預計很大比例的美國家庭將擁有 4K 和 8K 電視，因為它變得更容易獲得且更具成本效益。有線寬帶可以支持家庭中的 4K/8K 視頻流，但它不能支持移動中需要大量數據的應用程序。

為此，世界大部分地區都依賴第五代 (5G) 網絡。在 5G 蜂窩網絡中，峰值數據速率為每秒 10 吉比特 (Gbps)，這意味著下載一部 1.2 吉字節 (GB) 的超高清 (UHD) 電影只需不到一秒的時間。與其第三代合作伙伴計劃 (3GPP?) 的前身（2G 和 3G/4G LTE）相比，5G 的擴展容量是移動連接方面的一大進步。

就像摩爾定律一樣，尼爾森的互聯網帶寬定律預測帶寬使用量每年將增加 50%。為了幫助跟上帶寬需求的指數增長，5G 無線將需要提供。

隨著設備制造商和應用開發商為支持 5G 的產品和服務做準備，評估 5G 在各自用例中的適用性非常重要。5G 作為一種超低延遲寬帶無線技術的巨大前景必須與連接生態系統中的其他技術進行衡量。例如，存在幾個產品類別，5G 網絡可能不是一個現實的選擇。在確定是否采用 5G 而非其他連接選項時，性價比是至關重要的考慮因素。

本文幫助系統工程師評估 5G 在現有連接生態系統中的可行性。

5G 連接有什么區別？

我們已經進入了一個由基于云的連接應用程序主導的時代。每個垂直行業都在向服務模式過渡，其中基本功能從云端分配。這種轉變迫使我們以不同的方式思考連接性。

這就是 5G 的用武之地。5G 標準提供了一個全新的連接框架。從這個意義上說，5G 為現有的連接概念鋪平了顛覆性的進化道路。

除了使用現有長期演進 (LTE) 范圍內的頻譜外，5G 還使用毫米波 (mmWave) 頻段中的未授權頻譜。根據 IEEE Spectrum 中一篇題為“5G 字節：毫米波解釋”的文章，毫米波在 30 到 300 吉赫 (GHz) 頻率范圍內廣播，提供比前幾代頻譜更高的帶寬以及更低延遲的額外好處. 然而，毫米波（長度為 1 到 10 毫米）不能輕易穿過建筑物和其他障礙物，并且很容易被雨水、樹葉等吸收。解決毫米波傳播問題的一種方法是使用 5G 小型蜂窩。與傳統的蜂窩基站相比，小型蜂窩基站的尺寸要小得多，能效更高，而且價格也越來越便宜。

其他一些因素可以區分數字環境中的 5G 網絡（圖 1）。

圖 1：此快照圖捕獲了 5G 連接性能指標。（來源：貿澤電子）

無處不在的連接

物聯網 (IoT) 的采用已經在所有垂直行業中加速發展。物聯網目前連接物理設備，如傳感器、執行器、泵和汽車。未來幾年，數十億此類設備將需要網絡連接，才能與基于云的服務進行可靠通信。5G 小型蜂窩技術增加的容量可以支持大規模的物聯網設備和機器對機器 (M2M) 連接。與4G LTE相比，5G的單位面積帶寬增加1000倍，流量增加10000倍，單位面積連接設備增加100倍。

實時性能

隨著物聯網達到工業規模，連接必須支持機器遠程控制、無人機和機器人應用、時間敏感的工業控制回路、無人駕駛汽車導航、遠程手術等應用。對于這些關鍵任務應用程序，高比特率是不夠的。為了實現實時性能，延遲也必須非常低。5G 標準將寬帶無線服務從移動互聯網容量擴展到需要超可靠、快速和關鍵任務通信的物聯網應用。

能源效率

4G 主要是一種移動解決方案，而 5G（除了增強移動性）迎合了設備在惡劣環境中運行、電源有限且運行數十年的固定無線和工業物聯網應用。這就是為什么 5G 的設計目的是與 4G 相比，功耗降低高達 90%，物聯網設備的電池壽命長達 10 年。

