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5G新時(shí)代 2019年10月31日，工信部與中國的三大移動(dòng)運營(yíng)商（中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國電信）共同宣布啟動(dòng)5G商用，這標志著(zhù)5G正式進(jìn)入了全國普及階段。今年（2021年），工信部計劃新建5G基站60萬(wàn)個(gè)。在實(shí)現地級以上城市深度覆蓋的基礎上，加速向有條件的縣鎮延伸。 無(wú)論是商業(yè)原因還是國際競爭的原因，5G幾乎從4G普及之后就已經(jīng)成為確定的發(fā)展方向。而只有當大量基站建設鋪開(kāi)、5G信號被較大數量的人口接收到的時(shí)候，5G的實(shí)際價(jià)值才能慢慢展現。作為第五代移動(dòng)通訊技術(shù)，5G的出現將解決之前通訊技術(shù)中遇到的傳輸速度和信道容量問(wèn)題。對比之前的移動(dòng)通訊技術(shù)，4G的設計最快速度可以達到150Mb/s，而5G的最快速度則可以達到20Gbps [1]。從容量上說(shuō)，5G會(huì )利用頻率更高的厘米波和毫米波段，通道帶寬可以達到400MHz，比4G的20MHz高出了20倍[2]。 可以說(shuō)，5G技術(shù)是通信領(lǐng)域的高速公路，有助于實(shí)現高速度、低延時(shí)、高帶寬的通信，也就是讓越來(lái)越多的設備更容易地連入網(wǎng)絡(luò )。當5G結合物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現實(shí)和人工智能，很多新型應用將更容易實(shí)現；當5G進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)4.0才可能實(shí)現。 5G在實(shí)際生活中的應用 5G與其他技術(shù)結合，可以實(shí)現更大的價(jià)值。下面簡(jiǎn)述5G在自動(dòng)駕駛、虛擬現實(shí)、遠程醫療和智慧城市中的作用，有助于在這些領(lǐng)域中實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)。 自動(dòng)駕駛 5G可以實(shí)現大數據的快速傳輸，輔助人工智能的應用。這意味著(zhù)大量應用的終端可能只是數據采集端和執行端，采集到的數據可以低延時(shí)地傳回數據終端，數據中心的決策和預測再傳回終端。于是，自動(dòng)駕駛汽車(chē)就可以把計算分析的任務(wù)交給數據中心；甚至更直接地，汽車(chē)直接經(jīng)由5G實(shí)時(shí)共享畫(huà)面，讓司機遠程開(kāi)車(chē)。 另外，5G具有的高容量可以容納海量通信設備，也就可以實(shí)現自動(dòng)駕駛汽車(chē)之間的通信。所有一定范圍內的自動(dòng)駕駛汽車(chē)就可以構成一個(gè)集群，每臺車(chē)可以根據其他車(chē)的行進(jìn)方案實(shí)時(shí)調整自己的方案，從而更好地實(shí)現躲避擁堵的目的。 虛擬現實(shí) 5G對于虛擬現實(shí)的影響也難以估量。首先，海量數據可以傳遞給虛擬現實(shí)終端，畫(huà)面的更新速度提升，從而改變虛擬現實(shí)的體驗，至少用戶(hù)不會(huì )再頭暈。另外，如果把真實(shí)世界同一位置不同角度的圖像信息經(jīng)由5G傳輸給虛擬現實(shí)終端，人們甚至可以實(shí)現遠程進(jìn)入同一時(shí)刻的另一個(gè)真實(shí)空間。 遠程醫療 5G的高容量可以允許傳感器直接聯(lián)網(wǎng)。實(shí)時(shí)監測人體各項指標的傳感器（如心率、腦電、血糖等）可以連入網(wǎng)絡(luò )，一旦有指標發(fā)生嚴重問(wèn)題，醫生甚至可以比病人更早地發(fā)現問(wèn)題并采取措施。 