5G在连接生态系统中的位置如何

预计很大比例的美国家庭将拥有 4K 和 8K 电视，因为它变得更容易获得且更具成本效益。有线宽带可以支持家庭中的 4K/8K 视频流，但它不能支持移动中需要大量数据的应用程序。

为此，世界大部分地区都依赖第五代 (5G) 网络。在 5G 蜂窝网络中，峰值数据速率为每秒 10 吉比特 (Gbps)，这意味着下载一部 1.2 吉字节 (GB) 的超高清 (UHD) 电影只需不到一秒的时间。与其第三代合作伙伴计划 (3GPP™) 的前身（2G 和 3G/4G LTE）相比，5G 的扩展容量是移动连接方面的一大进步。

就像摩尔定律一样，尼尔森的互联网带宽定律预测带宽使用量每年将增加 50%。为了帮助跟上带宽需求的指数增长，5G 无线将需要提供。

随着设备制造商和应用开发商为支持 5G 的产品和服务做准备，评估 5G 在各自用例中的适用性非常重要。5G 作为一种超低延迟宽带无线技术的巨大前景必须与连接生态系统中的其他技术进行衡量。例如，存在几个产品类别，5G 网络可能不是一个现实的选择。在确定是否采用 5G 而非其他连接选项时，性价比是至关重要的考虑因素。

本文帮助系统工程师评估 5G 在现有连接生态系统中的可行性。

5G 连接有什么区别？

我们已经进入了一个由基于云的连接应用程序主导的时代。每个垂直行业都在向服务模式过渡，其中基本功能从云端分配。这种转变迫使我们以不同的方式思考连接性。

这就是 5G 的用武之地。5G 标准提供了一个全新的连接框架。从这个意义上说，5G 为现有的连接概念铺平了颠覆性的进化道路。

除了使用现有长期演进 (LTE) 范围内的频谱外，5G 还使用毫米波 (mmWave) 频段中的未授权频谱。根据 IEEE Spectrum 中一篇题为“5G 字节：毫米波解释”的文章，毫米波在 30 到 300 吉赫 (GHz) 频率范围内广播，提供比前几代频谱更高的带宽以及更低延迟的额外好处. 然而，毫米波（长度为 1 到 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 小型蜂窝。与传统的蜂窝基站相比，小型蜂窝基站的尺寸要小得多，能效更高，而且价格也越来越便宜。

其他一些因素可以区分数字环境中的 5G 网络（图 1）。

 

图 1：此快照图捕获了 5G 连接性能指标。（来源：贸泽电子）

无处不在的连接

物联网 (IoT) 的采用已经在所有垂直行业中加速发展。物联网目前连接物理设备，如传感器、执行器、泵和汽车。未来几年，数十亿此类设备将需要网络连接，才能与基于云的服务进行可靠通信。5G 小型蜂窝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的单位面积带宽增加1000倍，流量增加10000倍，单位面积连接设备增加100倍。

实时性能

随着物联网达到工业规模，连接必须支持机器远程控制、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程序，高比特率是不够的。为了实现实时性能，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）迎合了设备在恶劣环境中运行、电源有限且运行数十年的固定无线和工业物联网应用。这就是为什么 5G 的设计目的是与 4G 相比，功耗降低高达 90%，物联网设备的电池寿命长达 10 年。

安全性和可靠性

相对而言，通过无线连接进行的通信更容易被拦截，也更容易受到中间人攻击。在物联网用例中，低功耗无线连接容易出现比特率错误和连接中断。5G 的稳健设计预计将提供 99.999% 的可用性，并包括相互身份验证、本地安全元素、传输层安全 (TLS) 加密和 5G 电子设备的无线 (OTA) 固件更新。就像虚拟化硬件平台上的虚拟机一样，5G 网络资源可以被分割成“网络切片”。5G 网络切片使服务提供商能够构建虚拟的、特定于应用的端到端网络，从而提供额外的安全性。

在连接领域映射 5G 网络

对 5G 推出的兴奋并不一定会转化为弃用（或淘汰）现有技术。事实上，时间敏感网络的持续创新（下一代电气和电子工程师协会 [IEEE] 802.1 以太网）；低功耗广域网（LPWAN）；无线上网; 和远程 (LoRa®) 技术也越来越受欢迎。

即使在 5G 标准大规模推出后，在可预见的未来，5G 技术仍将与其他技术共存。在许多场景中，5G 技术将补充这些技术。

光纤和固定宽带

德勤于 2017 年发布的“通信基础设施升级：对深度光纤的需求”研究表明，只有 11% 的互联网流量通过无线连接传输，而 90% 的流量通过有线网络传输。光纤网络在长距离上提供高吞吐量和低延迟的带宽。在带宽和速度方面，5G 无线和光纤是可比的技术。然而，作为连接解决方​​案，这些技术的竞争更少，互补性更强。事实上，5G 网络的质量和可靠性将取决于基于光纤的有线网络在小型蜂窝之间进行流量回程传输。

