孫柏林，劉哲鳴

（中國儀器儀表學會產品信息工作委員會，北京 100043）

萬物互聯(lián)時代，5G 帶給儀器儀表巨大的發(fā)展機遇。作為新一代移動通信技術，5G 技術契合了傳統(tǒng)制造企業(yè)智能制造轉型對無線網絡的應用需求，能滿足工業(yè)環(huán)境下設備互聯(lián)和遠程交互應用需求。在物聯(lián)網、工業(yè)自動化控制、物流追蹤、工業(yè)AR、云化機器人等工業(yè)應用領域，5G 技術起著支撐作用。

1 5G技術的基本概念

第五代移動通信技術（5th generation mobile networks 或5th generation wireless systems、5th-Generation，簡稱“5G”）是最新一代蜂窩移動通信技術，是2G（GSM）、3G（UMTS、LTE）和4G（LTE-A、WiMax）系統(tǒng)后的延伸。5G 的性能目標是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本，提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設備連接。Release-15 中的5G 規(guī)范的第一階段是為了適應早期的商業(yè)部署，Release-16 的第二階段將于2020 年4 月完成，作為IMT-2020 技術的候選提交給國際電信聯(lián)盟（ITU）。ITU IMT-2020 規(guī)范要求速度高達20 Gbit/s，可以實現(xiàn)寬信道帶寬和大容量MIMO。

與早期的2G、3G 和4G 移動網絡一樣，5G 網絡是數(shù)字蜂窩網絡。在這種網絡中，供應商覆蓋的服務區(qū)域被劃分為許多被稱為蜂窩的小地理區(qū)域。表示聲音和圖像的模擬信號在手機中被數(shù)字化，由模數(shù)轉換器轉換并作為比特流傳輸。蜂窩中的所有5G 無線設備通過無線電波與蜂窩中的本地天線陣和低功率自動收發(fā)器（發(fā)射機和接收機）進行通信。收發(fā)器從公共頻率池分配頻道，這些頻道在地理上分離的蜂窩中可以重復使用。本地天線通過高帶寬光纖或無線回程連接與電話網絡和互聯(lián)網連接。與現(xiàn)有的手機一樣，當用戶從一個蜂窩穿越到另一個蜂窩時，他們的移動設備將自動“切換”到新蜂窩中的天線 。

5G 網絡的主要優(yōu)勢在于，數(shù)據(jù)傳輸速率遠遠高于以前的蜂窩網絡，最高可達10Gbit/s，比當前的有線互聯(lián)網要快，比先前的4G LTE 蜂窩網絡快100 倍；另一個優(yōu)點是較低的網絡延遲（更快的響應時間），低于1ms，而4G為30ms ～70ms。由于數(shù)據(jù)傳輸更快，5G 網絡將不僅僅為手機提供服務，而且還將成為一般性的家庭和辦公網絡提供商，與有線網絡提供商競爭。以前的蜂窩網絡提供了適用于手機的低數(shù)據(jù)率互聯(lián)網接入，但是一個手機發(fā)射塔不能經濟地提供足夠的帶寬作為家用計算機的一般互聯(lián)網供應商。

2 5G網絡的特點

1）峰值速率需要達到Gbit/s 的標準，以滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實等大數(shù)據(jù)量傳輸。

2）空中接口時延水平需要在1ms 左右，滿足自動駕駛、遠程醫(yī)療等實時應用。

3）超大網絡容量，提供千億設備的連接能力，滿足物聯(lián)網通信。

4）頻譜效率要比LTE 提升10 倍以上。

5）連續(xù)廣域覆蓋和高移動性下，用戶體驗速率達到100Mbit/s。

6）流量密度和連接數(shù)密度大幅度提高。

7）系統(tǒng)協(xié)同化、智能化水平提升，表現(xiàn)為多用戶、多點、多天線、多攝取的協(xié)同組網，以及網絡間靈活地自動調整。

從用戶體驗看，5G 具有更高的速率、更寬的帶寬，預計5G 網速將比4G 提高10 倍左右，只需要幾秒即可下載一部高清電影，能夠滿足消費者對虛擬現(xiàn)實、超高清視頻等更高的網絡體驗需求。

從行業(yè)應用看，5G 具有更高的可靠性、更低的時延，能夠滿足智能制造、自動駕駛等行業(yè)應用的特定需求，拓寬融合產業(yè)的發(fā)展空間，支撐經濟社會創(chuàng)新發(fā)展。