安全性和可靠性

相對而言，通過無線連接進行的通信更容易被攔截，也更容易受到中間人攻擊。在物聯網用例中，低功耗無線連接容易出現比特率錯誤和連接中斷。5G 的穩健設計預計將提供 99.999% 的可用性，并包括相互身份驗證、本地安全元素、傳輸層安全 (TLS) 加密和 5G 電子設備的無線 (OTA) 固件更新。就像虛擬化硬件平臺上的虛擬機一樣，5G 網絡資源可以被分割成“網絡切片”。5G 網絡切片使服務提供商能夠構建虛擬的、特定于應用的端到端網絡，從而提供額外的安全性。

在連接領域映射 5G 網絡

對 5G 推出的興奮并不一定會轉化為棄用（或淘汰）現有技術。事實上，時間敏感網絡的持續創新（下一代電氣和電子工程師協會 [IEEE] 802.1 以太網）；低功耗廣域網（LPWAN）；無線上網; 和遠程 (LoRa?) 技術也越來越受歡迎。

即使在 5G 標準大規模推出后，在可預見的未來，5G 技術仍將與其他技術共存。在許多場景中，5G 技術將補充這些技術。

光纖和固定寬帶

德勤于 2017 年發布的“通信基礎設施升級：對深度光纖的需求”研究表明，只有 11% 的互聯網流量通過無線連接傳輸，而 90% 的流量通過有線網絡傳輸。光纖網絡在長距離上提供高吞吐量和低延遲的帶寬。在帶寬和速度方面，5G 無線和光纖是可比的技術。然而，作為連接解決方??案，這些技術的競爭更少，互補性更強。事實上，5G 網絡的質量和可靠性將取決于基于光纖的有線網絡在小型蜂窩之間進行流量回程傳輸。

在智能家居和辦公室中，5G 小型蜂窩接入點可以增強室內覆蓋光纖和基于同軸電纜的寬帶互聯網解決方案。5G 無線的速度和靈活性可能會取代工業和城市基礎設施中的傳統有線網絡。然而，在數據中心基礎設施和云計算服務器中，有線技術的穩健性和成熟度至關重要，光纖和固定以太網技術將繼續占據主導地位。

LPWAN

物聯網應用所需的 LPWAN 技術功能包括：

• 具有低處理和傳輸功率以及電池壽命超過 10 年的設備芯片組，以支持長期使用。
• 覆蓋范圍廣（郊區超過 10 公里；市區超過 5 公里），在建筑物和地下室中具有良好的滲透性。
• 設備能夠間歇性地發送少量數據，因此支持的數據速率較低（每秒 0.3 位 [bps] 到每秒 50 千位 [Kbps] — 通常約為每天 10 千字節 [KBpd]）。
• 以較低的總擁有成本實現安全的數據傳輸。

LPWAN 技術已經在物聯網邊緣部署中流行，其中許多低成本物聯網設備（如傳感器和儀表）分布在操作環境的擴展區域。未來幾年，即使 5G 無線已準備好用于商業用途，LPWAN 的采用預計將在全球物聯網市場增長。LPWAN 技術迎合了 5G 的高數據速率和低延遲不太引人注目的用例。

這些通用要求已在多種 LPWAN 技術中實現。以下是 5G 連接背景下常見 LPWAN 技術的快速匯總：

窄帶物聯網

窄帶 (NB)-IoT 傳輸設計使用更有限的帶寬，因此更節能。NB-IoT 用戶設備專為超低復雜性和低成本而設計。NB-IoT 具有顯著的頻譜效率。每個單元最多可以連接 50,000 個設備。NB-IoT 可以穿透建筑物和地下區域（提供 20dB 或更多室內覆蓋），適用于具有靜態資產的智慧城市應用。

Sigfox?

