以4G LTE啟程，開始您的5G之旅

Ludger Boegerging

摘要：在5G的大趨勢(shì)下，一個(gè)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(shí)代做好準(zhǔn)備，探討如何使用當(dāng)今的4G LTE技術(shù)，并持續(xù)發(fā)掘5G技術(shù)中所蘊(yùn)藏的價(jià)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(huì)為各行各業(yè)乃至我們的日常生活帶來巨大的機(jī)遇，但若要充分利用這項(xiàng)技術(shù)，不僅需要大量的實(shí)踐作為基礎(chǔ)，更需要一套高度整合的方法助力落地實(shí)施。

眾所周知，我們目前正處在第四次工業(yè)革命的風(fēng)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(shí)、區(qū)塊鏈、自動(dòng)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(yùn)作模式。最具前景的當(dāng)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(qiáng)健“基石”。

作為時(shí)下最熱門，同時(shí)也伴隨大量爭議的話題，第五代蜂窩通信（ SG）技術(shù)的作用被一些人認(rèn)為是夸大其詞且有炒作之嫌。然而，與此同時(shí)則有另外一些入紛紛競相入局SG市場以率先占據(jù)市場空間，準(zhǔn)備用SG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(jǐn)慎的人，他們?cè)趯?duì)G進(jìn)行投資的過程中，更希望獲得有關(guān)研發(fā)G新產(chǎn)品和解決方案的必要經(jīng)驗(yàn)，一旦4G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?yàn)楦鞣N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(shí)間，相對(duì)傳統(tǒng)保守的行業(yè)更傾向于暫緩對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（nor）的投資，直到Rel-17中的新標(biāo)準(zhǔn)完全頒布實(shí)施。畢竟，當(dāng)一場技術(shù)革命正在醞釀中時(shí)，為什么要把有限的資金投到4G LTE這個(gè)看起來可能已經(jīng)過時(shí)的技術(shù)上呢？

但正是這樣一個(gè)看似合理觀念亟需糾正：4G LTE非但沒有過時(shí)，反而仍在不斷發(fā)展，在未來幾年該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大市場份額，甚至?xí)L時(shí)間占據(jù)市場主導(dǎo)地位。事實(shí)上，4G LTE網(wǎng)絡(luò)將在SG網(wǎng)絡(luò)扎根之時(shí)起到補(bǔ)充甚至支撐的作用。

在5G的大趨勢(shì)下，一個(gè)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SG時(shí)代做好準(zhǔn)備.深入探討如何使用當(dāng)今的4G LTE技術(shù)，并持續(xù)發(fā)掘SG技術(shù)中所蘊(yùn)藏的價(jià)值。

1 一個(gè)游戲規(guī)則的終極顛覆者

毫無疑問，5G將會(huì)帶來一場巨大的變革。SG背后的大肆炒作是有道理的。事實(shí)上，它甚至有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)我們更長遠(yuǎn)的目標(biāo)：從根本上改變蜂窩通信技術(shù)在社會(huì)中所扮演的角色，并最終形成一個(gè)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(huì)增加新的頻段，包括subl GHz和mmWave （>24 GHz），以擴(kuò)大容量。

.5G將在mmWave頻段提供高達(dá)1 GHz的信道帶寬，以實(shí)現(xiàn)超高的寬帶速度。

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

.5G將需要一個(gè)具有Small Cell、網(wǎng)絡(luò)切片、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、邊緣計(jì)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(fù)責(zé)定義全球蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)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(jī)界面到自動(dòng)化制造，再到傳感器網(wǎng)絡(luò)和云連接，每一個(gè)應(yīng)用都可以在5G的三大應(yīng)用場景中得以實(shí)現(xiàn)：

·增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）將提供每秒超過10Gb的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)將容量增加三個(gè)數(shù)量級(jí)。

·超可靠的低延遲通信（URLLC）將實(shí)現(xiàn)高達(dá)99.9999%的驚人可靠性和毫秒級(jí)的延遲。

·最后，海量機(jī)器類通信（mMTC）將進(jìn)一步擴(kuò)展當(dāng)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，但在全球范圍實(shí)現(xiàn)全面推廣尚需一些時(shí)日。我們將看到，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商會(huì)根據(jù)他們?cè)诟髯允袌鲋锌吹降纳虡I(yè)案例，以及他們自己進(jìn)行所需投資的意愿和能力，調(diào)整他們的5G部署時(shí)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(gè)新版本都會(huì)給該技術(shù)帶來額外的功能。

3GPP Release 15主要是為了實(shí)現(xiàn)eMBB及其高速數(shù)據(jù)傳輸一主要針對(duì)消費(fèi)者市場。Release 15進(jìn)一步細(xì)分為三個(gè)子版本。第一個(gè)子版本主要是以4GLTE網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)實(shí)施非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA），該版本已于2017年底交付。主流的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商（MNO）將這項(xiàng)技術(shù)推行到關(guān)鍵城市區(qū)域市場。

第二個(gè)子版本涉及實(shí)施SG的獨(dú)立組網(wǎng)（SA），于2018年中完成。隨后，最后一個(gè)子版本于2019年初發(fā)布，進(jìn)一步在技術(shù)上追加改進(jìn)和創(chuàng)新。由于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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 Release 16計(jì)劃于2020年上半年發(fā)布，它將最終解決對(duì)互聯(lián)行業(yè)影響最大的兩大應(yīng)用場景：URLLC和mMTC。特別是URLLC，需要部署專用網(wǎng)絡(luò)。計(jì)劃于2021年第四季度發(fā)布的Release 17將會(huì)進(jìn)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(shí)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(shí)間內(nèi)保障其可用性，而且有望繼續(xù)向5G時(shí)代演進(jìn)，并獲得進(jìn)一步長遠(yuǎn)投資，從而在功耗、性能、設(shè)備尺寸、功能和成本方面實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(yùn)行。此外，在當(dāng)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(jìn)技術(shù)來簡化運(yùn)營、提升效率和提高生產(chǎn)率的原因。這一趨勢(shì)只會(huì)隨著我們進(jìn)入5G時(shí)代而加速，這將改變整個(gè)工廠的運(yùn)維邏輯，而不再會(huì)像現(xiàn)在一樣以高度分散的有線技術(shù)市場為主導(dǎo)。

