深度解读5G技术如何影响AIoT?应用场景不断丰富,推进边缘计算普及

[导读] 4G改变生活,5G改变社会,5G不仅仅是一次信息通信技术的升级换代,更是一场影响深远的全方位变革,它将为经济社会发展注入新的活力。

4G改变生活,5G改变社会,5G不仅仅是一次信息通信技术的升级换代,更是一场影响深远的全方位变革,它将为经济社会发展注入新的活力。

今年5G牌照正式发布,需要搭载网络的诸多领域都将步入高速发展,许多省市都陆续制定并发布了5G发展规划,以此为新的发展动力,5G的发展对推动数字经济发展有直接的意义,也将成为我国经济增长新动力。今年6月,5G赋能5大领域,勾勒5G生态圈蓝图,其中5G智慧家庭+5G智慧社区组成的智慧生活。5G技术将在通信网络、数据安全、智能终端等方面发挥着作用。

随着2019年6月6日工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电四家运营商颁发5G商用牌照,我国5G商用落地正式展开,中国发放5G商用牌照,意味着中国正式进入5G商用元年,就5G技术层面而言,又可以分为多层来看。

5G技术的特点

5G作为新一代信息通信技术,具有高速率、泛在网、低功耗、低时延、大容量等特点,打造更为广阔的应用场景,也将带来更多的技术管理服务和模式创新。

5G具有增强移动宽带、高可靠低时延和广覆盖大连接等特性,带来了业务的开放性、多样性、智能型、高可靠和敏捷性。

高连接密度,顾名思义,就是一个区域单位能够连入网络的总数极大的提高了。通过使用海量机器类通信技术(mMTC),5G把每平方公里的连接数量提升到了百万级别,超越了4G至少十倍以上,目标客户设备瞬间从一台手机变到了十几台设备。

如果我们把之前四代移动网络看做是种只能选择流量的产品,那么5G的细分网络技术就是把这种产品的可以选择的属性变得更复杂。除了流量之外,网络的速度、延迟、功耗、甚至硬件成本都变成了客户可以选择的一种属性。

5G还会用到SDN软件定义技术。传统IP网络按无连接方式工作,不论前后的IP包是否属于同一次通信而独立选路,路径上的每一个路由器也逐包选路,效率不高。SDN可实现业务控制层和传送承载层分离,SDN基于大数据和人工智能形成可弹性扩展即插即用的资源池,实现端到端选路,可绕开有安全风险的路由。

5G的商用,将促使智能家居从概念走进生活。由4到5,数字简单更迭的背后是一场足以改变大众生活习惯,为各个经济产业带来新机遇的巨大变革。相比于前四代移动通信技术,5G在各方面的优势是指数级的提升。速率最高可以达到4G的100倍,实现10Gb/秒的峰值速率;5G的空口时延可以低到1毫秒,仅相当于4G的十分之一;每平方公里可容有100万设备的连接数,是4G的十倍之多;这些优势为物联网的全面发展提供了得天独厚的基础条件,再加上AI的不断优化、专有芯片的研发突破、RFID的广泛普及,物联网的爆发已是未来的必然。

传输速率的提升

纵向对比历史,设计速度上来看2G比1G快了20倍,3G比2G快了20倍,4G比3G快了10倍,而5G相对4G的百倍带宽将是历史上提升最大的一次;这样的速度是4K清晰度直播流媒体(25Mbps)所需求的 40 倍。基于目前的行业预测,5G 所提供的带宽甚至能满足未来 20 年消费者对网络带宽的需求,并全面超越有线互联网。

从技术角度讲,5G比4G网络的传输速度快数百倍,热点的覆盖面比现在要大得多,当然随之而来的投入也会比4G高很多,因此这将是一个漫长的过程。4G实现了邻里之间的交流,但是总归还是隔着距离,而5G则做到了面对面交流。4G网络下可能需要好几分钟的时间来下载一个较大文件,而在5G网络下仅仅是一两秒。

智能家居生态本身就是通过互联网进行连接,网速快慢对于用户的指令传达有直接的影响,5G的传输速率基本上可以达到4G传输的10倍以上,让用户的语音指令能够准确清晰地得到反馈。

