以4G LTE啟程，開始您的5G之旅

　　Ludger?Boegerging（u-blox?蜂窩通信產(chǎn)品中心?戰(zhàn)略（市場開發(fā)）?高級專員）

　　摘?要：在5G 的大趨勢下，一個觀念正逐漸被人淡忘或忽視：就是在未來 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 時代做好準備，探討如何使用當今的 4G LTE 技術(shù)，并持續(xù)發(fā)掘 5G 技術(shù)中所蘊藏的價值。

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

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

　　眾所周知，我們目前正處在第四次工業(yè)革命的風口浪尖。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、人工智能、無處不在的無線互聯(lián)、混合現(xiàn)實、區(qū)塊鏈、自動駕駛車輛、云技術(shù)——包括這些在內(nèi)的眾多創(chuàng)新技術(shù)正悄然顛覆著各行各業(yè)的運作模式。最具前景的當屬將工廠中使用的數(shù)字系統(tǒng)和物理系統(tǒng)并入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT)，以此所打造的信息物理系統(tǒng)將成為未來工業(yè)4.0的強健“基石”。

　　作為時下最熱門，同時也伴隨大量爭議的話題，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，與此同時則有另外一些人競相入局5G市場以率先占據(jù)市場空間，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進行投資的過程中，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。

　　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(guī)模部署尚有數(shù)年的時間，相對傳統(tǒng)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施。畢竟，當一場技術(shù)革命正在醞釀中時，為什么要把有限的資金投到4G LTE這個看起來可能已經(jīng)過時的技術(shù)上呢?

　　但正是這樣一個看似合理觀念亟需糾正：4G LTE非但沒有過時，反而仍在不斷發(fā)展，在未來幾年該項技術(shù)將會繼續(xù)擴大市場份額，甚至會長時間占據(jù)市場主導地位。 ^[1] 事實上，4G LTE網(wǎng)絡(luò)將在5G網(wǎng)絡(luò)扎根之時起到補充甚至支撐的作用。

　　在5G的大趨勢下，一個觀念正逐漸被人淡忘或忽視：就是在未來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時代做好準備，深入探討如何使用當今的4G LTE技術(shù)，并持續(xù)發(fā)掘5G技術(shù)中所蘊藏的價值。

　　1 一個游戲規(guī)則的終極顛覆者

　　毫無疑問，5G將會帶來一場巨大的變革。5G背后的大肆炒作是有道理的。事實上，它甚至有機會實現(xiàn)我們更長遠的目標：從根本上改變蜂窩通信技術(shù)在社會中所扮演的角色，并最終形成一個建立在眾多顛覆性創(chuàng)新技術(shù)基礎(chǔ)之上的“萬物互聯(lián)網(wǎng)”。

　　● 5G將會增加新的頻段，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，以實現(xiàn)超高的寬帶速度。

　　● 5G會引入一種功能齊全的全新無線接口(5G NR)，以滿足覆蓋各行各業(yè)多元化的需求。

　　● 5G將需要一個具有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)，以便滿足各種需求，并根據(jù)行業(yè)特定需求來靈活調(diào)整性能。

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

　　● 增強型移動寬帶(eMBB)將提供每秒超過10 Gb的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時將容量增加三個數(shù)量級。

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

　　● 最后，海量機器類通信(mMTC)將進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(shù)據(jù)。

　　2 交替推出

　　雖然5G技術(shù)令人期待，但在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)全面推廣尚需一些時日。我們將看到，移動網(wǎng)絡(luò)運營商會根據(jù)他們在各自市場中看到的商業(yè)案例，以及他們自己進行所需投資的意愿和能力，調(diào)整他們的5G部署時間規(guī)劃。此外，3GPP并未一次性發(fā)布適用所有行業(yè)的5G規(guī)范。相反，每個新版本都會給該技術(shù)帶來額外的功能。