Sigfox 是一項專有技術，已經滲透到歐洲市場，并得到許多電子供應商的支持。Sigfox 使用較慢的調制速率來擴展覆蓋范圍。它適用于智能停車傳感器、智能垃圾桶和公用事業儀表等應用，其中低成本設備需要將少量、不頻繁的突發數據上傳到物聯網網關。

用于機器的 LTE

LTE for Machines (LTE-M) 是一項相對較新的創新，其功率效率仍在評估中。它可以搭載現有的 4G-LTE 連接（并且可以演變為與 5G 兼容），以支持車輛和無人機等移動物聯網資產的漫游。LTE-M 電子設備是最昂貴的選項之一，因為它們可以提供比其他 LPWAN 選項更高的數據速率。物聯網邊緣的數據豐富的應用程序可以從 LTE-M 中受益。

洛拉

LoRa 是 Lora Alliance? 的遠程、低功耗、低數據速率連接標準。LoRa 旨在使大型網絡運營商能夠提供基于訂閱的 LPWAN 服務。LoRa 使用未經許可的頻譜（sub-GHz 射頻；例如北美的 915MHz），但依賴于額外的安全層，因為 LoRa 設備不使用用戶識別模塊 (SIM) 或機器識別模塊 (MIM) 進行設備身份驗證或加密。

5G 網絡和 LPWAN 有望在各種端到端物聯網部署中相互補充。例如，在遠程手術的情況下，通信的時間敏感特性需要實時數據傳輸。像這樣的場景適合低延遲 5G 蜂窩網絡。然而，遠程手術還涉及邊緣的傳感器網絡，例如在醫院場所，以在本地收集和處理關鍵信息。對于這些位于邊緣的傳感器網絡，LPWAN 連接是一個更可行的選擇。

個域網 (PAN) 和局域網 (LAN)

對于家庭和企業的本地連接，Wi-Fi? 和藍牙? 技術（基于 IEEE 802.11 標準）和低功耗藍牙是常見的選擇。基于 802.15.4 的技術（包括 Zigbee?、ISA100.11a、6LoWPAN、WirelessHART? 和 Z-Wave?）支持資產和資源跟蹤等企業物聯網應用。

就像有線和光纖寬帶解決方案一樣，5G 固定寬帶和蜂窩網絡應該補充 Wi-Fi 和藍牙。3GPP 的第 16 版將包括 5G 新無線電 (NR)-未授權標準，該標準支持現有的 5 和 6GHz（“綠地”）未授權頻段。5G 免許可頻譜的有前景的用例之一將是企業、大型體育場館和商場中的“類似 Wi-Fi”的專用網絡。

衛星

在連接生態系統中，雖然衛星技術提供高帶寬和可靠性，但它們價格昂貴。因此，衛星只服務于利基用例。使用全球定位系統 (GPS) 在海洋、偏遠地區、服務欠缺地區和移動網絡可能出現故障的災區進行跟蹤的飛機、貨運和車隊中的機載連接是衛星有用的一些場景。

衛星連接可以通過在由于經濟和其他位置限制而無法實現蜂窩連接的地區擴大 5G 網絡的覆蓋范圍，從而增強 5G 無線以提供無處不在的連接。

蜂窩：4G-LTE

4G-LTE 于 2009 年開始推出，在 5G 之前的日子里，它是可用的最先進的蜂窩技術，峰值速率高達 1Gbps，延遲為 30 到 70 毫秒 (ms)。憑借 10Gbps 的數據速率和小于 1ms 的延遲，5G 無線有望將蜂窩網絡發展為超快速、響應迅速、節能的連接來源。

全球 4G 網絡的部署仍在進行中。5G 網絡普及以及 5G 芯片組和設備以商業規模進入市場還需要一段時間。即使在 5G 推出后，不需要超高吞吐量和超低延遲的用例也可以繼續使用 4G。5G NR 標準旨在與 4G 核心網絡重疊共存。因此，至少從技術設計的角度來看，4G 和 5G 無線蜂窩服務已經內置了兼容性。

結論

5G 在全球范圍內的加速部署和實施將在 2021 年繼續，北美緊隨其后，歐洲和東亞將處于領先地位。東南亞和南美洲幾乎每個國家都通過大力投資 5G 技術來反映這一趨勢。以如此快速的部署速度，5G 覆蓋率可能很快在某些國家達到 50% 以上。5G 通信不僅可以為智能手機帶來更快的上傳和下載速度，還可以降低從聯網汽車到物聯網設備到實時控制執行遠程醫療程序的醫療機器人的所有通信延遲。

審核編輯：符乾江