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5G中的物联网技术与未来演进方向,路在何方?

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导语 |如果说5G以前是互联网时代,是把人作为连接和服务对象;那么5G之后就是物联网世界,5G将进一步实现物与物、物与人更加多元化的连接,也就是万物智联。我们都知道5G赋予物联网低延迟、高速率、多终端的交互能力,那么这些能力背后有哪些技术支撑呢?本文由腾讯云5G技术专家工程师闫渊在Techo TVP开发者峰会“「物」所不在,「联」动未来——从万物互联到万物智联”上的演讲《5G中的物联网技术与未来演进方向》整理而成,向大家分享他的见解。

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现在物联网正处在大爆发的前期,从物联网底层通信技术来说,“连接”是刚需,虽然它不是价值链最高的,但“连接”是必需的基础设施。

从通信技术的演进来说,特别是在5G时代,物联和人联已经并重发展了,5G网络针对物联的需求,做了很多优化,如uRLLC、mMTC中应用的技术,大部分都是为物联需求而设计的,某种程度上,5G可以说是为物联而诞生的一张网络。

一、国家政策引领5G赋能物联网发展

从公开数据看,截止2021年6月末,蜂窝物联网已经达到了12.94亿,上半年新增1.58亿,同比增长16%,主要分布在智能制造、智慧交通、公共交通等领域。

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今年,工信部等多部门一起印发了两个非常重要的文件:第一个是《物联网新型基础设施三年行动计划(2021-2023年)》,提出到2023年物联网连接数突破20亿。第二个是《5G应用“扬帆”行动计划(2021-2023年)》,明确提出到2023年5G物联网终端用户数年增长率超200%。综上所述,可以看到,5G将驱动物联网成为新一轮科技与产业变革的核心动力。

二、5G蜂窝物联网的四种部署场景

(一)5G广域大网

5G广域大网适合智能穿戴、安防监控、移动支付、智能家居、视频直播等领域,其连接数量最大,与4G相比,5G引入了切片技术,将带来更好的物联体验。

(二)5G园区专网

5G和边缘计算的结合,以降低时延、卸载带宽和保证敏感数据的安全性,将是5G园区专网的主要应用场景,如部署与港口、工厂、学校等。部署模式可以主要分为三种:物理模式、混合模式和虚拟模式。

(三)专用频率广域大网

5G之前,电力、铁路、政务等,是基于专用频率部署广域大网比较常见的场景。随着自动驾驶/远程驾驶的兴起,特别是在开放道路区域,基于专用频率部署的5G-V2X车联网将是其最重要的应用场景之一。

(四)专用频率园区专网

企业申请专用频率,自建5G园区专网,类似自建企业WiFi,主要目的之一是为了实现对网络的完全自主可控和针对性定制优化。目前,在德国、日本等国家也出现了此类模式,特别是在工业领域,这也将是5G物联的未来可能的发展趋势之一。

三、5G蜂窝物联网技术类型及发展趋势

工信部在发布的《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》中明确指出,要推动2G/3G物联网业务迁移转网,建立NB-IoT、4G和5G协同发展的移动物联网综合生态体系。

那么,4G/5G主流的蜂窝物联网技术有哪些呢?主要分为两大类,如下图所示:左边一类是4G物联技术,包含4G Cat4、Cat1和eMTC等。右边一类是5G物联技术,包括5GNR、5G RedCap和NB-IoT。

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六种不同的技术全面覆盖了从低速、中速、高速到超高速的各种应用场景。其中,NB-IoT对应100K速率级别的低速业务,如表计类、共享单车等业务。Cat-1、eMTC等对应100K到10M的中速业务,且对成本比较敏感,如智能穿戴、智能家居等。Cat-4和RedCap主要负责10M到100M的的高速业务,如安防监控等,且成本低于NR。最高端的场景则由5G NR来承担。

(一)设计理念从3/4G时代的业务适配网络转变为网络适配业务

以前4G设计的主要指导思想之一是业务适配网络,基于一张普适性网络,可以承载多样化的业务和应用,当然,对不同的业务需求,也会引入QoS保障。但总之,设计一张统一的网络,这种简单和普适性让其上的应用变得简单和易于推广,我觉得这也是移动互联网在4G时代能得到蓬勃发展的动因之一。

但4G主要是面向2C应用,而5G的一个重要发展目的,就是赋能服务2B,B端的需求,主要也是物联的需求,是非常多样的,如速率、时延、能耗、成本等,不同的场景,需求差异巨大,很难有一个统一的技术能满足所有的需求场景,因此,网络适配业务的设计理念,在5G网络中体现得愈发明显:在网络侧,5G引入了切片等技术,支持给不同的物联应用提供不同的切片;在终端侧,除了NB-IoT、NR一低一高两种终端外,也新引入了5G RedCap终端。

