5G 的承诺：纯属炒作还是确能兑现
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。