打個(gè)比方，當(dāng)前的制造基地就像一個(gè)包含多個(gè)“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(biāo)準(zhǔn)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(duì)的是，工業(yè)4.0承諾在任何時(shí)候，在所有流程和資產(chǎn)上都能實(shí)現(xiàn)完全透明，并且商品、生產(chǎn)系統(tǒng)、供應(yīng)和分銷鏈、人員以及流程之間將實(shí)現(xiàn)無縫通信，所有這一切都必須依賴于統(tǒng)一、強(qiáng)大、可靠的無線連接。

4 新興商業(yè)模式

5G并非只是對(duì)運(yùn)營進(jìn)行重新定義。由于數(shù)據(jù)的訪問愈發(fā)便利，整個(gè)商業(yè)模式都將發(fā)生變化。在整個(gè)垂直行業(yè)，數(shù)據(jù)的生成速度比以往任何時(shí)候都要快，而數(shù)據(jù)也被作為實(shí)時(shí)質(zhì)量控制、預(yù)測(cè)性維護(hù)、集成供應(yīng)和分銷鏈、勞動(dòng)力監(jiān)控等諸多事務(wù)的一種實(shí)現(xiàn)手段，其戰(zhàn)略價(jià)值正在迅速增加。這從根本上改變了各行各業(yè)的運(yùn)作方式。

舉個(gè)例子，工業(yè)4.0推動(dòng)商業(yè)發(fā)展的口號(hào)是：“今日下單，明日發(fā)貨?！蓖瑫r(shí)，它也扭轉(zhuǎn)了數(shù)十年來集中大規(guī)模生產(chǎn)的趨勢(shì)：只有當(dāng)生產(chǎn)力向終端客戶靠攏時(shí)，才能讀取每個(gè)人的定制化需求，并以批量生產(chǎn)及時(shí)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(yùn)營經(jīng)理可以知道他們生產(chǎn)的每一臺(tái)設(shè)備中的每一個(gè)零件的確切來源。即使在部署的時(shí)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(jìn)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.O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SG技術(shù)更易于部署，因此減少了收集大量感測(cè)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(shí)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(shí)施，并且更易于擴(kuò)展。

5 將工業(yè)自動(dòng)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(shí)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(yīng)、生產(chǎn)和分銷鏈中所有流動(dòng)性資產(chǎn)。更不用提要保障所有機(jī)器和其他裝置的正常操作和維護(hù)，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(yùn)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(duì)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(shí)，將需要更復(fù)雜的規(guī)劃、創(chuàng)建和流程管理，而且還需要進(jìn)一步加強(qiáng)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(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)的進(jìn)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(jìn)展，同時(shí)試圖將越來越多的有關(guān)資源、產(chǎn)品和資產(chǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，以及有關(guān)運(yùn)營基礎(chǔ)設(shè)施、機(jī)器甚至外部供應(yīng)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(jìn)行部署。同時(shí)，由企業(yè)或?qū)I(yè)服務(wù)提供商擁有和運(yùn)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(shí)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(yīng)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(jí)別。

制造工廠、倉庫、供應(yīng)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(gè)平臺(tái)的技術(shù)拼湊而成，因此限制了它們可以支持的應(yīng)用的復(fù)雜性。4G LTE和隨后的5G私有網(wǎng)絡(luò)可以提供更高級(jí)別的多功能性、可擴(kuò)展性和易實(shí)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(huì)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1.8 GHz、2.3 GHz、（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(qǐng)的用戶分配最長達(dá)10年之久的頻譜，年費(fèi)為數(shù)干到數(shù)萬歐元不等，具體取決于所申請(qǐng)的帶寬、分配持續(xù)時(shí)間和覆蓋區(qū)域。這是一項(xiàng)很有吸引力的舉措，但并沒有得到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的一致支持，這主要是因?yàn)轭l譜被削減了相當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)化并做出自己的貢獻(xiàn)。此外，u-blox還積極參與試點(diǎn)研究，探索5G技術(shù)在工業(yè)使用場景中的要求和性能。

5GSMART項(xiàng)目由歐盟委員會(huì)資助，匯集了來自工業(yè)界和學(xué)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(xué)術(shù)界的隆德大學(xué)、巴倫西亞理工大學(xué)、弗勞恩霍夫研究所等等，旨在評(píng)估5G在實(shí)際制造環(huán)境中的潛力。作為SG-ACIA項(xiàng)目的積極成員，u-blox與一個(gè)由IT和OT行業(yè)合作伙伴組成的多元化團(tuán)隊(duì)合作，以確保SG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(kuò)大蜂窩通信技術(shù)支持的應(yīng)用范圍，5G有望將互聯(lián)行業(yè)提升到一個(gè)全新的水平。然而，該標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)行業(yè)方面尚需數(shù)年時(shí)間才能成熟，況且移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商也需要推出用于實(shí)施SG解決方案的基礎(chǔ)設(shè)施。好消息是，3GPP正在努力地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(jī)會(huì)，并從技術(shù)上領(lǐng)先于您的競爭對(duì)手，從長遠(yuǎn)來看，這會(huì)給您帶來可觀的收益。

參考文獻(xiàn)：

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