电子产品世界

　　Ludger Boegerging（u-blox 蜂窝通信产品中心 战略（市场开发） 高级专员）

　　摘 要：在5G 的大趋势下，一个观念正逐渐被人淡忘或忽视：就是在未来 10 年中，4G LTE 仍将是工业物联网解决方案的最具竞争力的通信技术。本文将阐述其中的原因。此外，我们还将研究如何为全新 5G 时代做好准备，探讨如何使用当今的 4G LTE 技术，并持续发掘 5G 技术中所蕴藏的价值。

　　关键词：4G LTE；5G；工业物联网；工业 4.0

　　尽管5G毋庸置疑将会为各行各业乃至我们的日常生活带来巨大的机遇，但若要充分利用这项技术，不仅需要大量的实践作为基础，更需要一套高度整合的方法助力落地实施。

　　众所周知，我们目前正处在第四次工业革命的风口浪尖。物联网(IoT)、人工智能、无处不在的无线互联、混合现实、区块链、自动驾驶车辆、云技术——包括这些在内的众多创新技术正悄然颠覆着各行各业的运作模式。最具前景的当属将工厂中使用的数字系统和物理系统并入工业物联网（IIoT)，以此所打造的信息物理系统将成为未来工业4.0的强健“基石”。

　　作为时下最热门，同时也伴随大量争议的话题，第五代蜂窝通信（5G）技术的作用被一些人认为是夸大其词且有炒作之嫌。然而，与此同时则有另外一些人竞相入局5G市场以率先占据市场空间，准备用5G技术大刀阔斧地改革他们所处的行业。而介于两者之间的是那些非常谨慎的人，他们在对5G进行投资的过程中，更希望获得有关研发5G新产品和解决方案的必要经验，一旦5G尘埃落定且技术成熟，他们就可直接将这些产品和解决方案提供给客户。

　　正是因为各种各样的炒作，这种行业乱象并不令人感到意外。由于5G的相关行业距离大规模部署尚有数年的时间，相对传统保守的行业更倾向于暂缓对工业物联网(IIoT)的投资，直到Rel-17中的新标准完全颁布实施。毕竟，当一场技术革命正在酝酿中时，为什么要把有限的资金投到4G LTE这个看起来可能已经过时的技术上呢?

　　但正是这样一个看似合理观念亟需纠正：4G LTE非但没有过时，反而仍在不断发展，在未来几年该项技术将会继续扩大市场份额，甚至会长时间占据市场主导地位。 ^[1] 事实上，4G LTE网络将在5G网络扎根之时起到补充甚至支撑的作用。

　　在5G的大趋势下，一个观念正逐渐被人淡忘或忽视：就是在未来10年中，4G LTE仍将是工业物联网解决方案的最具竞争力的通信技术。在本篇文章中，我们将阐述其中的原因。此外，我们还将研究如何为全新5G时代做好准备，深入探讨如何使用当今的4G LTE技术，并持续发掘5G技术中所蕴藏的价值。

　　1 一个游戏规则的终极颠覆者

　　毫无疑问，5G将会带来一场巨大的变革。5G背后的大肆炒作是有道理的。事实上，它甚至有机会实现我们更长远的目标：从根本上改变蜂窝通信技术在社会中所扮演的角色，并最终形成一个建立在众多颠覆性创新技术基础之上的“万物互联网”。

　　● 5G将会增加新的频段，包括sub-1 GHz和mmWave(>24 GHz)，以扩大容量。

　　● 5G将在mmWave频段提供高达1 GHz的信道带宽，以实现超高的宽带速度。

　　● 5G会引入一种功能齐全的全新无线接口(5G NR)，以满足覆盖各行各业多元化的需求。

　　● 5G将需要一个具有Small Cell、网络切片、网络虚拟化、边缘计算等技术的新核心网络，以便满足各种需求，并根据行业特定需求来灵活调整性能。

　　5G规范由负责定义全球蜂窝通信标准的标准化机构3GPP定义，从而满足各种与工业领域相关的新生使用场景。从新一代人机界面到自动化制造，再到传感器网络和云连接，每一个应用都可以在5G的三大应用场景中得以实现：

