以4G LTE啟程，開(kāi)始您的5G之旅

　　Ludger?Boegerging（u-blox?蜂窩通信產(chǎn)品中心?戰略（市場(chǎng)開(kāi)發(fā)）?高級專(zhuān)員）

　　摘?要：在5G 的大趨勢下，一個(gè)觀(guān)念正逐漸被人淡忘或忽視：就是在未來(lái) 10 年中，4G LTE 仍將是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的最具競爭力的通信技術(shù)。本文將闡述其中的原因。此外，我們還將研究如何為全新 5G 時(shí)代做好準備，探討如何使用當今的 4G LTE 技術(shù)，并持續發(fā)掘 5G 技術(shù)中所蘊藏的價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：4G LTE；5G；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；工業(yè) 4.0

　　盡管5G毋庸置疑將會(huì )為各行各業(yè)乃至我們的日常生活帶來(lái)巨大的機遇，但若要充分利用這項技術(shù)，不僅需要大量的實(shí)踐作為基礎，更需要一套高度整合的方法助力落地實(shí)施。

　　眾所周知，我們目前正處在第四次工業(yè)革命的風(fēng)口浪尖。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、人工智能、無(wú)處不在的無(wú)線(xiàn)互聯(lián)、混合現實(shí)、區塊鏈、自動(dòng)駕駛車(chē)輛、云技術(shù)——包括這些在內的眾多創(chuàng )新技術(shù)正悄然顛覆著(zhù)各行各業(yè)的運作模式。最具前景的當屬將工廠(chǎng)中使用的數字系統和物理系統并入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT)，以此所打造的信息物理系統將成為未來(lái)工業(yè)4.0的強健“基石”。

　　作為時(shí)下最熱門(mén)，同時(shí)也伴隨大量爭議的話(huà)題，第五代蜂窩通信（5G）技術(shù)的作用被一些人認為是夸大其詞且有炒作之嫌。然而，與此同時(shí)則有另外一些人競相入局5G市場(chǎng)以率先占據市場(chǎng)空間，準備用5G技術(shù)大刀闊斧地改革他們所處的行業(yè)。而介于兩者之間的是那些非常謹慎的人，他們在對5G進(jìn)行投資的過(guò)程中，更希望獲得有關(guān)研發(fā)5G新產(chǎn)品和解決方案的必要經(jīng)驗，一旦5G塵埃落定且技術(shù)成熟，他們就可直接將這些產(chǎn)品和解決方案提供給客戶(hù)。

　　正是因為各種各樣的炒作，這種行業(yè)亂象并不令人感到意外。由于5G的相關(guān)行業(yè)距離大規模部署尚有數年的時(shí)間，相對傳統保守的行業(yè)更傾向于暫緩對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的投資，直到Rel-17中的新標準完全頒布實(shí)施。畢竟，當一場(chǎng)技術(shù)革命正在醞釀中時(shí)，為什么要把有限的資金投到4G LTE這個(gè)看起來(lái)可能已經(jīng)過(guò)時(shí)的技術(shù)上呢?

　　但正是這樣一個(gè)看似合理觀(guān)念亟需糾正：4G LTE非但沒(méi)有過(guò)時(shí)，反而仍在不斷發(fā)展，在未來(lái)幾年該項技術(shù)將會(huì )繼續擴大市場(chǎng)份額，甚至會(huì )長(cháng)時(shí)間占據市場(chǎng)主導地位。 ^[1] 事實(shí)上，4G LTE網(wǎng)絡(luò )將在5G網(wǎng)絡(luò )扎根之時(shí)起到補充甚至支撐的作用。

　　在5G的大趨勢下，一個(gè)觀(guān)念正逐漸被人淡忘或忽視：就是在未來(lái)10年中，4G LTE仍將是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的最具競爭力的通信技術(shù)。在本篇文章中，我們將闡述其中的原因。此外，我們還將研究如何為全新5G時(shí)代做好準備，深入探討如何使用當今的4G LTE技術(shù)，并持續發(fā)掘5G技術(shù)中所蘊藏的價(jià)值。

　　1 一個(gè)游戲規則的終極顛覆者

　　毫無(wú)疑問(wèn)，5G將會(huì )帶來(lái)一場(chǎng)巨大的變革。5G背后的大肆炒作是有道理的。事實(shí)上，它甚至有機會(huì )實(shí)現我們更長(cháng)遠的目標：從根本上改變蜂窩通信技術(shù)在社會(huì )中所扮演的角色，并最終形成一個(gè)建立在眾多顛覆性創(chuàng )新技術(shù)基礎之上的“萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)”。

