5G连接是否适合产品设计和应用？

摘自——eeworldonline，Jon Gabay

今天几乎每个人都有无线服务。自从早期模拟无线服务引入数字3G和4G以来，大多数公司都依赖其无线服务供应商和设备来保持与我们快节奏、实时的连接。现在，工程师们正在研究5G连接，以评估它是否适合他们的设计和应用。

5G并不是唯一的协议和标准，甚至也不是最适合许多特定设计和未来产品的协议和标准。许多成熟、功能丰富的无线协议、设备和开发模块都是现成的，可以快速启动设计并尽快运行。

虽然上市时间很重要，但它不是唯一的约束力。在我们的无线世界里，设备和功能的整个生态系统都在它们自己的频段里，以一种较少的方式与他人互动。什么样的标准和协议最适合你的需要取决于你在生态系统中属于什么类型。让我们来回顾一下。

你到底需要什么？

最好的不一定是最合适的。我们都想要1ms的延迟，以及5G承诺的10Gbs数据速率。但就我们的需要而言，这似乎有点高射炮打苍蝇——小题大做的意思。

如果一个正在进行救生手术的移动机器外科医生需要低延迟和高速双向视频和音频流，以及触觉反馈和大量传感器和执行器。那么5G在这里将会派上大用，但自动化公寓中的电灯开关就不需要这么做。

移动设计通常有低功耗的限制，但也可能利用广泛部署的3G、4G和5G无线网络。固定位置设计可能会在本地获取电力，甚至从环境中获取能源，从而实现长途无线连接。

例如，部署在固定区域的分布式传感器阵列，无法承担使每个传感器都能实现5G的成本负担。首先，在量产之前，设计成本、认证时间以及每个传感器每月所需服务的额外成本将使其无法实现。取而代之的是，一种成本更低、已建立的替代无线协议可以用来允许每个传感器与单点聚合器通信。因为组件、开发工具包和开源软件很可能已存在，所以需要进行设计测试。这可以是中心点星形体系结构或Mesh 网络。这在很大程度上取决于你需要穿越的距离和数据速率。

通常，大型分布式传感器网络（如环境传感器、地质传感器、放射性传感器等）只会时不时地传输短时间数据。即使发射功率可能在瞬间更高，平均数据速率和功率也低于更紧凑、更高的数据驱动设计。通常，对于我们的环境传感器来说，延迟也不应该是一个问题。

此外，如果想使整个网络具有全局可访问性，只需要一个聚合器或网关就可以。这大大降低了运营商成本。在这个低成本、低数据速率、长延迟的例子中，聚合器可以是3G或4G，而且性能非常好，因为3G和4G在几乎所有地方都得到了更广泛的部署，所以没必要使用5G设备。

回归基础

对许多公司来说，产品上市时间至关重要。使用更新的技术总是比使用经过验证的解决方案更有风险。在这方面，3G和4G等更成熟的标准为设计师提供了更多选择，使他们的设计能够适应现成的部件和开发环境。

当在一个设备内实现多个无线通信链路时，其他的问题也开始发挥作用。需要考虑频带重叠、共用天线、计量功率、信标和收听特性。

在我们的手机里已经有了无线多端口通信3G/4G， Wi-Fi和蓝牙。值得庆幸的是，超高产量的手机制造为我们可以使用更强大、更低成本的技术铺平了道路。但较之物联网设备，很少有设计师在设计手机。

就本质而言，物联网将为全球可访问的网络添加更多连接设备。

我们提到了用于生活上的大量环境传感器阵列和自动化远程控制技术，如电灯开关、温度和湿度传感器。此外，我们还拥有一些医疗设备，可以穿戴或植入体内，用于治疗和锻炼。发电厂、水处理设施、交通灯、工厂和自动驾驶汽车等，这些表明了我们对设计和通信基础设施的一系列需求。

最常见的选择是Wi-Fi和蓝牙。Wi-Fi被大量部署，大多数设施、商业、工业和消费场所都提供Wi-Fi连接。对于内部设施来说，拥有多个路由器、网桥、网关甚至网格拓扑是一个很好的选择，但体育场问题就不是一回事了。

