认识5G技术：解锁万物互联的新时代

1.5G是什么

移动通信延续着每十年一代技术的发展规律,已历经1G、2G、3G、4G的发展。每一次代际跃迁,每一次技术进步,都极大地促进了产业升级和经济社会发展。从1G到2G,实现了模拟通信到数字通信的过渡,移动通信走进了千家万户;从2G到3G、4G,实现了语音业务到数据业务的转变,传输速率成百倍提升,促进了移动互联网应用的普及和繁荣。当前,移动网络已融入社会生活的方方面面,深刻改变了人们的沟通、交流乃至整个生活方式。4G网络造就了非常辉煌的互联网经济,解决了人与人随时随地通信的问题,随着移动互联网快速发展,新服务、新业务不断涌现,移动数据业务流量爆炸式增长,4G移动通信系统难以满足未来移动数据流量暴涨的需求,急需研发下一代移动通信(5G)系统。

5G作为一种新型移动通信网络,不仅要解决人与人通信,为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清(3D)视频等更加身临其境的极致业务体验,更要解决人与物、物与物通信问题,满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。最终,5G将渗透到经济社会的各行业、各领域,成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。

5G网络是第五代移动通信网络,从2G、3G、4G到5G网络,带来的不仅是网络速率的大幅提升,更使人与人之间的通信扩展到万物互联。如果说2G意味着只能看TXT文本,3G是GIF图,4G进入视频时代,那么5G呢?对于用户而言,5G最直观的感受是极快的网速和极低的延迟。华为给出的数据是,5G的峰值速率将达到10 Gb/s,比3G快700倍,比4G快100倍。举例来说,从网上下载1 GB的高清视频,使用3G要用十几分钟;使用4G可能需要2～3分钟;但如果使用5G,只需要1秒钟。图3-9直观地告诉我们移动通信技术差不多每隔10年就会经历一次革命性的跨越。

全球移动通信正在经历从4G向5G的演进。相比以移动互联业务为主的4G通信,5G面向增强移动带宽、广覆盖大连接、低时延高可靠通信三大应用场景,构建万物互联的全连接世界。

图3-9　移动通信发展历程

①在速率方面,5G网络峰值速率高达10 Gb/s,用户可以轻松观看4K高清电视或3D影片。

②在容量方面,5G的容量是4G的1 000倍,能容纳更多的物联网终端设备,满足大连接物联网通信的需求。

③在时延方面,5G需要满足毫秒级的端到端时延要求,这意味着5G将端到端时延缩短为4G的1/10,因此让无人驾驶等时延敏感应用成为可能。

概括而言,5G具有以下三大技术特性:

①高速率:5G使用了毫米波频段,频谱带宽翻了10倍,传输速率更快。

②大连接:每平方千米高达百万的连接数可以支持连接周边的每一件物品。

③低时延:5G的时延目标是降低到1 ms,甚至低于1 ms。

全世界5G标准立项并且通过的企业是中国移动10项、华为8项、爱立信6项、高通5项、日本NTT DOCOMO 4项、诺基亚4项、英特尔4项、三星2项、中兴2项、法国电信1项、德国电信1项、中国联通1项、西班牙电信1项、ESA 1项。按国家统计,中国21项、美国9项、欧洲14项、日本4项、韩国2项。2020年10月,中国国际跨国公司促进会及社会科学文献出版社共同在京发布了《责任与担当——抗击新冠肺炎疫情中的跨国公司(中英双语版)》。该报告认为,5G在2020年新冠疫情防控期间得到大规模使用,为疫情常态化下赋能创新应用、经济转型、产业升级和社会治理等积累了难得的实战经验和变革动力。

2.5G与物联网

物联网可以实现物与物在网络上的相互连接,并且与云计算、人工智能、大数据相互融合,共同发展,开启网络技术新时代,最终真正意义上实现万物互联。万物互联的实现对网络技术提出了更高的要求,而5G在物联网中的应用为万物互联提供了有力的技术支持。

随着时代的不断发展,物联网面临的挑战越来越严峻。庞大的数据搜集、整合、连接等需求,以及反应与处理所产生的延迟状况等,都是物联网发展过程中必须要解决的问题。5G的融入能够很好地处理这些问题,解决网络技术的阻碍,最终实现万物互联。

①解决了物联网庞大的数据连接、集合的问题。

②解决了物联网响应机制带来的延迟问题。

③能够减少超高的物联网维护成本。(www.xing528.com)