(二)推出低成本终端5G Redcap

5G RedCap的目标场景是视频监控、智能穿戴、工业传感等,它有如下特点:

低成本,RedCap对标的4G Cat-4终端,因此,降低设计的复杂度和尺寸,如系统带宽是20MHz,天线是1发2收;

低功耗,支持数天,最高达1-2周的使用时间;

大容量,RedCap是驻留在5G网络上,可以充分发挥5G的系统容量和大带宽优势;

覆盖好,可以复用5G的大网覆盖。

最后,从成熟度来说,预估5G RedCap可规模商用的时间是2023年。

(三)5G 网络能力(如大上行、低时延和高可靠)将分档提供、按需使用

5G有很多优质的网络能力,如大上行、低时延和高可靠能力,但如前所述,5G,更多的是要网络去适配业务,所以,要达到最佳性能,5G是需要面向业务进行定制优化的,很多网络指标,不是开箱即用的,而且,很多指标实现,是要牺牲别的指标、或付出额外的代价才能达到,这也是它比4G复杂的地方,换言之,在实际应用中,5G的网络能力将是分档提供、按需使用的。

5G大上行能力:通过修改帧结构,如1D3U的帧结构,可以将上行容量,相比普通5G公网提升3倍以上;下一档,则是在此基础上叠加载波聚合功能,则上行峰值容量可以达到约900Mbps。进一步的,再引入SUL功能,则峰值容量能超过1Gbps。未来,如果引入毫米波技术,则上行容量可以进一步提升。

5G低时延能力:5G移动网的时延,是包括空口时延和从基站到核心网的时延。正常情况下,5G的空口时延在10-20ms之间,端到端时延在20-30ms之间。降低空口时延,有预调度、自包含子帧等技术,但代价是耗电更大、损失一定容量等;降低基站到核心网的时延,主要是引入边缘计算等技术。因此,5G的时延指标也可以分为多档:如<5ms、5-10ms、10-20ms等。

5G高可靠能力:可靠性可以分为三层:应用层自身的可靠性、5G网络的可靠性和基础资源的可靠性。例如,上层应用层的可靠性,在游戏中,有蜂窝和WiFi双发选收的技术;下层基础资源层的可靠性,主要是硬件的冗余备份。而5G网络的可靠性,又可以分为低时延下的可靠性和无时延要求下的可靠性,不同的需求,技术不同,所花代价也不同。

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(四)R16/R17其他物联能力优化

在5G R16/R17标准,3GPP针对物联需求,对不同的业务场景需求,和相关的网络能力,进一步提升和优化。

例如,在业务场景方面,针对专网场景(5G NPN)、非地面网络场景(5G NTN)、5G V2X场景、工业IIoT场景等进行了优化;在网络能力方面,针对5G固移融合、终端功耗、广播/多播、5G定位、小包传输增强等能力进行了优化。

四、5G的物联网应用趋势

5G会给物联应用未来带来哪些方面的变化?我觉得会有以下四方面的趋势:

(一)一网代替多网

5G是一张泛在的广域网,但通过引入边缘计算、D2D等新技术,5G也能同时适于局域和终端短距直连通信的场景,畅想未来的一个场景(当然时间也可能比较遥远),可能就只需要一张统一的5G网络,结合IPv6,能满足多样化的物联需求,应用设计、网络运维等也都能变得更加简单。

(二)云化代替离散

5G的大带宽、低时延等特性,结合边缘计算等技术,很多终端都有变成薄终端的趋势,如云手机、云电脑等,离散的终端算力将向边缘节点或云节点集中,也将带来全新的设计架构和应用体验。

(三)无人代替有人

未来无人化的广泛应用,将由5G和AI的结合驱动成为现实。5G将给AI带来泛在连接和海量数据,而AI,则让这些数据和连接高效利用起来。如高通所指出的,“我们正迈入一个由AI和5G驱动的智能云连接的时代。万物都将被连接到云端,以可靠的方式实现互联。”

(四)远程代替现场

在可预计的很长一段时间,无人化和远程化一定会并行发展。远程化,实现人与物在物理空间上的解耦,将激发很多全新的应用,如远程驾驶等。之前,由于网络的限制,远程化并未真正普及开来。5G的大带宽和低时延等特性,将使得远程化在垂直行业的数字化转型中得到越来越多的应用。

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非常感谢大家的时间,希望跟大家多交流,谢谢!

讲者简介

G中的物联网技术与未来演进方向,路在何方?"

闫渊

腾讯云5G技术专家工程师

腾讯云5G技术专家工程师,拥有多年通信领域工作经验,工作经历涉及3GPP标准化、行标企标制定、产品开发测试和现网网规网优等,对5G通信技术有深入的理解。目前负责腾讯云5G相关产品和创新应用的研发和推广。

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