当成千上万的用户聚集在带宽、通道和套接字有限区域时，将会发生服务退化。这就是所谓的体育场效应。在体育场，每个人都通过手机向朋友直播比赛。在某一时刻，可用带宽超了，服务将被中断。手机基站附近的3G和4G服务也是如此，这些基站已经超额“订购”了。

对于必须争夺带宽时间片（time slices of bandwidth）的物联网设计，或许替代协议更合适。例如，ZigBee已经存在多年，得到了许多设备制造商的支持，并提供了开源代码。它是一种Mesh网络拓扑结构，通过存储和转发数据包可以跨越很大距离。它可以与3G/4G/Wi-Fi和蓝牙共存，用更少的设备和所需的空间创建一个独立网络。例如，安全网络可以从这种供不应求的网络中受益。

还有像远程LoRa这样的长距离子网使用的915MHz频段完全不包括3G/4G/5G、ZigBee、蓝牙和Wi-Fi。对于广泛分布的拓扑结构，如海洋和地震传感器，可能是一个理想选择。

LoRa远程协议可用于为传感器或物联网集群创建一个独立的广域网，这些传感器或物联网集群聚集成一个中央4G或5G连接。

云端的好处

尽管云最初是用于存储和备份，但它已经发展成为客户端应用程序的服务器。这意味着应用程序和数据是远程存储，而我们的移动设备只是进入云窗口的终端。运行在云中的应用程序只需要刷新我们的远程设备。

这有好也有坏。好处是，大数据集可以在需要的时候存储和检索，我们的设备可以释放本地内存。从云存储到云处理的数据传输完全在后台进行，速度更快，而且不会浪费我们在设备内移动文件的时间。

这种方法依赖于连接性。如果您没有应用程序和数据的本地副本，如果连接失败，您将彻底失败。然而，这也为更复杂的应用打开了大门，如自动驾驶汽车、无人机、农业设备，或许有一天，在飞机上也可以。

我们的手持设备可能不包含所有关于交通、事故和弯路的信息，但云可以。这意味着高端处理可以在后台透明地进行，而标记化的命令和响应是在云和终端设备之间发送的。

这可以降低总体数据需求，尤其是5G所承诺的低延迟。它还可以为其他关键基础设施服务提供更多数据带宽，比如广泛分布在城市景观中的高分辨率监控摄像头。

总的来说，远程手持设备的带宽和内存是有代价的。在某种程度上，即使是手持设备也需要大量的快速数据流。更高分辨率的显示器，更快的刷新率，以及沉浸式虚拟现实等应用程序使数据量和所需的速度成倍增加。例如，二维平面屏幕可能要使用4K x 4K像素；三维虚拟现实耳机需要存储360度的数据，才能对头部动作做出足够快的反应。

那么，5G给了我们什么？

与4G相比，5G服务器提供的带宽要多1000倍。单凭这一点就很令人惊讶，特别是考虑到之前所说的数据密集型应用程序。这里一个主要的好处：5G可以处理潜在流量，随着物联网升温，更多的连接设备将争夺通道空间。

5G声称能够处理超过10000倍的流量，在短期内，这将消除与超额订阅相关的延迟，并随着物联网的发展，为更多的联网设备提供一种结构。这是4G连接设备数量的100倍。

5G的10Gb/s最大传输速度比4G的1Gb/s速率快10倍，但延迟差异让人大开眼界。4G技术有30到70毫秒的延迟。看起来似乎不多，但如果您试图通过网络远程与其他音乐爱好者一起练习，这就显得迟钝了。所有玩家之间可变的延迟时间将使合成结果不同步。

但5G 1ms延迟的承诺，可以让你在线欣赏音乐、看足球比赛。而且，语音对话中的数字延迟不再会让我们抓狂。

这些性能的提高使得自动驾驶汽车更有可能实时安全地适应环境。想像一下，如果一辆112.63km/h的自动驾驶每毫秒都能监控和调整路线，你会感觉无比的畅通。无人机、机器人和自动化工厂也是如此。