　　● 增强型移动宽带(eMBB)将提供每秒超过10 Gb的数据传输速率，同时将容量增加三个数量级。

　　● 超可靠的低延迟通信(URLLC)将实现高达99.9999%的惊人可靠性和毫秒级的延迟。

　　● 最后，海量机器类通信(mMTC)将进一步扩展当今低功耗广域网(LPWA)的前景，从而能以更低的功耗、更低的成本传送零星数据。

　　2 交替推出

　　虽然5G技术令人期待，但在全球范围内实现全面推广尚需一些时日。我们将看到，移动网络运营商会根据他们在各自市场中看到的商业案例，以及他们自己进行所需投资的意愿和能力，调整他们的5G部署时间规划。此外，3GPP并未一次性发布适用所有行业的5G规范。相反，每个新版本都会给该技术带来额外的功能。

　　3GPP Release 15主要是为了实现eMBB及其高速数据传输——主要针对消费者市场。Release 15进一步细分为三个子版本。

　　第一个子版本主要是以4GLTE网络为基础实施非独立组网(NSA)，该版本已于2017年底交付。主流的移动网络运营商(MNO)将这项技术推行到关键城市区域市场。

　　第二个子版本涉及实施5G的独立组网(SA)，于2018年中完成。

　　随后，最后一个子版本于2019年初发布，进一步在技术上追加改进和创新。由于移动网络运营商(MNO)仍在忙于推出5G NSA，因此，我们可能还需等待数年才能看到5G SA版的商业推广。

　　3GPP Release16计划于2020年上半年发布，它将最终解决对互联行业影响最大的两大应用场景：URLLC和mMTC。特别是 URLLC，需要部署专用网络。计划于2021年第四季度发布的Release 17将会进一步拓展这些功能。

　　3 向低功耗广域网的平稳过渡

　　为了延长刚刚实行的LPWA解决方案的使用寿命，3GPP联盟正努力确保从4G LTE到5G技术的平稳迁移。

　　LTE网络不仅将在未来10年或更长时间内保障其可用性，而且有望继续向5G时代演进，并获得进一步长远投资，从而在功耗、性能、设备尺寸、功能和成本方面实现进一步的改善。杰出的向下兼容性将确保4G LTE解决方案即使在5G成为主流的情况下也能继续运行。此外，在当今4G网络上工作的“传统”LPWA设备将与5G网络兼容。

　　这正是一些行业仍在采用4G LTE提供的先进技术来简化运营、提升效率和提高生产率的原因。这一趋势只会随着我们进入5G时代而加速，这将改变整个工厂的运维逻辑，而不再会像现在一样以高度分散的有线技术市场为主导。

　　打个比方，当前的制造基地就像一个包含多个“连接岛”的群岛，各连接岛之间由网关相互隔开。由于现有的技术标准是分散的，因此缺乏互操作性，若要将不同的工业网络技术连接起来需要一系列的协议转换。

　　与此相对的是，工业4.0承诺在任何时候，在所有流程和资产上都能实现完全透明，并且商品、生产系统、供应和分销链、人员以及流程之间将实现无缝通信，所有这一切都必须依赖于统一、强大、可靠的无线连接。

　　4 新兴商业模式

　　5G并非只是对运营进行重新定义。由于数据的访问愈发便利，整个商业模式都将发生变化。在整个垂直行业，数据的生成速度比以往任何时候都要快，而数据也被作为实时质量控制、预测性维护、集成供应和分销链、劳动力监控等诸多事务的一种实现手段，其战略价值正在迅速增加。这从根本上改变了各行各业的运作方式。

　　举个例子，工业4.0推动商业发展的口号是：“今日下单，明日发货。”同时，它也扭转了数十年来集中大规模生产的趋势：只有当生产力向终端客户靠拢时，才能读取每个人的定制化需求，并以批量生产及时满足用户需求。

　　完全可追溯能力同样具有颠覆意义：得益于工业4.0，运营经理可以知道他们生产的每一台设备中的每一个零件的确切来源。即使在部署的时候，设备也可以被持续监控，从而找出制造过程中的薄弱环节进行改善，借此提高未来产品的质量。此外，客户还可以从基于数据和洞察力的服务和支持中长期获益。

　　通过采用不需要有线连接的技术，工业4.0将使制造业更敏捷、更多样化。与过去的有线解决方案相比，LPWA和5G技术更易于部署，因此减少了收集大量感测数据所需的投资。它们可以加快现有和新装设备的实施。它们提供更高质量的信息，并且保证了操作人员的安全。最后，它们可以更灵活地实施，并且更易于扩展。

