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5G是未来的唯一选择?

来源:腾讯新闻

众所周知,物联网是一个市场潜力巨大的蓝海,在人与人之间的通信逐步饱和的情况下,挖掘人与物、物与物之间的通信需求,是流浪地球信息化进程的必经道路。

万物互连,所有的“物”都连到互联网,都成为互联网世界的一个分子,在互联网世界里,人和物是同等的。有句经典,“在互联网世界里,没有人知道你是一条狗”。所以万物互连,是真需求,是一个美好的愿望。

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物联网的技术,包含两部分:传感器技术和通信技术。

传感器技术是物联网的关键基础,是把物理世界的“物”,转换为数字世界中可辨认的数字化“物理量”,比如温度传感器、陀螺仪、指压传感器等等,这是物联网的核心基础。如果无法描述和转换物理世界的“物”,物联网无从可谈,有了万物的传感器,才可能有万物互连。

物联网的通信技术包括有线通信和无线通信。有线物联网大家都知道的,如电话线、五类网线、电力线PLC、同轴电缆,这里无需多说。而无线物联网,则再分为蜂窝物联网和局域物联网。蜂窝物联网可包括GPRS、CDMA 1X、NB-IOT、eMTC、LoRa、5G等,主要是指通过蜂窝通信提供物联网的传输需求,覆盖广和移动需求,可以是公众通信网(三大运营商的网络),也可以是专网(电力、公安、油田等),也包括企业自建的Lora网络(LPWAN)。而局域物联网,包括很多短距无线通信技术,比如WIFI、蓝牙、zigbee等,这些技术在现有的局域物联网中使用很多,如果从连接终端数来统计的话,局域物联网相比蜂窝物联网,规模大很多很多。

那么何种技术来实现万物互连呢?

物联网的世界非常多姿多彩,个性化需求很多,万物互连应该是有由蜂窝网技术和局域网技术共同完成。4G和5G只是属于蜂窝物联网的一种,并不是全部,从经济性和安全性,万物互连不能单独由4G和5G承担。

那么为何说5G技术支持万物互连呢?是的,蜂窝移动通信,原本就是满足人和人的通信,容量、覆盖、质量、速度是非常关键的,也是相互制约的要素(很难做到既要高速上网,又要大海量用户)。

从GSM和CDMA开始,到现在的5G,在覆盖和容量上不断快速发展,原来一个基站只支持几百个用户同时打电话,到现在一个4G基站支持200~300用户同时高速上网,技术发展确实是惊人的。到了物联网阶段,一个基站要服务几万个物联网终端,就是所谓的海量连接,需要用到各种技术来满足。但是要知道,容量和速度是制约的,要支持5万个物联网(不是真正的同时时间传输数据),每个物联网终端发送数据量和时间都很少,比如一个抄表终端,一天24小时,只在1分中内传输1000个Byte字节大小的数据,然后23小时59分都在睡觉,明白了吗?又比如如果在体育场里有足球比赛,1万名观众拿着手机看4K视频,这个场景下目前的5G技术是无法实现的,那是天方夜谭——你不信?脑补一下。

5G是由3GPP标准化组织制定的技术标准,主要针对运营商的蜂窝网络,并非某个国家拥有(顺便普及一下,WIFI是有IEEE标准组织制定的,也不是某个国家拥有)。5G的三大特点,eMBB、uRLLC和mMTC,是一个良好的设计方案,但大部分技术提升不是针对手机用户,而是蜂窝物联网用户,每平方公里提供100万个终端的接入,即海量连接,是蜂窝物联网技术发展的一个突破。但只是移动运营商利用蜂窝移动通信技术,来满足“万物互连”的一个技术方案,或一种愿望。

物联网的特点就是个性化非常明显,并不是每个物联网应用都需要超低时延,或者低功耗,或者全覆盖。一个简单的例子,智能家居,把家庭的所有电器、门锁、照明、马桶都“万物互连”起来,4G、5G蜂窝物联网是最好的方案吗?不见得,5G的技术优势没用上,不需要超高速上网、低时延、低功耗,那智能家居需要什么呢?需要良好的无线信号覆盖、友好方便的用户交互、资费便宜甚至免费,这些光纤宽带+WIFI技术已经完全满足了。