　　● 5G將會(huì )增加新的頻段，包括sub-1 GHz和mmWave(>24 GHz)，以擴大容量。

　　● 5G將在mmWave頻段提供高達1 GHz的信道帶寬，以實(shí)現超高的寬帶速度。

　　● 5G會(huì )引入一種功能齊全的全新無(wú)線(xiàn)接口(5G NR)，以滿(mǎn)足覆蓋各行各業(yè)多元化的需求。

　　● 5G將需要一個(gè)具有Small Cell、網(wǎng)絡(luò )切片、網(wǎng)絡(luò )虛擬化、邊緣計算等技術(shù)的新核心網(wǎng)絡(luò )，以便滿(mǎn)足各種需求，并根據行業(yè)特定需求來(lái)靈活調整性能。

　　5G規范由負責定義全球蜂窩通信標準的標準化機構3GPP定義，從而滿(mǎn)足各種與工業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的新生使用場(chǎng)景。從新一代人機界面到自動(dòng)化制造，再到傳感器網(wǎng)絡(luò )和云連接，每一個(gè)應用都可以在5G的三大應用場(chǎng)景中得以實(shí)現：

　　● 增強型移動(dòng)寬帶(eMBB)將提供每秒超過(guò)10 Gb的數據傳輸速率，同時(shí)將容量增加三個(gè)數量級。

　　● 超可靠的低延遲通信(URLLC)將實(shí)現高達99.9999%的驚人可靠性和毫秒級的延遲。

　　● 最后，海量機器類(lèi)通信(mMTC)將進(jìn)一步擴展當今低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)的前景，從而能以更低的功耗、更低的成本傳送零星數據。

　　2 交替推出

　　雖然5G技術(shù)令人期待，但在全球范圍內實(shí)現全面推廣尚需一些時(shí)日。我們將看到，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商會(huì )根據他們在各自市場(chǎng)中看到的商業(yè)案例，以及他們自己進(jìn)行所需投資的意愿和能力，調整他們的5G部署時(shí)間規劃。此外，3GPP并未一次性發(fā)布適用所有行業(yè)的5G規范。相反，每個(gè)新版本都會(huì )給該技術(shù)帶來(lái)額外的功能。

　　3GPP Release 15主要是為了實(shí)現eMBB及其高速數據傳輸——主要針對消費者市場(chǎng)。Release 15進(jìn)一步細分為三個(gè)子版本。

　　第一個(gè)子版本主要是以4GLTE網(wǎng)絡(luò )為基礎實(shí)施非獨立組網(wǎng)(NSA)，該版本已于2017年底交付。主流的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商(MNO)將這項技術(shù)推行到關(guān)鍵城市區域市場(chǎng)。

　　第二個(gè)子版本涉及實(shí)施5G的獨立組網(wǎng)(SA)，于2018年中完成。

　　隨后，最后一個(gè)子版本于2019年初發(fā)布，進(jìn)一步在技術(shù)上追加改進(jìn)和創(chuàng )新。由于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商(MNO)仍在忙于推出5G NSA，因此，我們可能還需等待數年才能看到5G SA版的商業(yè)推廣。

　　3GPP Release16計劃于2020年上半年發(fā)布，它將最終解決對互聯(lián)行業(yè)影響最大的兩大應用場(chǎng)景：URLLC和mMTC。特別是 URLLC，需要部署專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )。計劃于2021年第四季度發(fā)布的Release 17將會(huì )進(jìn)一步拓展這些功能。

　　3 向低功耗廣域網(wǎng)的平穩過(guò)渡

　　為了延長(cháng)剛剛實(shí)行的LPWA解決方案的使用壽命，3GPP聯(lián)盟正努力確保從4G LTE到5G技術(shù)的平穩遷移。

　　LTE網(wǎng)絡(luò )不僅將在未來(lái)10年或更長(cháng)時(shí)間內保障其可用性，而且有望繼續向5G時(shí)代演進(jìn)，并獲得進(jìn)一步長(cháng)遠投資，從而在功耗、性能、設備尺寸、功能和成本方面實(shí)現進(jìn)一步的改善。杰出的向下兼容性將確保4G LTE解決方案即使在5G成為主流的情況下也能繼續運行。此外，在當今4G網(wǎng)絡(luò )上工作的“傳統”LPWA設備將與5G網(wǎng)絡(luò )兼容。

　　這正是一些行業(yè)仍在采用4G LTE提供的先進(jìn)技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化運營(yíng)、提升效率和提高生產(chǎn)率的原因。這一趨勢只會(huì )隨著(zhù)我們進(jìn)入5G時(shí)代而加速，這將改變整個(gè)工廠(chǎng)的運維邏輯，而不再會(huì )像現在一樣以高度分散的有線(xiàn)技術(shù)市場(chǎng)為主導。

