冲数据串。

用于机器设备 LTE

用于机器设备的 LTE (LTE-M) 是一项相对较新的创新技术,其功率效率仍在评估中。它可以搭载现有的 4G-LTE 连接(并且可以发展为兼容 5G)以支持移动物联网资产(如车辆和无人机)的漫游。 LTE-M 电子设备是最昂贵的选项之一,因为它们可以提供比其他 LPWAN 选项更高的数据速率。物联网边缘的数据丰富应用可以从 LTE-M 中受益。

LoRa

LoRa 是 Lora Alliance™ 的远程、低功耗、低数据速率连接标准,这种技术 旨在使大型网络运营商能够提供基于订阅的 LPWAN 服务。LoRa 使用未经许可的频谱(sub-GHz 射频;例如北美的 915MHz),但依赖于额外的安全层,因为 LoRa 设备不使用订户识别模块 (SIM) 或机器识别模块 (MIM) 进行设备身份验证或加密。

5G 网络和 LPWAN 有望在各种端到端物联网部署中相互补充。例如,在远程手术应用场景下,通信的时间敏感性需要实时数据传输,这些应用比较适合采用低延迟 5G 蜂窝网络。然而,例如在医院,远程手术还涉及边缘的传感器网络,以在本地收集和处理关键信息。对于这些边缘传感器网络,LPWAN 连接是更为可行的选择。

个人局域网 (PAN) 和局域网 (LAN)

对于家庭和企业的本地连接,Wi-Fi® 和蓝牙® 技术(基于 IEEE 802.11 标准)以及蓝牙低功耗是常见的技术选择。Zigbee®、ISA100.11a、6LoWPAN、WirelessHART® 和 Z-Wave®等基于 802.15.4 的技术支持企业物联网应用,可用于资产和资源跟踪等应用。

就像有线和光纤宽带解决方案一样,5G 固定宽带和蜂窝网络应该与Wi-Fi 和蓝牙相互补充。 3GPP 的第 16 版(Release 16)将包括 5G 新无线电 (NR)-未授权标准,该标准支持现有的 5GHz 和 6GHz(“绿地”)免授权频段。 5G免授权频谱的一个非常有前景的应用是企业、大型体育场馆和商场中的类似Wi-Fi专用网络。

卫星

在连接生态系统中,虽然卫星技术能够提供高带宽和高可靠性,但它们非常昂贵。因此,卫星仅服务于少量应用。机载连接、货运和使用全球定位系统 (GPS) 跟踪跨越海洋、偏远地区、服务欠缺地区和移动网络出现故障的灾区的飞机、车队等都是卫星应用的一些场景。

在一些地区,由于经济和其他地理位置限制等原因而无法使用蜂窝连接,卫星连接可以扩展 5G 网络的覆盖范围,从而能够增强 5G 无线通信以提供无处不在的连接。

蜂窝:4G-LTE

4G-LTE 于 2009 年开始推出,在 5G 之前的时期,它是最先进的蜂窝技术,峰值速率高达 1Gbps,延迟为 30 ~70 ms。凭借 10Gbps 的数据速率和不到 1ms 的延迟,5G 无线技术有望将蜂窝网络发展为超高速、快响应的高能效连接。

4G 网络的部署仍在全球范围内提供服务,在达到5G 网络普及以及 5G 芯片组和设备以商业规模进入市场之前,可能还需要一些时间。即使在 5G 推出后,不需要超高数据吞吐量和超低延迟的应用也可以继续使用 4G。 5G NR 标准旨在与 4G 核心网重叠和共存,因此,至少从技术设计的角度来看,兼容性已经在4G 和 5G 无线蜂窝服务中得到充分考虑。

结束语

2020 年是 5G 连接的元年,移动运营商和原始设备制造商 (OEM) 正准备在一年内推出商业化的 5G 网络。尽管如此,现实情况是某些 5G 标准仍在制定中,并且仍在进行一些测试以认证 5G 功能。

5G做出了大胆的承诺,但在现实世界中实现5G雄心勃勃的性能目标也带来了前所未有的挑战。为了在未来采用和创建支持 5G 的应用和电子产品,重要的是要跟上正在进行的 5G 测试和开发。5G 社区还需要以创新的方式思考,以克服遇到的技术挑战,并评估 5G 无线网络在快速发展连接生态系统中的适用性。

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