试想一下,如果用5G实现智能家居,可能会出现:卫生间信号不好,智能马桶冲不能冲水;欠费停机,智能门锁就开不了;白天可以看4K高清视频,晚上就只能看标清视频(5G无线容量都是整个基站的所有用户共享的,没办法承诺单个用户的上网速率的)。但用PLC turbo + mesh wifi 技术,可以解决无死角信号覆盖,永远不会欠费,也不会和邻居争抢无线频率资源。

除了智能家居,很多封闭场景下,使用局域物联网技术更加合适,比如广州宜家商场,全封闭环境下使用ibeacon蓝牙定位服务,这些不一定非要用5G的物联网场景。当然,确实有些低时延、大覆盖的场景,需要使用蜂窝物联网技术才能解决,比如车联网。

我之前曾在《移动通信》杂志2017年1月份发表了《物联网技术业务思考和展望》一文,引用文章中的一部分内容如下。

2025年预测有270亿物联网连接的构成,Machina Research公司研究发现,72%属于短距无线接入技术来承接,如WIFI、zigbee、PLC电力线传输等,这一技术将主导整个物联网市场,主要包括消费电子、大楼监控和自动化。蜂窝型连接,将从2015年的3.34亿,上升到2025年的22亿,主要为LTE技术,其中的45%,将应用在车联网业务上,包括在出厂前预置和出厂后安装的。

在270亿的总连接中,将近有11%(30亿)的连接使用低功率广域网的技术,如sigfox、lora、NB-IOT等。根据业务场景和Machina Research公司的预测,对于物联网重要一环,可以把无线接入细分局域或短距无线接入、低功率广域网、蜂窝无线接入等。

结合Machina Research公司的预测,到2025年,不同的网络场景,有不同的技术使用。比如最后10米的物联网接入,又没有电源功耗问题的,可以优先选择局域或短距无线接入技术,就近接入有线局域网或互联网,这是最直接的方案。再比如在工业生产中的工业物联网,生产线上的数据传输要求高稳定低时延,安全可靠,没有移动和漫游的需求,这时如果采用NB-IOT等广域物联网(蜂窝物联网)的方案,表面上看起来可以一统天下,但是对于工业物联网肯定不是解决一个数据传输的问题,更多的还是个性化或嵌入式的解决方案。而针对目前很热的“Connected Cars”和移动医疗等的联网需求,其移动和漫游是局域短距和广域固定等技术所无法满足的,则需要蜂窝物联网技术。

再讨论一下公网和专网问题。一般理解,蜂窝网属于公众移动网络,为广大普通用户提供服务,而专网,像铁路、航空、公安等系统的集群网,提供其用户专网专用,以确保运行系统的安全性。这是网络特性、用户群体特性、安全稳定等因素所决定。当然,目前也会出现“虚拟专网”的概念,利用VPN等网络技术,在公众网络中划分中虚拟专网。这在有线互联网中使用很普遍,但是在铁路、航空、地铁、工业自动化等关键领域,在物联网安全性尚未健全的情况下,建议还是使用物联专网为宜。

蜂窝物联网或NB-IOT等技术,是在蜂窝通信网的基础上,可满足物联网业务需求。其成本技术具有很明显的优势,充分利用已有的公众蜂窝通信网络(主要提供话音和移动数据业务),具有信号覆盖大,建网边际成本低,授权频段确保网络质量,规模应用后终端模块价格迅速降低。从上面提到物联网业务需求来看,很多业务是固定或慢速低数据业务需求,没有漫游和高速移动的业务需求,同时很多工业物联网是和生产系统直接关联的,可以考虑使用广域物联网建设专网。

是否能采用“虚拟物联专网”的方案,还值得商榷。

万物互连是真需求,但5G不是唯一方案,泛在无线百花齐放。

为满足“万物互连”的需求,5G技术实现海量连接,是由运营商主推的使用蜂窝物联网方案,利用蜂窝技术来实现海量连接,确实是3GPP组织对人类的重要贡献。但从上面分析可以看出,满足“万物互连”不一非得使用5G蜂窝物联网,而是各种有线无线技术轮番上场,各展身手,这就是传说中的泛在网,或者泛在无线通信(5G本身只是泛在无线的一种方式而已)。在物联网时代,众多泛在无线通信技术百花齐放,与5G一并起舞。

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