时延大幅减少

与4G基站相比,5G基站采用更大规模的MIMO技术,5G的高频率电波需要的电线规格小很多。在一个天线阵上排列上百根天线,让5G信号强度大幅度增加,相比4G网络的10ms的时延,通过使用MIMO技术5G网络中,这个数字被缩小为1ms。
根据测试,在使用4G网络对智能家居进行控制时往往时延较高,下达指令之后要停顿几秒才有回应,用户的体验大打折扣,而5G让人机交互的可能得到真正地实现。

网络标准的统一

5G的脚步越来越近,这将带动一系列行业的变革,智能家居作为与物联网紧密相关的领域,5G商用意味着有助于连接各类设备,标准不一的弊端将会得到突破。

国家级标准的建立,将有效解决产业内的诸多痛点,尤其是在互联互通方面。随着5G技术逐渐商用,可以借助各类标准来打破各厂商自订标准、割据一方的混乱局面,有利于推动智能家居市场的蓬勃发展。在标准体系构建完成以后,通过检测认证服务把智能家居市场内的产品逐步规范化,不断推动各方的产品功能向前迭代,对产业创新壮大起到了重要推动作用。

AIoT的应用场景不断丰富,2019年在中国主要分布于智慧家居、智慧城市、智慧零售和智慧制造4项应用场景中。

其中智能家居领域则是AIoT时代普及的最前端行业,AIoT首先的应用领域是智能家居,智能家居有多种入口,诸如智能手机、智能音箱、智能电视、智能门锁,以及未来的智能机器人。这些都是智能家居的控制中心,未来可能会有更多类别,实现更好的控制,而5G+边缘计算能够更好地支撑这样的场景应用。

物联网发展下的全新生活场景将在一段时期内带动家用电器消费者陆续规模化的产品更新换代需求,这对于处在存量市场的家电企业来说,无疑是一个谋取更高增长或变道超车的好时机。5G时代的网络解构更为深入具体,沟通成本大幅降低,这将使产业链的协同性大大提升。5G覆盖下的智能家居为家电企业带来数千亿级别内生资源的同时,也对将行业原有的格局和商业模式形成巨大冲击。

5G时代:AI带来的网络功能虚拟化和软件定义网络

传统互联网发展进程中,初期网络不够稳定,包括传感器数据、语音数据、视频数据等数据业务,所有业务都以IP包方式独立选路,以IP包为单位在路由器中转发。以长视频为例,一个长视频需要分割成无数个IP包,每个IP包需要重复进行选路。传统路由器收到IP包需要先打开IP包查一下地址,然后按最短路线送到旁边的路由器,因而整个传送链路是逐个路由器转发的过程。

5G需要在传输层做改进,需要有在不同层次的多种转发单元,以适应不同规模的业务流。即不仅可以在路由器中做IP包的交换,还需要能够在交换机、交叉连接点层上做交换。根据业务模块数据量大小,选择不同交换方式。

现在的5G网络,硬件上采用通路的硬件,即网络功能虚拟化(NFV),通过软件定义实现硬件功能定义,实现功能的多样性。另一方面是实现管理智能化。传统互联网是个“傻瓜”,不用区分是什么链路,不管是什么业务,都会分割成IP包进行传输。而现在需要区分业务、区分功能,这就需要智能化网络。没有人工智能,5G也无法实现网络功能虚拟化。

5G通过网络的整个操作系统对全网进行大数据分析、人工智能分析,最终得出一个全网从起点到终点最优路径。这一定不是逐个路由器转发,而是面向连接,从源端已经将到达终端的路由器的整个路径已经选好,而不是每个路由器单独选路,这种方式使5G可以做到低时延、高可靠。SDN可以实现业务控制层和传送承载层分离,基于大数据和人工智能形成可弹性扩展即插即用的资源池,实现端到端选路,可绕开有安全风险的路由。

5G网络切片(Network Slicing)

5G网络既需要支持百公里时速的高铁上的高速应用场景,同时也要满足80%左右时间是坐在家里或办公室使用手机的相对静止的应用场景,这使得5G必须需要拥有切片能力。对同一个地理位置的不同设备提供完全不同属性的独立网络,这些网络的带宽、延迟和连接功耗都不一样,客户可以根据需求购买和接入不同类型的网络。

面对5G时代海量复杂应用场景的需求,此前的网络是通过改变物理网络来实现不同的应用,当下5G网络则是使用同一个网络,通过逻辑上的切片组织针对不同业务的专用网络,以实现对大带宽、广连接、低延时高可靠有不同需求的网络构建,未来物联网的业务在5G网络中也会有各自单独的通道。