还有一个尚未证实的说法是，5G设备所需的电力将比同类4G设备少90%。只有当5G微基站遍布各地时，设备才不需要使用那么多传输能量来冲击基站。即便如此，这也意味着使用能量采集的远程应用（如地震传感器）可以永远运行。

产品应用案例

事实上，4G甚至还没有在所有地方部署。在发展中国家，没有固定线路，整个通信基础设施将是无线的。使用4G技术的设计正在扩展，许多应用程序可以很好地使用4G连接。

u-blox的SARA-R510M8S-00B等成熟产品通过LTE-M无线连接，SARA-R5 LTE-M和NB-IoT蜂巢式系列产品现已开始量产，并通过北美多家主要通信业者的LTE-M认证。SARA-R5系列是第一款内置UBX-R5晶片组并获得北美通信业者认证的产品。UBX-R5是u-blox自行开发的低功耗广域（LPWA）晶片组，已于2020年初获得MNO（行动网络业者）认证，同时也是首款通过全球认证论坛（Global Certification Forum；GCF）认证的IoT晶片组。在3.8V时，它在传输时功耗为395ma，很容易放置在标准电路板设计上。

SARA-R5系列适用于LPWA IoT应用，例如工业自动化、感测器应用、连网医疗装置、智慧量表、资产和车辆追踪，以及资通讯系统等。透过设计确保其安全性，该系列提供了强大的云端连接功能。

虽然4G基站仍在建设中，但随着设备、设备和需求的增加，对现有基站和5G服务器基站的改造将增加。

目前，5G仅仅是作为高视距塔之间的短距离主干链路。随着5G芯片组件的出现，即便不是手机制造商也能获得部件、开发系统和源代码。

例如，ADI正在生产集成5G系统的几个关键部件，如ADMV4801射频收发器和波束形成器。波束形成是5G一个重要组成部分，5G服务器和设备可以将发射目标定位为更强大的定向通信波束。该部分工作在24GHz到29.5GHz范围内，支持16个发射机通道和16个接收器通道。匹配的50 Ω输入和输出阻抗使其易于与标准天线和射频组件接口。它保留了用于波束定位的存储器，这对重建固定的点对点位置的通信很有用。

ADMV1017 24GHz至29.5GHz 5G升频/降频转换器是毫米波 （mmWave） 5G新解决方案组合的一部分。通过与它的结合，形成一个可行的、低风险的5G嵌入式解决方案。升频/降频模式包括直接（从差分基带）或单端中频IF到射频RF边带上变频。它具有直接向下转换器，图像拒绝，或单端复杂模式。

结论

随着设备制造商和服务提供商部署更多的发射塔和基础设施，5G频谱将充满流量。随着光束转向和新频段能量的增加，我们需要确定这项技术对有机生物的安全性。虽然很少有非商业导向的研究，但这是一种很有可能产生突变的聚焦波长。

展望LPWAN技术作为子网无线伙伴的前景，因为它与5G很好地共存。未经许可的标准，如3GPP的Release 16，支持5G NR未经许可的频段和其他选项也存在。

窄带射频子系统一直是很有前景的选择，并且已经证明有能力在安排的集群中处理50，000个设备。窄带可以使用更少的电力，而且在那些难以到达的地方更容易穿透墙壁和地板。

体育场、音乐厅和大型集会场所有望在5G空间内看到类似Wi-Fi的私人网络。可以看出，5G空间将出现新的划分，为自动驾驶、无人机、发电厂和医疗植入设备等关键任务提供更高的可靠性和更少的干扰。

基于Wi-Fi、6LoPAN、蓝牙、ZigBee等集群网络也将生活在这个生态系统中，并很有可能在某一时刻聚集到5G领域。对使用协议和波段的巧妙划分以及使用可以决定专门针对物联网的下一代设计的有效性。

编辑：hfy