5G的高速度和低延時(shí)也可以更好地實(shí)現醫生遠程看病甚至遠程手術(shù)。早在2019年，中國就完成了北京專(zhuān)家對天津、河北、新疆的遠程手術(shù)。遠在北京的醫生通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)獲取當地圖像，并且交替對三地的手術(shù)機器人進(jìn)行操作，不僅幫助本地醫生規劃手術(shù)方案，而且實(shí)現了遠程操控[3]。 智慧城市 5G是智慧城市不可或缺的工具，可以說(shuō)，智慧城市是建立在5G網(wǎng)絡(luò )上的城市。除了城市中的自動(dòng)駕駛汽車(chē)自然也離不開(kāi)5G，城市中的大量攝像頭可以直接聯(lián)網(wǎng)，攝像頭網(wǎng)絡(luò )可以用來(lái)調控交通、監控異常。另外，城市環(huán)境也可以被傳感器網(wǎng)絡(luò )監測。以西班牙巴塞羅那為例，政府在全市安裝了超過(guò)2萬(wàn)個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器，用于收集氣溫、濕度、污染、噪音、交通流量等各領(lǐng)域的數據信息。 在家里，電器設備可以高速接入云端大腦，讓輕量級的設備也能聽(tīng)從語(yǔ)音指示，甚至家用電器可能在用戶(hù)尚不注意的時(shí)候就已經(jīng)自動(dòng)跟商家報修。另外，由于5G的低延時(shí)，在家工作、聽(tīng)課、開(kāi)會(huì )都可以實(shí)現等同于面對面的實(shí)時(shí)交流，這可以提升工作和學(xué)習的效率，實(shí)現真正的“在家辦公”。 5G在工商業(yè)領(lǐng)域的應用 除了面向用戶(hù)的應用，5G也將深刻改變工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò )應用。 生產(chǎn)線(xiàn)監控 在生產(chǎn)線(xiàn)上，正因為有5G，才能實(shí)現生產(chǎn)線(xiàn)上的物物連接，從而實(shí)現工業(yè)4.0倡導的生產(chǎn)線(xiàn)的調控。5G帶來(lái)的數據快速傳輸可以幫助更多數據更便捷的融合，實(shí)現低延時(shí)地遠程監控生產(chǎn)過(guò)程。早在2019年，湖北移動(dòng)在中國信科集團旗下的虹信公司利用5G和自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現了自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)，包括自動(dòng)焊接、自動(dòng)上料、振子選波焊、視覺(jué)檢測、性能測試等工序。不僅實(shí)現了生產(chǎn)線(xiàn)的遠程監控，而且大大提升生產(chǎn)效率。一個(gè)人監控的生產(chǎn)線(xiàn)，一天就可以完成之前十個(gè)工人干十幾天的工作量[4]。 當生產(chǎn)線(xiàn)上的各個(gè)設備都連入網(wǎng)絡(luò )，對生產(chǎn)線(xiàn)的監控可以實(shí)時(shí)、可視化，從“人管設備”過(guò)渡到“設備找人”。以5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)供應商凌犀物聯(lián)為例，旗下的HOMEY智能安燈系統、C-MES智造信息系統和LinkInsight透明工廠(chǎng)分別實(shí)現了設備問(wèn)題實(shí)時(shí)上報、生產(chǎn)工序投入產(chǎn)出監測和基于人工智能的設備的預測性維護和生產(chǎn)性能評估[5]。 智能工業(yè)園區 5G應用在園區內將改變生產(chǎn)模式以至于達到未來(lái)工業(yè)4.0的水平。