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5G 的承诺:纯属炒作还是确能兑现

关键词:5G

时间:2022-03-25 09:37:56      来源:Digi-Key

在显著加速业务流的同时,能将成本降至最低并且确保质量,这样的技术一直受公司大力追捧。如果业务创新者设计的物联网产品既能满足公司对速度的要求,又能帮其将成本降至最低,他们就能从中获利。

作者:Walter N. Maclay, 总裁, Voler Systems

在显著加速业务流的同时,能将成本降至最低并且确保质量,这样的技术一直受公司大力追捧。如果业务创新者设计的物联网产品既能满足公司对速度的要求,又能帮其将成本降至最低,他们就能从中获利。

第五代无线通信技术 (5G) 是一项前景光明的技术,可用于构建物联网解决方案,实现极快、极可靠却成本低廉的机对机通信。

不过,尚属新兴技术的 5G 确能兑现所有承诺吗?那些“大肆宣传”的承诺确能兑现,抑或纯粹只是鼓吹?

5G 的承诺

很多人都认为 5G 将能支持一些“类似科幻”的用例,令前几代无线技术望尘莫及。在速度、延迟和频谱等方面,即便是 4G,对比 5G 也只能望洋兴叹(见图 1)。


图 1:4G 与 5G 宣传功能的对比。(图片来源:Voler Systems)

5G 的业务应用范围广泛,包括为智能运输和超互联医疗提供专用网络。利用公路和铁路中的嵌入式传感器与智能车辆之间快速、可靠的无线通信,智能运输将可实现全新的服务。同时,也将提高智能运输系统的可见性和控制能力。

在医疗保健领域,人们期望借助 5G 技术预测潜在的个人健康问题,并安排早期医疗干预措施,从而改善患者的疗效和健康。该技术还可通过远程机器人手术等应用,帮助实现可持续的医疗卫生服务。正因如此,许多富有远见的医疗保健组织,例如芝加哥的 Rush Hospital 都计划改用 5G 连接。

然而,实际情况更为复杂

很多不同的因素都会影响或阻碍企业充分实现 5G 的潜力。首先,我们来探讨一些重要的 5G 基础知识:

频带

5G 性能取决于可用频带(参见图 2)。例如,在低频段频谱(低于 1 GHz)中,峰值数据速率仅达 100 Mbps,在中频段频谱(1 GHz 至 6 GHz)中高达 400 Mbps,而在高频段频谱(6 GHz 至 86 GHz)中则高达 10 Gbps。但是,高频段频谱或毫米波 (mmWave) 的可用性有限。

而且,毫米波信号的传输距离不超过 100 米,而且无法穿透墙壁,甚至窗户。由于对基站密度有一定要求,因此只能在人口密集的城区使用,但是城区的建筑物又会阻隔信号。不过,物联网往往不需要使用毫米波的高速传输。


图 2:5G 的三个主要频带频谱(图片来源:Voler Systems)

5G 服务类别

5G 服务共分为三类,分别是增强型移动宽带 (eMBB)、超可靠低延迟通信 (URLLC) 和海量机器类通信 (mMTC)。每种类别都有各自的特点、应用和局限性。

eMBB 能够实现高达 10 Gbps 的极高数据速率(4G 的 20 倍)、极高的通信容量(100 万台设备/km2)和极低的空口时延(低至 4 ms)。它的用例包括虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR)。该服务类别适用于智能手机、平板电脑和超高清电视(4K 和 8K)广播等智能设备。

不过,eMBB 的性能取决于可用频段。例如,如果可用频段低于 1 GHz,则用户体验将与 4G 大同小异(最高下行速率为 100 Mbps,最高上行速率为 50 Mbps)。4 ms 的延迟仅针对单一方向和最近的手机信号塔,若是远距离传输,则要慢得多。