　　3GPP Release 15主要是為了實現(xiàn)eMBB及其高速數(shù)據(jù)傳輸——主要針對消費者市場。Release 15進一步細分為三個子版本。

　　第一個子版本主要是以4GLTE網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)實施非獨立組網(wǎng)(NSA)，該版本已于2017年底交付。主流的移動網(wǎng)絡(luò)運營商(MNO)將這項技術(shù)推行到關(guān)鍵城市區(qū)域市場。

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

　　隨后，最后一個子版本于2019年初發(fā)布，進一步在技術(shù)上追加改進和創(chuàng)新。由于移動網(wǎng)絡(luò)運營商(MNO)仍在忙于推出5G NSA，因此，我們可能還需等待數(shù)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景：URLLC和mMTC。特別是 URLLC，需要部署專用網(wǎng)絡(luò)。計劃于2021年第四季度發(fā)布的Release 17將會進一步拓展這些功能。

　　3 向低功耗廣域網(wǎng)的平穩(wěn)過渡

　　為了延長剛剛實行的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(wěn)遷移。

　　LTE網(wǎng)絡(luò)不僅將在未來10年或更長時間內(nèi)保障其可用性，而且有望繼續(xù)向5G時代演進，并獲得進一步長遠投資，從而在功耗、性能、設(shè)備尺寸、功能和成本方面實現(xiàn)進一步的改善。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(xù)運行。此外，在當今4G網(wǎng)絡(luò)上工作的“傳統(tǒng)”LPWA設(shè)備將與5G網(wǎng)絡(luò)兼容。

　　這正是一些行業(yè)仍在采用4G LTE提供的先進技術(shù)來簡化運營、提升效率和提高生產(chǎn)率的原因。這一趨勢只會隨著我們進入5G時代而加速，這將改變整個工廠的運維邏輯，而不再會像現(xiàn)在一樣以高度分散的有線技術(shù)市場為主導。

　　打個比方，當前的制造基地就像一個包含多個“連接島”的群島，各連接島之間由網(wǎng)關(guān)相互隔開。由于現(xiàn)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)連接起來需要一系列的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

　　與此相對的是，工業(yè)4.0承諾在任何時候，在所有流程和資產(chǎn)上都能實現(xiàn)完全透明，并且商品、生產(chǎn)系統(tǒng)、供應和分銷鏈、人員以及流程之間將實現(xiàn)無縫通信，所有這一切都必須依賴于統(tǒng)一、強大、可靠的無線連接。

　　4 新興商業(yè)模式

　　5G并非只是對運營進行重新定義。由于數(shù)據(jù)的訪問愈發(fā)便利，整個商業(yè)模式都將發(fā)生變化。在整個垂直行業(yè)，數(shù)據(jù)的生成速度比以往任何時候都要快，而數(shù)據(jù)也被作為實時質(zhì)量控制、預測性維護、集成供應和分銷鏈、勞動力監(jiān)控等諸多事務(wù)的一種實現(xiàn)手段，其戰(zhàn)略價值正在迅速增加。這從根本上改變了各行各業(yè)的運作方式。

　　舉個例子，工業(yè)4.0推動商業(yè)發(fā)展的口號是：“今日下單，明日發(fā)貨?！蓖瑫r，它也扭轉(zhuǎn)了數(shù)十年來集中大規(guī)模生產(chǎn)的趨勢：只有當生產(chǎn)力向終端客戶靠攏時，才能讀取每個人的定制化需求，并以批量生產(chǎn)及時滿足用戶需求。

　　完全可追溯能力同樣具有顛覆意義：得益于工業(yè)4.0，運營經(jīng)理可以知道他們生產(chǎn)的每一臺設(shè)備中的每一個零件的確切來源。即使在部署的時候，設(shè)備也可以被持續(xù)監(jiān)控，從而找出制造過程中的薄弱環(huán)節(jié)進行改善，借此提高未來產(chǎn)品的質(zhì)量。此外，客戶還可以從基于數(shù)據(jù)和洞察力的服務(wù)和支持中長期獲益。