比如自動(dòng)駕駛用于生產(chǎn)資料和人員的移動(dòng)、智能攝像頭用于了解和監控各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。這樣的設想已經(jīng)逐步成為現實(shí)，比如在2019年，京東部署了LoMir（絡(luò )謎）智能物流平臺。在這個(gè)基于5G的智能物流園區中，5G高清攝像頭可以實(shí)現人員的定位管理，還可以實(shí)時(shí)感知倉內生產(chǎn)區擁擠程度，及時(shí)進(jìn)行資源優(yōu)化調度；5G與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)結合，可以管理園區內的人員、資源和設備；5G還幫助園區智能識別車(chē)輛，并智能導引貨車(chē)前往系統推薦的月臺進(jìn)行作業(yè)，讓園區內的車(chē)輛更加高效有序。 專(zhuān)用確定性網(wǎng)絡(luò ) 由于5G可容納大量的通訊設備和信道，而不同的應用又有不同的需求，網(wǎng)絡(luò )切片技術(shù)就可以幫助同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )分成彼此獨立的功能，比如工廠(chǎng)的傳感器需要低延時(shí)和高可靠性，城市內的傳感器需要保證單位面積內的連接數夠多，野外的傳感器還需要保持低功耗待機等等。 在網(wǎng)絡(luò )切片技術(shù)的幫助下，5G的一個(gè)重要功能是公網(wǎng)專(zhuān)用。正如按照不同功能進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò )切片，網(wǎng)絡(luò )也可以根據特定的隱私性要求進(jìn)行切片。對于智慧工廠(chǎng)、智慧產(chǎn)業(yè)園區等對隱私性有較高要求、但又沒(méi)有必要專(zhuān)門(mén)留出單獨頻段進(jìn)行通訊的應用，公網(wǎng)專(zhuān)用則相對經(jīng)濟地保證了隱私性。在這方面，北京聯(lián)通在三一重工構建了三一重工園區5G專(zhuān)網(wǎng)體系、幫助北京電力海淀500kV超高壓隧道5G專(zhuān)網(wǎng)建設。華為也提出了一系列行業(yè)需求，即能力可編排的差異化（Differentiated）、數據安全保障專(zhuān)屬性（Dedicated）、自主管理和自助服務(wù)（DIY）[6]。 5G未來(lái)發(fā)展的挑戰 盡管有合理的構想和一些成功的應用，但當5G已經(jīng)逐漸進(jìn)入人們生活的當下，5G未來(lái)發(fā)展的圖景反而顯得模糊。一方面，經(jīng)歷了近兩年的基站建設和發(fā)展，大部分用戶(hù)的直接體驗并沒(méi)有很好，甚至有人認為5G的出現不僅提高了資費水平，還影響了4G的速度。另一方面，上述那些激動(dòng)人心的應用很多似乎看上去還十分遙遠。對此，筆者有以下思考。 規模性 當基礎建設初步鋪設完成之時(shí)，才是5G大規模應用將要發(fā)生之時(shí)。更進(jìn)一步，只有當設備通過(guò)5G連入整個(gè)網(wǎng)絡(luò )成為一種新型的默認設定，5G以及其帶來(lái)的“萬(wàn)物互聯(lián)”的價(jià)值才真正能體現出來(lái)。但事實(shí)上，基礎設施的建設還遠遠不夠。根據工信部數據[7]，2021年一季度，中國已建成5G基站總數達81.9萬(wàn)個(gè)，連接到5G網(wǎng)絡(luò )的終端數達2.85億個(gè)。但相比于我國已經(jīng)建設了582萬(wàn)基站的4G網(wǎng)絡(luò )，5G的覆蓋深度和廣度還沒(méi)有達到足夠規模。 數據量與算法 5G的發(fā)展和應用離不開(kāi)數據和算法。無(wú)論自動(dòng)駕駛、智慧診療還是未來(lái)的智慧城市、萬(wàn)物互聯(lián)，數據的收集、處理、分析以及算法效能的提升都是基礎設施的一部分。以萬(wàn)物互聯(lián)的角度來(lái)看，現在算法處理的數據規模和智能程度還遠遠不夠。