④协助实现物联网的去中心化。

在20年以前,物联网技术就已经被提出,但是由于科技发展的限制,无法实现庞大数据的连接、集合、传输、处理,因此一直未能正常发挥物联网模式的真正威力。5G的出现,将打破信息传输的阻碍,解决传输速率低、数据连接集合差等问题,实现真正的物联网模式。虽然物联网不是因为5G而产生,但是物联网的高速发展却离不开5G的推动。没有5G的支持,物联网将无法形成规模。

5G的低时延特性促进了物联网的发展,改善了原有产业的响应机制延迟性高的弊端,人与物之间的通信会在科学技术的影响下打破时间和空间的限制,从高容量的数据服务拓展至控制稳定的新型服务模式,从原有的终端与终端相互连接拓展到智慧型连接及互动,更好地实现了物联网的价值。

在新型物联网生态体系中,众多设备通过云服务器连接到一起,云服务器需要具有十分强大的运行能力及存储能力。但是,目前云服务器在运行能力和存储能力方面还十分欠缺。此外,物联网的维护费用也比较高。

如果将5G应用到物联网中,就能够有效解决这些难题。随着物联网的进一步应用,需要管理和维护的物联网设备也会越来越多。这样,无论是生产商、运营商,还是终端用户,都需面临这方面的成本压力。从目前的情况来看,大部分物联网应用采用的是中心化的体系结构,即由单一的中心控制系统来存储和管理所有的数据流。在云计算技术不断普及的影响下,物联网运营商已经可以利用云端的服务器集群,来存储和交换物联网智能设备产生的所有数据。不过,由于连接设备数量较之前已经有了大幅度增加,相关服务的成本也会随之提高,有些甚至会达到无法负担的程度。

5G为物联网提供了点对点的数据传输方式,这样在进行数据同步和管理控制时,整个物联网解决方案就不再需要大型数据中心的帮助。除此以外,物联网还可以利用5G网络来传输某些重要数据,如企业之间的交易数据或物联网大数据平台的数据等。

实际上,5G还可以有效解决物联网的构架瓶颈问题,包括数据加密保护和验证,数据传输与存储,便捷、可靠的费用结算等。

目前,很多企业通过新技术的发展看到了商机,它们将5G与物联网结合创建了企业的物联网平台。例如,中国移动的OneNET物联网平台、诺基亚的IMPACT管理平台、GE的Predix云平台、三星的SmartThings智能平台等。这些物联网平台的成功建立不但使新技术更好地服务社会,而且进一步证明了5G与物联网结合发展的价值。

3.5G与人工智能

(1)海量数据需求促使5G与AI相互碰撞

5G负责对数据进行高效的传输:5G大带宽、低延迟的特性,为数据提供了一条高速通道。一方面,5G负责将海量的数据从客户端传送到云端处理;另一方面,又能把处理的结果和生成的应用迅速分发到边缘供人们使用。

AI负责对数据进行分析和挖掘:AI对数据的分析挖掘能力,同样带来了不同于一般统计分析的成果。某些原本只有七成左右正确率的系统,依靠深度学习等技术能够将精度提升至95%以上,使应用实用性获得了显著提升,进而提升数据的价值。

5G技术为终端提供更大的数据通道,而AI加速引擎技术为处理海量应用数据提供更高性能的处理工具,进一步优化用户与设备的交互方式,5G与AI技术因此在终端设备上发生碰撞,二者的交集正是海量数据需求。

(2)5G与AI相辅相成:5G助力AI技术落地,AI促进5G商业部署

•5G促进AI应用发展

如图3-10所示,5G以其“大带宽、低时延、海量连接”的业务特性,在移动互联网和物联网方面提升服务质量。5G结合AI为行业应用的海量重复场景、复杂单域场景、跨域多终端场景带来新的发展机遇。在融合的基础上,能够将人、终端设备、数据中心等信息要素互联互通,万物互联,为AI技术的落地提供丰富的应用场景。

图3-10　5G和AI的相互碰撞

•AI提升5G网络智能化水平

如图3-11所示,5G的商业部署离不开AI技术,例如传统网络架构无法实现按需分配、动态调整,需要人工智能辅助实现网络资源的精确投放;AI作为一种赋能技术,能够革新网络规划、建设、维护及优化模式;在提升精确度的同时,减少人工使用量,降低运营成本。

图3-11　5G和AI的相辅相成系统