URLLC 专用于本地部署,例如智能运输系统(基础设施回程)、离散自动化(运动控制)、过程自动化(远程控制)和配电(高压)。它承诺了较低的延迟(低至 1 ms)以及超高的可用性和可靠性 (99.9999%),远胜过 4G。

然而,即使 5G 承诺将从根本上提高 URLLC 性能,远程手术、高速远程连接的视频游戏、家用增强现实等诸多应用实现的可能性仍然不高。对于任何无线连接而言,“99.9999%”的可靠性承诺值得推敲。

mMTC 将支持大规模物联网部署,允许极低的设备成本和极低的能耗。对于智能建筑、物流、追踪、车队管理、可穿戴设备和智能电表而言,该服务颇具吸引力。

但是,mMTC 标准尚未制定完成,因此目前物联网仍由 4G 标准提供支持:NB-IoT 和 LTE-M。

5G 目前还无法兑现所有承诺

mMTC 现下的状态远非宣传所说。目前,5G 还无法兑现所有承诺。mMTC 标准尚未制定完成,而现有的 5G 技术并未针对数据包大小和短会话进行优化。而且,控制信令的效率也比较低,需要 100 B 的信令才能发送 10 B 的数据。此外,现有的信道编码方案对小数据包也无效。仅当信息交换频率极低并且数据速率相当低时,电池续航时间才有可能达到预期的 10 年。

5G 可用性

5G 可用性也是一个决定性因素。截至 2020 年 5 月美国提供了 5G 的城市和运营商如图 3 所示。由此图可知,鉴于以下原因,用户所在的位置及其使用的运营商将会有很大影响:

· 美国仅有四家无线运营商正在部署 5G:AT&T、Verizon、T-Mobile 和 Sprint
· 要使用 5G,就需要 5G 手机或设备
· 农村地区覆盖很少
· 高速毫米波不太可能覆盖郊区或农村地区,因为每 300 米就需要架设一座手机信号塔
· 某些运营商会限速


图 3:5G 可用性地图
红色:T-Mobile,黑色:Verizon,蓝色:AT&T,黄色:Sprint(图片来源:Digital Trends)

现有的物联网服务又如何?

NB-IoT 和 LTE-M(也称为 Cat M 或 Emtc)将与 5G 共存。在美国,NB-IoT 和 LTE-M 覆盖率很高。2019 年 5 月,Verizon 宣布其 NB-IoT 网络覆盖率达到美国人口的 92%。

另一方面,非蜂窝网络服务(ZigBee、LoRa、Ingenu、Sigfox 和 Weightless)不在 5G 技术范畴内,仍将在非授权频段上部署。不过,在很多地方这些网络都不可用。

这对物联网的未来意味着什么?

就目前而言,几乎没有太大的变化。

但是,NB-IoT 和 LTE-M 等 4G 技术到了 2019 年才得以充分部署。它允许电池供电设备直接通过互联网进行通信,而无需经由手机或 Wi-Fi 热点。 如今,这项技术终于有了用武之地。

不过,请注意:每项无线标准都各有利弊(参见表 1)。如需了解物联网设备设计适用的正确标准,并要避免代价高昂的错误及其他物联网设计风险,请咨询物联网设计专家或聘请合格的物联网工程师。


表 1:现有物联网无线标准的比较。(图片来源:Voler Systems)

总结

就部署物联网和 5G 技术而言,很多行业可谓时机成熟。不过,5G 尚处于稚嫩的发展初期,因此还无法兑现所有承诺。尽管如此,5G 这项前景光明的新技术必将使企业受益。

如果业务创新者设计的物联网设备同时兼容 4G 和 5G、安全又可靠,将有助于 5G 承诺的兑现。然而,这并不是一项简单的任务,需要专家提供帮助。

在下一代物联网设备和可穿戴设备的设计和开发方面,Voler 可为企业提供专家指导。Voler 可帮助您为物联网设备选择合适的技术,并选定适当的电子元器件组合以确保安全性和可靠性。如需了解更多信息,请预约安排与 Voler 的讨论。

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