而站在5G的世界向后看，當人們適應了5G的世界甚至進(jìn)入6G的時(shí)候，所有信息都將會(huì )變成數據，這將會(huì )是海量的。比如可能會(huì )把嗅覺(jué)數字化、真實(shí)場(chǎng)景數字化、身體信息數字化，數據的存儲和處理又會(huì )是新的命題。從這個(gè)角度上說(shuō)，數據科學(xué)與算法設計的也需要隨著(zhù)5G的到來(lái)一同進(jìn)化。 世界競合 由于5G技術(shù)相比于之前的所有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )會(huì )更加深入地嵌入到大眾生活和專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )中，各國都會(huì )基于國家安全的考慮發(fā)展5G，也因此造成了中國與美國的博弈和摩擦。根據IPlytics的報告[8]，華為擁有5G必要專(zhuān)利占比達到了15.4%，居世界首位。與芯片相關(guān)的大量專(zhuān)利仍由美國高通公司擁有，而華為在5G網(wǎng)絡(luò )方面具有優(yōu)勢。這樣多強并立的局面直接影響了美國公司的發(fā)展路徑：美國通信行業(yè)解決方案聯(lián)盟在2020年底發(fā)起了“下一個(gè)G”聯(lián)盟（Next G Alliance），招攬了美國的蘋(píng)果、谷歌、AT&T、高通等大公司，一方面發(fā)展5G，另一方面提前布局6G；與此同時(shí)，也有消息說(shuō)美國希望延長(cháng)4G的服役時(shí)間，這樣可以直接饒過(guò)5G技術(shù)，從而繞過(guò)中國作為技術(shù)主導的這一輪通信技術(shù)革命。。由此可見(jiàn)，5G的發(fā)展融入了更多的國際政治因素，這也讓技術(shù)的發(fā)展不再純粹集中在經(jīng)濟或技術(shù)本身，從而也影響技術(shù)的發(fā)展和普及。 下一個(gè)G（6G） 正如上文提到，6G已經(jīng)開(kāi)始陸續進(jìn)入大國、大公司的事業(yè)。比5G更快、、更高效。6G的設計速度可以達到1Tbps，利用更快的太赫茲頻段（0.1-10Thz），其設計速度與容量均可以達到5G的上百倍。像5G一樣，科技大國和大公司還在爭取6G的標準定制權，而與此同時(shí)，一些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)浮出水面。這些技術(shù)包括太赫茲發(fā)射與接收的芯片技術(shù)、高功率通訊環(huán)境下電池技術(shù)、高性能計算下的保密技術(shù)（包括量子通訊技術(shù)）、網(wǎng)絡(luò )分布于智能化技術(shù)等[9]。 在2020年，新加坡和日本的大學(xué)宣布制造了太赫茲芯片，中國也已經(jīng)發(fā)射了太赫茲通信衛星[10]。而根據中國IMT-2030（6G）推進(jìn)組進(jìn)去發(fā)布的《6G總體遠景與潛在關(guān)鍵技術(shù)》[11]，6G將實(shí)現5G依然難以完成的全息通信、感官互聯(lián)等“科幻”場(chǎng)景。由于6G的建設是沿著(zhù)5G的思路、把提升容量、降低延時(shí)做到更高的水準。5G的建設依然可以為未來(lái)6G提供技術(shù)和經(jīng)驗儲備。 因此，5G發(fā)展仍然是大勢所趨，而且將是以后通訊發(fā)展的基石�，F在的5G正在進(jìn)入尋常人家的前夜，只是需要稍微耐心一點(diǎn)。正如中國信通院5G應用創(chuàng )新中心副主任杜加懂先生最近一篇文章[12]中所說(shuō)，5G的應用和發(fā)展都是“批次遞進(jìn)式”的，或許過(guò)幾年再回過(guò)頭來(lái)看，5G正如當初的4G一樣，已經(jīng)悄然走進(jìn)了人們的生活。 來(lái)源：貿澤電子 作者：王東昂 |