　　打個(gè)比方，當前的制造基地就像一個(gè)包含多個(gè)“連接島”的群島，各連接島之間由網(wǎng)關(guān)相互隔開(kāi)。由于現有的技術(shù)標準是分散的，因此缺乏互操作性，若要將不同的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)連接起來(lái)需要一系列的協(xié)議轉換。

　　與此相對的是，工業(yè)4.0承諾在任何時(shí)候，在所有流程和資產(chǎn)上都能實(shí)現完全透明，并且商品、生產(chǎn)系統、供應和分銷(xiāo)鏈、人員以及流程之間將實(shí)現無(wú)縫通信，所有這一切都必須依賴(lài)于統一、強大、可靠的無(wú)線(xiàn)連接。

　　4 新興商業(yè)模式

　　5G并非只是對運營(yíng)進(jìn)行重新定義。由于數據的訪(fǎng)問(wèn)愈發(fā)便利，整個(gè)商業(yè)模式都將發(fā)生變化。在整個(gè)垂直行業(yè)，數據的生成速度比以往任何時(shí)候都要快，而數據也被作為實(shí)時(shí)質(zhì)量控制、預測性維護、集成供應和分銷(xiāo)鏈、勞動(dòng)力監控等諸多事務(wù)的一種實(shí)現手段，其戰略?xún)r(jià)值正在迅速增加。這從根本上改變了各行各業(yè)的運作方式。

　　舉個(gè)例子，工業(yè)4.0推動(dòng)商業(yè)發(fā)展的口號是：“今日下單，明日發(fā)貨?！蓖瑫r(shí)，它也扭轉了數十年來(lái)集中大規模生產(chǎn)的趨勢：只有當生產(chǎn)力向終端客戶(hù)靠攏時(shí)，才能讀取每個(gè)人的定制化需求，并以批量生產(chǎn)及時(shí)滿(mǎn)足用戶(hù)需求。

　　完全可追溯能力同樣具有顛覆意義：得益于工業(yè)4.0，運營(yíng)經(jīng)理可以知道他們生產(chǎn)的每一臺設備中的每一個(gè)零件的確切來(lái)源。即使在部署的時(shí)候，設備也可以被持續監控，從而找出制造過(guò)程中的薄弱環(huán)節進(jìn)行改善，借此提高未來(lái)產(chǎn)品的質(zhì)量。此外，客戶(hù)還可以從基于數據和洞察力的服務(wù)和支持中長(cháng)期獲益。

　　通過(guò)采用不需要有線(xiàn)連接的技術(shù)，工業(yè)4.0將使制造業(yè)更敏捷、更多樣化。與過(guò)去的有線(xiàn)解決方案相比，LPWA和5G技術(shù)更易于部署，因此減少了收集大量感測數據所需的投資。它們可以加快現有和新裝設備的實(shí)施。它們提供更高質(zhì)量的信息，并且保證了操作人員的安全。最后，它們可以更靈活地實(shí)施，并且更易于擴展。

　　5 將工業(yè)自動(dòng)化水平提升到新的高度

　　要利用這一龐大的數據池并將其轉化為實(shí)際的利益，需要一種更具創(chuàng )新、更全面的方式來(lái)管理資源、貨物和人員，甚至追蹤供應、生產(chǎn)和分銷(xiāo)鏈中所有流動(dòng)性資產(chǎn)。更不用提要保障所有機器和其他裝置的正常操作和維護，以及相關(guān)人員的安全。

　　要在貨物、生產(chǎn)系統和流程之間建立并運行這種新的通信方式，需要常規的人類(lèi)思維和縝密的監管，以及對生產(chǎn)流程各方面的更深入了解。同樣，在優(yōu)化輸送帶上的流程時(shí)，將需要更復雜的規劃、創(chuàng )建和流程管理，而且還需要進(jìn)一步加強本地生產(chǎn)能力。

　　這種高度整合的方法[即操作技術(shù)(OT)和信息技術(shù)（IT）之間的結合]發(fā)展到巔峰，將驅動(dòng)數字孿生技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)以虛擬形式表示與制造流程有關(guān)的所有相關(guān)信息。隨著(zhù)技術(shù)的不斷成熟，數字孿生技術(shù)將在廣度和深度上都取得進(jìn)展，同時(shí)試圖將越來(lái)越多的有關(guān)資源、產(chǎn)品和資產(chǎn)的詳細數據，以及有關(guān)運營(yíng)基礎設施、機器甚至外部供應鏈的狀態(tài)和性能的信息結合在一起。