比如对即时反应要求非常高的无人车,会选择连入极低延迟但带宽相对较小的5G网络,从而避免支付额外的带宽费用;一台8K超高清网络电视则更需要大带宽而相对高延迟的网络,因为电视是可以缓冲的,但车流不能;苹果手表显然对延迟和带宽都不要求,它需要一个便宜而且能耗极低的网络来保证相对更低的电力消耗;汽车,手表和手机哪怕同时同地连入5G,它们可能接入的是不同类型的网络。

但对于路由来说,过去各个路由器是独立选路的,现在改成了集中选路,网络操作系统会成为被攻击的重点。同时,大网集中选路对算法的收敛性有比较高的要求,网络稳定性是比较容易受影响的。因此,同样的能力,对安全而言也是一把双刃剑。

在业务切片方面,未来5G会使用到网络切片技术,而网络切片技术对安全提出了更高的要求。比如,切片授权与接入控制,切片间的资源冲突,切片间的安全隔离,切片用户的隐私保护等。切片技术的好处是可以隔离故障网元,做到网络业务的隔离。但从另外一个角度来看,切片依赖于网络资源和业务类型以及流量,要精准地把握,否则将无法组织好跟业务对应的切片。切片本身要有很强大的操作系统,它可能会首先遭到木马的攻击、病毒的控制,最后的影响将会使网络瘫痪。

边缘计算:边缘计算将是整个AIoT基础设施的一部分

5G的切片能力带来面向不同业务需求的专用网络,与此同时,5G也会强力推进边缘计算的应用与普及,为适应工业互联网、视频业务、VR/AR、车联网及远程医疗的低延时需求,需要将这些业务的存储和内容分发下沉到边缘计算来处理。

虽然5G的空口时延减少到了1ms,但是如果在地面上长距离传输到中心云的话,延时还是会很大。对于AR/VR、远程医疗这类需要快速相应的应用场景,5G为了实现低时延、高可靠,需要将云端能力从中心云分解到边缘云,边缘云负责处理对时间要求敏感的业务,同时过滤掉一些数据,再送到中心云,中心云收集到若干边缘云的数据后会做优化学习,然后下发数据模型到边缘云。

需要将这些业务的存储和内容分发下沉到边缘计算来处理。利用边缘计算可以过滤和压缩数据,节省核心网资源,在网络连接不稳定时仍可保证应用的可靠性。未来将有超过50%的数据在边缘侧处理。到2020年边缘计算支出将占物联网基础设施总支出的18%,成本仅为单独使用云计算的39%。虽然边缘计算对数据就近处理减少了敏感数据泄露的风险,但边缘计算设备安全防护能力不及云中心,对原有集中式内容监管模式带来挑战。

随着大量不同场景的控制设备相继接入物联网,庞大的控制网络及数据处理需求将给服务器/云平台造成巨大的压力。边缘计算网关基于边缘侧的超强数据处理能力,在边缘侧即给出控制反馈,控制路径大大缩短,设备管控更高效、及时,同时大大减轻系统服务器/云平台的负担。

在5G时代,利用边缘计算可以过滤和压缩数据,通过边缘云的模式,可以节省核心网络资源,成本仅为单独使用云计算的39%。

NB-IoT、eMTC纳入5G技术标准中

本来这些都与5G无关,但是近期,3GPP通过仿真向ITU提交报告,说明在LTE和未来5G频段工作的NB-IoT和eMTC满足5G的连接密度要求(5G的大连接要求:100万/1k㎡设备联网;传输时延10秒内;不高于1%的丢包率;一定的连接效率),因此,NB-IoT和eMTC可纳入5G低功耗广域网(LPWAN)物联网标准。

部分大企业希望使用非许可频段的LoRa来建内部网络,与此同时,对于大量中小企业,自建物联网并不经济,工作在授权频段的NB-IoT可以为企业提供一个通过多载波方式、承载在公众通信网上的专用物联网,这一网络支持多个20KB或250KB的信道上,有以下四大特点:

广覆盖:比GSM覆盖面积大百倍;大连接:比移动网络高50-100倍;低功耗:终端模块功耗为2G的1/10;低成本:单个连接模块目标在1美元。预计今年年底,三大运营商在全国二三四线城市大部分地区都能实现全面覆盖。

尽管如此,NB-IoT网络还是有三个明显的缺点:

带宽只有20K\250K,低也低不下去,高也高不上来;第二,NB-IoT传感器是固定位置的,不支持移动部署,而工业应用的工件、机器人及网联车的传感器是移动的;第三,NB-IoT的模块无法实现与人的交互。