3 5G技術的主要功能

從科技創(chuàng)新所帶來的經濟效益的提升角度來看，5G 是經濟社會數(shù)字化轉型的關鍵使能器。未來，5G 與云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬增強現(xiàn)實等技術的深度融合，將連接人和萬物，成為各行各業(yè)數(shù)字化轉型的關鍵基礎設施。

5G 將為用戶提供超高清視頻、下一代社交網絡、浸入式游戲等更加身臨其境的業(yè)務體驗，促進人類交互方式再次升級。

4 5G帶來的關鍵技術與應用

在核心網方面，5G 應該說很好地采用了NFV（網絡功能虛擬化）和SDN（軟件定義網絡）的理念，大部分是基于軟件和硬件分離的架構。在大家看起來都是服務器，在上面虛擬出很多不同的功能單元，從網絡功能設計來看，也更好地實現(xiàn)了控制和數(shù)據(jù)平面的分離；其次，在網絡架構方面，進一步向扁平化發(fā)展，過去2G、3G 的4 層，到4G 已經變成3 層，到5G 更加簡潔，變成兩層，而且很多應用了移動邊緣計算。核心網標準重點落實像網絡切片、移動邊緣計算，確保端到端用戶的安全。

另外，5G 技術的優(yōu)勢還體現(xiàn)在毫米波、小基站、大規(guī)模天線、波束成形這幾大技術上?？紤]到5G 的先進性和經濟性兩個方面，5G 網絡建設分為非獨立組網和獨立組網兩種模式。所謂獨立組網就是采用5G 新的空口接入到5G 新的核心網，端到端都是完整5G 的標準。非獨立方式更多體現(xiàn)在核心網部分。也就是說，有些運營企業(yè)在初級階段仍然用4G 核心網接入5G 新的接口作為過渡以減少初期投資。

在推動物聯(lián)網落地過程中，比如eMBB 能支撐起遠程視頻監(jiān)控、視頻會議等高帶寬的應用場景；mMTC 能滿足大量低功耗嵌入式終端的數(shù)據(jù)連接與傳輸需求。URLLC 可以將網絡等待時間的目標壓低到1ms 以下，以支撐工業(yè)自動化控制過程中系統(tǒng)和設備對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性的諸多指標和要求。

從專業(yè)角度出發(fā)，5G 新技術的關鍵能力比前幾代移動通信更加豐富。用戶體驗速率、連接數(shù)密度、端到端時延、峰值速率和移動性等都將成為5G 的關鍵性能指標。新空口、網絡切片和邊緣計算是3 大具備關鍵性的5G 技術，也是驅動第四次工業(yè)革命的核心技術。

各種新興的應用是5G 商用的主要推動力，這些應用通常對帶寬和時延要求較高，而5G 網絡的高帶寬和低時延特性正好滿足了這些新興技術的應用。

5G 有3 個方面的進展。除了網速得到百倍的提升，網絡的時延也將低到百萬分之一秒。此外，5G 能夠廣覆蓋，實現(xiàn)萬物互聯(lián)，在每一平方公里可以支撐100 萬個移動終端。

4.1 超密集異構網絡

5G 網絡正朝著網絡多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向發(fā)展。隨著各種智能終端的普及，面向2020 年及以后，移動數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長。在未來5G 網絡中，減小小區(qū)半徑，增加低功率節(jié)點數(shù)量，是保證未來5G 網絡支持1000 倍流量增長的核心技術之一。因此，超密集異構網絡成為未來5G 網絡提高數(shù)據(jù)流量的關鍵技術。超密集網絡（UDN）對5G 要求中的高速率、低時延、大業(yè)務量以及高密度終端數(shù)起到了至關重要的作用。它通過部署大量的設備來滿足高密度、高流量的無線終端接入要求，同時提高系統(tǒng)的頻譜利用率，從而使系統(tǒng)容量得以提升。UDN 的典型應用場景包括辦公樓、車站、校園、地鐵、醫(yī)院、體育館等人流密集地區(qū)。

4.2 自組織網絡

傳統(tǒng)移動通信網絡中，主要依靠人工方式完成網絡部署及運維，既耗費大量人力資源又增加運行成本，而且網絡優(yōu)化也不理想。在未來5G 網絡中，將面臨網絡的部署、運營及維護的挑戰(zhàn)，這主要是由于網絡存在各種無線接入技術且網絡節(jié)點覆蓋能力各不相同，它們之間的關系錯綜復雜。因此，自組織網絡（self-organizing network，SON）的智能化將成為 5G 網絡必不可少的一項關鍵技術。

