物联网设备制造商如何利用5G蜂窝网络技术的新功能

作者：Rabee Alhayek，EMEA垂直细分市场经理（无线连接）

移动电话网络（或蜂窝通信）行业喜欢给人一种印象，即其技术在一系列偶然的但巨大的飞跃中得到了发展。它使用的术语反映了这一点：从2G到3G再到4G，再到现在的5G，它把每个阶段都视为全新的“新一代”。可以认为这意味着移动电话网络的每次迭代都是全新的，并且随着其诞生，前一代产品将要被淘汰。

这在市场营销方面效果很好，使整个行业都为每个新一代产生了极大的兴趣 - 这种兴趣促进了更换手机以及支持它们的基础设施的销售。

但是，这对于需要通过蜂窝网络连接到云的物联网设备开发人员有多大帮助？新一代5G设备的推出对当今的嵌入式设备制造商（在许多情况下都使用2G、3G或4G网络将其产品连接到互联网）有多大影响？

演化不是革命

毫无疑问，5G技术的推出对物联网设备制造商产生了重大影响：5G技术的开发在某种程度上正是为了实现无所不在的网络的愿景。例如，在“智慧城市”中，技术架构师预计，将出现由数千个微基站服务的数百万个密集的物联网设备。5G技术使成千上万的设备能够通过同一共享基站获得互联网访问。因此，智慧城市技术是5G的现实使用案例，其中每个路灯柱、交通信号灯、广告显示面板、公交车站或电车站以及电动汽车充电站都有自己的互联网连接。对于物联网设备制造商而言，这种大规模部署云连接的愿景将影响产品开发计划。

但是，让我们不要被手机行业的营销策略所欺骗：蜂窝网络技术实际上并没有巨大的飞跃发展，而是采取了一系列小步骤，逐步引入新功能和特性，并进行验证和完善，然后将它们嵌入到将来的迭代中。

因此，例如，复杂的天线设计（称为多入多出MIMO阵列）是长期演进技术（LTE）4G网络的最新迭代的功能，但是当部署在5G基础架构中时，它们将成为现实。

对于物联网设备设计人员而言，最重要的巨大变化不是从4G到5G的这一步，而是已经发生的一步：移动宽带和移动窄带网络在4G节点上的分裂，如图1所示。

图1：蜂窝网络中最重要的发展是窄带技术的引入（图片来源：富昌电子）

如图所示，在4G节点上突然出现了分叉：对于低功耗要求和低数据流量的机器来说，与需要移动宽带功能且具有大电池容量的消费类手机共享相同的网络系统不再可行。

图1还显示，5G窄带网络技术是Cat-M1和NB-IoT等前代窄带系统的自然发展。

5G如何支持物联网用例

那么物联网设备设计人员需要如何积极地准备开发其产品以利用5G功能呢？实际上，2020年全球主要城市已经开始进行5G部署。5G网络的架构规定了三种主要的用户类别（见图2）：

· eMBB（增强型移动宽带）– 支持很高的数据传输速率，例如足以使消费者在手机上观看高清或超高清内容

· uRLLC（高可靠低延迟通信）– 提供低延迟、确定性的数据传输操作，用于安全关键型和高可靠性应用，例如自动驾驶汽车和车对车通信

· mMTC（大规模机器类型通信）– 5G风格，支持极高密度的IoT设备连接 – 在仅1km2的区域中多达100万个互联设备

图2：5G技术的三种主要类型的应用（图片来源：富昌电子）

对于当今通过蜂窝低功耗广域网（LPWAN）技术（例如CATM或NB2）连接的设备，5G网络的mMTC元素将提供其所需的低功耗操作和可靠的连接。

如今，新的5G技术的功能已被引入可用于开发中的嵌入式产品的组件中：到2020年初，由于新的射频IC实现了新功能，即省电模式（PSM）和扩展不连续接收（eDRX）–– 5G mMTC规范的核心要素，因此它们可提供更好的连接性和更低的功耗。

当然，嵌入式设备设计中采用的5G技术的类型完全取决于用例。为物联网系统选择合适的5G技术应考虑到图3中的七个重要标准：

图3：5G技术的三种类型具有对比和互补的特征（图片来源：富昌电子）

如图所示，mMTC在电池寿命和连接密度方面得分很高，但针对固定位置进行了优化，因为它在移动性上得分很低。例如，执行移动资产跟踪的物联网设备通常可以使用其他5G技术（如uRLLC）实现更好的效果，同时在功耗方面实现折衷。

5G组件供应商路线图

蜂窝网络是一个动态的商业和技术环境：尽管如此，对于嵌入式设备制造商而言，有一条明确的途径可以将4G的窄带和低功耗功能扩展到5G时代。同时，工业市场将得益于5G的uRLLC和mMTC类型，在工厂自动化和工业4.0中实现新的连接应用。

5G调制解调器的低功耗功能将提供更长的电池寿命，并能够更快地与网络连接及断开连接，从而使设备能够唤醒并传输信息，然后快速断开连接并返回睡眠模式。

从组件供应商的角度来看，网络覆盖范围的短期状况尚不清楚，因此他们采取了开发支持CATM、NB-IoT和2G后备的组合型调制解调器的策略，以最大程度地降低近期上市的项目的开发风险。

但是，对于物联网和移动宽带应用而言，未来几年5G网络和5G生态系统将快速增长，嵌入式开发人员应立即准备好使用新技术。

富昌电子可以支持开发人员向5G演进。目前，富昌电子通过提供Gemalto（Thales集团的一部分）、Fibocom、Murata和Renesas等制造商的支持5G的LPWAN产品和模块来实现这一目标。此外，富昌连接事业部的专家以及位于法国巴黎的卓越连接中心也提供专业技术建议，为客户向5G过渡提供支持。