　　5 将工业自动化水平提升到新的高度

　　要利用这一庞大的数据池并将其转化为实际的利益，需要一种更具创新、更全面的方式来管理资源、货物和人员，甚至追踪供应、生产和分销链中所有流动性资产。更不用提要保障所有机器和其他装置的正常操作和维护，以及相关人员的安全。

　　要在货物、生产系统和流程之间建立并运行这种新的通信方式，需要常规的人类思维和缜密的监管，以及对生产流程各方面的更深入了解。同样，在优化输送带上的流程时，将需要更复杂的规划、创建和流程管理，而且还需要进一步加强本地生产能力。

　　这种高度整合的方法[即操作技术(OT)和信息技术（IT）之间的结合]发展到巅峰，将驱动数字孪生技术的进一步发展，该技术以虚拟形式表示与制造流程有关的所有相关信息。随着技术的不断成熟，数字孪生技术将在广度和深度上都取得进展，同时试图将越来越多的有关资源、产品和资产的详细数据，以及有关运营基础设施、机器甚至外部供应链的状态和性能的信息结合在一起。

　　6 私有网络将成为迈向 5G 的跳板

　　然而，5G的相关行业领域还需等待数年才能在公共网络上进行部署。同时，由企业或专业服务提供商拥有和运营的非公共网络将是解决低可靠性、低可用性、低周转时间、数据隐私等挑战的最快捷方法。

　　非公共网络已经可以使用4G LTE，这使得公司可以调整网络参数和无线电频谱利用率来满足行业特定的需求。这些私有网络能够支持关键应用、超低延迟、超高数据传输速率，甚至能够媲美5G更高、安全的通信级别。

　　制造工厂、仓库、供应链和物流显然是私有网络的受益者。在某种程度上，它们完全利用了无线连接，制造工厂往往是由那些无法集成到单个平台的技术拼凑而成，因此限制了它们可以支持的应用的复杂性。4G LTE和随后的5G私有网络可以提供更高级别的多功能性、可扩展性和易实现性。

　　一些国家已开始专门为工业私有蜂窝网络保留频谱。德国保留了(3.7~3.8)GHz的频谱，瑞典可能也会效仿。日本保留了2.4、4.5、4.6和(28.2~29.1)GHz的频谱，而英国保留了1.8GHz、2.3GHz、(3.8~4.2)GHz和(24.25~26.5)GHz的频谱。

　　德国联邦网络局将为提出申请的用户分配最长达10年之久的频谱，年费为数千到数万欧元不等，具体取决于所申请的带宽、分配持续时间和覆盖区域。这是一项很有吸引力的举措，但并没有得到移动网络运营商的一致支持，这主要是因为频谱被削减了相当大的一部分。

　　7 塑造互联行业的未来

　　在u-blox，我们致力于塑造互联行业的未来。作为3GPP联盟的活跃成员，u-blox参与了NB-IoT和mMTC标准化并做出自己的贡献。此外，u-blox还积极参与试点研究，探索5G技术在工业使用场景中的要求和性能。

　　5G-SMART项目由欧盟委员会资助，汇集了来自工业界和学术界的众多合作伙伴，例如来自工业界的Bosch、ABB、Ericsson、u-blox，以及来自学术界的隆德大学、巴伦西亚理工大学、弗劳恩霍夫研究所等等，旨在评估5G在实际制造环境中的潜力。作为5G-ACIA项目的积极成员，u-blox与一个由IT和OT行业合作伙伴组成的多元化团队合作，以确保5G技术和5G网络尽可能适用于互联行业，特别是制造业和加工行业。

　　8 马上开始

　　通过扩大蜂窝通信技术支持的应用范围，5G有望将互联行业提升到一个全新的水平。然而，该标准的相关行业方面尚需数年时间才能成熟，况且移动网络运营商也需要推出用于实施5G解决方案的基础设施。好消息是，3GPP正在努力确保人们能够从今天的4G LPWA技术向5G技术的平稳过渡。这意味着，您今天就可以启程5G之旅，享受4G LPWA带给您的新型商业模式的机会，并从技术上领先于您的竞争对手，从长远来看，这会给您带来可观的收益。

　　参考文献：

　　[1]麦肯锡公司.数字公用事业：新挑战、新能力和新机遇[R/OL].(2018-6).https://www.gsma.com/mobileeconomy/wp-content/uploads/2018/02/The-Mobile-Economy-Global-2018.pdf.

　　本文来源于科技期刊必威娱乐平台 2020年第05期第26页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： 202005 4G LTE 5G 工业物联网 工业 4.0