　　6 私有網(wǎng)絡(luò )將成為邁向 5G 的跳板

　　然而，5G的相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域還需等待數年才能在公共網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行部署。同時(shí)，由企業(yè)或專(zhuān)業(yè)服務(wù)提供商擁有和運營(yíng)的非公共網(wǎng)絡(luò )將是解決低可靠性、低可用性、低周轉時(shí)間、數據隱私等挑戰的最快捷方法。

　　非公共網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)可以使用4G LTE，這使得公司可以調整網(wǎng)絡(luò )參數和無(wú)線(xiàn)電頻譜利用率來(lái)滿(mǎn)足行業(yè)特定的需求。這些私有網(wǎng)絡(luò )能夠支持關(guān)鍵應用、超低延遲、超高數據傳輸速率，甚至能夠媲美5G更高、安全的通信級別。

　　制造工廠(chǎng)、倉庫、供應鏈和物流顯然是私有網(wǎng)絡(luò )的受益者。在某種程度上，它們完全利用了無(wú)線(xiàn)連接，制造工廠(chǎng)往往是由那些無(wú)法集成到單個(gè)平臺的技術(shù)拼湊而成，因此限制了它們可以支持的應用的復雜性。4G LTE和隨后的5G私有網(wǎng)絡(luò )可以提供更高級別的多功能性、可擴展性和易實(shí)現性。

　　一些國家已開(kāi)始專(zhuān)門(mén)為工業(yè)私有蜂窩網(wǎng)絡(luò )保留頻譜。德國保留了(3.7~3.8)GHz的頻譜，瑞典可能也會(huì )效仿。日本保留了2.4、4.5、4.6和(28.2~29.1)GHz的頻譜，而英國保留了1.8GHz、2.3GHz、(3.8~4.2)GHz和(24.25~26.5)GHz的頻譜。

　　德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò )局將為提出申請的用戶(hù)分配最長(cháng)達10年之久的頻譜，年費為數千到數萬(wàn)歐元不等，具體取決于所申請的帶寬、分配持續時(shí)間和覆蓋區域。這是一項很有吸引力的舉措，但并沒(méi)有得到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的一致支持，這主要是因為頻譜被削減了相當大的一部分。

　　7 塑造互聯(lián)行業(yè)的未來(lái)

　　在u-blox，我們致力于塑造互聯(lián)行業(yè)的未來(lái)。作為3GPP聯(lián)盟的活躍成員，u-blox參與了NB-IoT和mMTC標準化并做出自己的貢獻。此外，u-blox還積極參與試點(diǎn)研究，探索5G技術(shù)在工業(yè)使用場(chǎng)景中的要求和性能。

　　5G-SMART項目由歐盟委員會(huì )資助，匯集了來(lái)自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的眾多合作伙伴，例如來(lái)自工業(yè)界的Bosch、ABB、Ericsson、u-blox，以及來(lái)自學(xué)術(shù)界的隆德大學(xué)、巴倫西亞理工大學(xué)、弗勞恩霍夫研究所等等，旨在評估5G在實(shí)際制造環(huán)境中的潛力。作為5G-ACIA項目的積極成員，u-blox與一個(gè)由IT和OT行業(yè)合作伙伴組成的多元化團隊合作，以確保5G技術(shù)和5G網(wǎng)絡(luò )盡可能適用于互聯(lián)行業(yè)，特別是制造業(yè)和加工行業(yè)。

　　8 馬上開(kāi)始

　　通過(guò)擴大蜂窩通信技術(shù)支持的應用范圍，5G有望將互聯(lián)行業(yè)提升到一個(gè)全新的水平。然而，該標準的相關(guān)行業(yè)方面尚需數年時(shí)間才能成熟，況且移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商也需要推出用于實(shí)施5G解決方案的基礎設施。好消息是，3GPP正在努力確保人們能夠從今天的4G LPWA技術(shù)向5G技術(shù)的平穩過(guò)渡。這意味著(zhù)，您今天就可以啟程5G之旅，享受4G LPWA帶給您的新型商業(yè)模式的機會(huì )，并從技術(shù)上領(lǐng)先于您的競爭對手，從長(cháng)遠來(lái)看，這會(huì )給您帶來(lái)可觀(guān)的收益。

　　參考文獻：

　　[1]麥肯錫公司.數字公用事業(yè)：新挑戰、新能力和新機遇[R/OL].(2018-6).https://www.gsma.com/mobileeconomy/wp-content/uploads/2018/02/The-Mobile-Economy-Global-2018.pdf.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第05期第26頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。