　　通過采用不需要有線連接的技術(shù)，工業(yè)4.0將使制造業(yè)更敏捷、更多樣化。與過去的有線解決方案相比，LPWA和5G技術(shù)更易于部署，因此減少了收集大量感測數(shù)據(jù)所需的投資。它們可以加快現(xiàn)有和新裝設(shè)備的實施。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施，并且更易于擴展。

　　5 將工業(yè)自動化水平提升到新的高度

　　要利用這一龐大的數(shù)據(jù)池并將其轉(zhuǎn)化為實際的利益，需要一種更具創(chuàng)新、更全面的方式來管理資源、貨物和人員，甚至追蹤供應、生產(chǎn)和分銷鏈中所有流動性資產(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(tǒng)和流程之間建立并運行這種新的通信方式，需要常規(guī)的人類思維和縝密的監(jiān)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，將需要更復雜的規(guī)劃、創(chuàng)建和流程管理，而且還需要進一步加強本地生產(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(jié)合]發(fā)展到巔峰，將驅(qū)動數(shù)字孿生技術(shù)的進一步發(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。隨著技術(shù)的不斷成熟，數(shù)字孿生技術(shù)將在廣度和深度上都取得進展，同時試圖將越來越多的有關(guān)資源、產(chǎn)品和資產(chǎn)的詳細數(shù)據(jù)，以及有關(guān)運營基礎(chǔ)設(shè)施、機器甚至外部供應鏈的狀態(tài)和性能的信息結(jié)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(shù)年才能在公共網(wǎng)絡(luò)上進行部署。同時，由企業(yè)或?qū)I(yè)服務(wù)提供商擁有和運營的非公共網(wǎng)絡(luò)將是解決低可靠性、低可用性、低周轉(zhuǎn)時間、數(shù)據(jù)隱私等挑戰(zhàn)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(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和無線電頻譜利用率來滿足行業(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(shù)據(jù)傳輸速率，甚至能夠媲美5G更高、安全的通信級別。

　　制造工廠、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，它們完全利用了無線連接，制造工廠往往是由那些無法集成到單個平臺的技術(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、可擴展性和易實現(xiàn)性。

　　一些國家已開始專門為工業(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分配最長達10年之久的頻譜，年費為數(shù)千到數(shù)萬歐元不等，具體取決于所申請的帶寬、分配持續(xù)時間和覆蓋區(qū)域。這是一項很有吸引力的舉措，但并沒有得到移動網(wǎng)絡(luò)運營商的一致支持，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

　　在u-blox，我們致力于塑造互聯(lián)行業(yè)的未來。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還積極參與試點研究，探索5G技術(shù)在工業(yè)使用場景中的要求和性能。

　　5G-SMART項目由歐盟委員會資助，匯集了來自工業(yè)界和學術(shù)界的眾多合作伙伴，例如來自工業(yè)界的Bosch、ABB、Ericsson、u-blox，以及來自學術(shù)界的隆德大學、巴倫西亞理工大學、弗勞恩霍夫研究所等等，旨在評估5G在實際制造環(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 馬上開始

　　通過擴大蜂窩通信技術(shù)支持的應用范圍，5G有望將互聯(lián)行業(yè)提升到一個全新的水平。然而，該標準的相關(guān)行業(yè)方面尚需數(shù)年時間才能成熟，況且移動網(wǎng)絡(luò)運營商也需要推出用于實施5G解決方案的基礎(chǔ)設(shè)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(wěn)過渡。這意味著，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，并從技術(shù)上領(lǐng)先于您的競爭對手，從長遠來看，這會給您帶來可觀的收益。

　　參考文獻：

　　[1]麥肯錫公司.數(shù)字公用事業(yè)：新挑戰(zhàn)、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.

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