在智能家居和办公室中，5G 小型蜂窝接入点可以增强室内覆盖光纤和基于同轴电缆的宽带互联网解决方案。5G 无线的速度和灵活性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。

LPWAN

物联网应用所需的 LPWAN 技术功能包括：

• 具有低处理和传输功率以及电池寿命超过 10 年的设备芯片组，以支持长期使用。
• 覆盖范围广（郊区超过 10 公里；市区超过 5 公里），在建筑物和地下室中具有良好的渗透性。
• 设备能够间歇性地发送少量数据，因此支持的数据速率较低（每秒 0.3 位 [bps] 到每秒 50 千位 [Kbps] — 通常约为每天 10 千字节 [KBpd]）。
• 以较低的总拥有成本实现安全的数据传输。

LPWAN 技术已经在物联网边缘部署中流行，其中许多低成本物联网设备（如传感器和仪表）分布在操作环境的扩展区域。未来几年，即使 5G 无线已准备好用于商业用途，LPWAN 的采用预计将在全球物联网市场增长。LPWAN 技术迎合了 5G 的高数据速率和低延迟不太引人注目的用例。

这些通用要求已在多种 LPWAN 技术中实现。以下是 5G 连接背景下常见 LPWAN 技术的快速汇总：

窄带物联网

窄带 (NB)-IoT 传输设计使用更有限的带宽，因此更节能。NB-IoT 用户设备专为超低复杂性和低成本而设计。NB-IoT 具有显着的频谱效率。每个单元最多可以连接 50,000 个设备。NB-IoT 可以穿透建筑物和地下区域（提供 20dB 或更多室内覆盖），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，已经渗透到欧洲市场，并得到许多电子供应商的支持。Sigfox 使用较慢的调制速率来扩展覆盖范围。它适用于智能停车传感器、智能垃圾桶和公用事业仪表等应用，其中低成本设备需要将少量、不频繁的突发数据上传到物联网网关。

用于机器的 LTE

LTE for Machines (LTE-M) 是一项相对较新的创新，其功率效率仍在评估中。它可以搭载现有的 4G-LTE 连接（并且可以演变为与 5G 兼容），以支持车辆和无人机等移动物联网资产的漫游。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的应用程序可以从 LTE-M 中受益。

洛拉

LoRa 是 Lora Alliance™ 的远程、低功耗、低数据速率连接标准。LoRa 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 设备不使用用户识别模块 (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，在远程手术的情况下，通信的时间敏感特性需要实时数据传输。像这样的场景适合低延迟 5G 蜂窝网络。然而，远程手术还涉及边缘的传感器网络，例如在医院场所，以在本地收集和处理关键信息。对于这些位于边缘的传感器网络，LPWAN 连接是一个更可行的选择。

个域网 (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）和低功耗蓝牙是常见的选择。基于 802.15.4 的技术（包括 Zigbee®、ISA100.11a、6LoWPAN、WirelessHART® 和 Z-Wave®）支持资产和资源跟踪等企业物联网应用。

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补充 Wi-Fi 和蓝牙。3GPP 的第 16 版将包括 5G 新无线电 (NR)-未授权标准，该标准支持现有的 5 和 6GHz（“绿地”）未授权频段。5G 免许可频谱的有前景的用例之一将是企业、大型体育场馆和商场中的“类似 Wi-Fi”的专用网络。

卫星

在连接生态系统中，虽然卫星技术提供高带宽和可靠性，但它们价格昂贵。因此，卫星只服务于利基用例。使用全球定位系统 (GPS) 在海洋、偏远地区、服务欠缺地区和移动网络可能出现故障的灾区进行跟踪的飞机、货运和车队中的机载连接是卫星有用的一些场景。

卫星连接可以通过在由于经济和其他位置限制而无法实现蜂窝连接的地区扩大 5G 网络的覆盖范围，从而增强 5G 无线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 之前的日子里，它是可用的最先进的蜂窝技术，峰值速率高达 1Gbps，延迟为 30 到 70 毫秒 (ms)。凭借 10Gbps 的数据速率和小于 1ms 的延迟，5G 无线有望将蜂窝网络发展为超快速、响应迅速、节能的连接来源。

全球 4G 网络的部署仍在进行中。5G 网络普及以及 5G 芯片组和设备以商业规模进入市场还需要一段时间。即使在 5G 推出后，不需要超高吞吐量和超低延迟的用例也可以继续使用 4G。5G NR 标准旨在与 4G 核心网络重叠共存。因此，至少从技术设计的角度来看，4G 和 5G 无线蜂窝服务已经内置了兼容性。

结论

5G 在全球范围内的加速部署和实施将在 2021 年继续，北美紧随其后，欧洲和东亚将处于领先地位。东南亚和南美洲几乎每个国家都通过大力投资 5G 技术来反映这一趋势。以如此快速的部署速度，5G 覆盖率可能很快在某些国家达到 50% 以上。5G 通信不仅可以为智能手机带来更快的上传和下载速度，还可以降低从联网汽车到物联网设备到实时控制执行远程医疗程序的医疗机器人的所有通信延迟。

审核编辑：符乾江