为此,行业中除了NB-IoT还在开发新的物联网标准,例如支持1M带宽、支持移动部署、可以实现与人交互的eMTC;支持160bps带宽,可以实现大连接的mMTC。新的5G物联网已经将工作在5G频段的NB-IoT、eMTC和未来的mMTC全部纳入到5G物联网标准中。

5G政策解读

上海市政府印发《关于加快推进本市 5G 网络建设和应用的实施意见》,明确了上海近三年5G发展目标:

2019年,建设5G基站1万个,实现中心城区和郊区重点区域全覆盖,启动建设若干应用示范区,形成10项左右重点示范应用。

2020年,累计建设5G基站2万个,实现全市域覆盖,累计总投资超过200亿元,在20个垂直行业推进典型应用100项。

2021年,累计建设5G基站3万个,累计总投资超过300亿元,培育100家5G应用领域创新型企业,5G应用产业规模超过1000亿元。

·杭州发布的《杭州市加快5G产业发展若干政策》,对达到相关要求的研发创新企业给予相应资金支持:

比如支持企业在5G核心设备、模组等领域开展产品研发,突破关键技术,对研发投入在300万元(含)以上的,给予其研发投入的20%,最高不超过1000万元的资助。

企业开展5G产业集成电路研发的,给予其购买IP(知识产权)直接费用的 30%、最高不超过200万元的资助。

对复用、共享本市第三方IC(集成电路)设计平台的 IP设计工具软件或测试分析系统的,给予其实际投入的40%、最高不超过100万元的资助。

对开展工程产品流片的,给予其该款产品掩膜版制作费用的50%或首轮流片费用的30%、最高不超过300万元的资助。

·湖北省政府发布的《湖北省5G产业发展行动计划 (2019-2021 年)》:

提出用3年努力,建设全国5G产业发展先行区,到2021年,湖北5G核心产业 (通信服务和设备制造) 产值过2000亿元,带动相关产业过1万亿元;5G示范应用场景100个,孵化培育1000家应用示范企业。力争工业互联网、智能网联汽车、超高清视频和VR/AR/MR、远程健康医疗、智慧教育等5大领域应用走在全国前列。

2019年,建设5000个基站,满足军运会试商用需要,优先覆盖武汉大型交通枢纽、军运会场馆等热点地区。到2021年,累计投入600亿元,力争建设5G基站5万个以上,实现武汉市5G网络全覆盖,宜昌、襄阳等有条件的地方主城区全覆盖,逐步覆盖全省县级以上区域的重要交通基础设施(车站、机场、港口)、县级医院和3A以上旅游景区。

·深圳发布的《深圳促进第五代移动通信创新发展行动计划》提出,深圳第五代移动通信创新发展行动计划核心是三大目标:

第一个目标是是5G网络覆盖率领先,重点是率先建成5G规模的商用网络,实现全市城区网络的全覆盖,打造万物互联的5G先锋城市。

第二个目标是技术标准持续领跑,我们在这里提了要实施20个技术攻关和产业化的项目,建设一个国家级,十个市级以上的创新载体,制定10个以上5G应用标准。

第三个目标是行业示范效应显著,重点优先了智能网联汽车、云、AR/VR,希望通过应用拓展5G行业的联合应用。

2019智能家居市场创新大会暨智能家居行业年终盛典,将于12月3日在杭州三立开元大酒店盛大召开。

本届创新大会将会进行18场精彩纷呈的主题演讲,展示百余款智能家居创新产品,探索互联生态发展趋势、集成市场创新应用和行业创新解决方案,并将重磅发布《2019智能窗帘生态发展白皮书》。大会将汇聚包括联盟成员企业代表、CSHIA智能家居创业营学员代表、区域重点经销商代表、智能化创新企业与新兴创业团队、互联网平台、开发商、运营商、酒店工程部及设计师代表在内的千余位智能家居领域专业观众共襄盛会。

2019年度智能家居“鼎智奖”颁奖盛典也将在本届创新大会上揭晓。此外,现场还将举办杜亚之夜·智能家居行业年终盛宴、2019年度智能家居年度创新产品颁奖、2019年度智能家居&影音集成方案设计大赛颁奖、2019年度优秀智能家居体验店设计大赛颁奖和第二届Cetron智能家居网络设计方案大赛颁奖仪式。

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