4.3 內容分發(fā)網絡

在5G 中，面向大規(guī)模用戶的音頻、視頻、圖像等業(yè)務急劇增長，網絡流量的爆炸式增長會極大地影響用戶訪問互聯(lián)網的服務質量。如何有效地分發(fā)大流量的業(yè)務內容，降低用戶獲取信息的時延，成為網絡運營商和內容提供商面臨的一大難題。僅僅依靠增加帶寬并不能解決問題，它還受到傳輸中路由阻塞和延遲、網站服務器的處理能力等因素的影響，這些問題的出現(xiàn)與用戶服務器之間的距離有密切關系。內容分發(fā)網絡（content distribution network，

CDN）會對未來5G 網絡的容量與用戶訪問具有重要的支撐作用。內容分發(fā)網絡是在傳統(tǒng)網絡中添加新的層次，即智能虛擬網絡。

4.4 D2D通信

在5G 網絡中，網絡容量、頻譜效率需要進一步提升，更豐富的通信模式以及更好的終端用戶體驗也是5G 的演進方向。設備到設備通信（device-to-device communication，D2D）具有潛在的提升系統(tǒng)性能、增強用戶體驗、減輕基站壓力、提高頻譜利用率的前景。因此，D2D 是未來5G網絡中的關鍵技術之一。

4.5 M2M通信

M2M（machine to machine，M2M）作為物聯(lián)網最常見的應用形式，在智能電網、安全監(jiān)測、城市信息化、環(huán)境監(jiān)測等領域實現(xiàn)了商業(yè)化應用。3GPP 已經針對M2M 網絡制定了一些標準，并已立項開始研究M2M 關鍵技術。M2M的定義主要有廣義和狹義兩種。廣義的M2M 主要是指機器對機器、人與機器間以及移動網絡和機器之間的通信，它涵蓋了所有實現(xiàn)人、機器、系統(tǒng)之間通信的技術；從狹義上說，M2M 僅僅指機器與機器之間的通信。智能化、交互式是M2M 有別于其它應用的典型特征， 這一特征下的機器也被賦予了更多的“智慧”。

4.6 信息中心網絡

隨著實時音頻、高清視頻等服務的日益激增，基于位置通信的傳統(tǒng)TCP/IP 網絡無法滿足數(shù)據(jù)流量分發(fā)的要求，網絡呈現(xiàn)出以信息為中心的發(fā)展趨勢。信息中心網絡（information-centric network，ICN）的思想最早是1979 年由Nelson 提出來的，后來被Baccala 強化。作為一種新型網絡體系結構，ICN 的目標是取代現(xiàn)有的IP。ICN 所指的信息包括實時媒體流、網頁服務、多媒體通信等，而信息中心網絡就是這些片段信息的總集合。因此，ICN 的主要概念是信息的分發(fā)、查找和傳遞，不再是維護目標主機的可連通性。

4.7 大規(guī)模MIMO技術

大規(guī)模MIMO 技術是傳統(tǒng)MIMO 技術的演進，它將天線數(shù)目提高到幾十個甚至上百個。與傳統(tǒng)MIMO 技術相比，大規(guī)模MIMO 技術具有更低的時延與更強抗干擾能力，且可以提高空間分辨率、系統(tǒng)容量和發(fā)射功率利用率。

4.8 全雙工

全雙工是5G 關鍵空中接口技術之一，它令終端設備可以在同一時間、同一頻段發(fā)送和接收信號，達到比傳統(tǒng)的TDD 或FDD 高一倍的頻譜效率，同時減小端到端的傳輸時延和信令開銷。

5 5G技術與儀器儀表

1）通過協(xié)作機器人和AR 智能眼鏡提高工作效率，協(xié)作機器人需要不斷交換分析數(shù)據(jù)以同步和協(xié)作自動化流程，智能眼鏡使員工能夠更快、更準確地完成工作。

2）通過基于狀態(tài)的監(jiān)控、機器學習，基于物理的數(shù)字仿真和數(shù)字孿生手段，準確預測未來的性能變化，從而優(yōu)化維護計劃并自動訂購零件，減少停機時間和維護成本。

3）通過優(yōu)化供應商內部和外部數(shù)據(jù)的可訪問性和透明度，降低物流和庫存成本。如果制造企業(yè)要充分利用工業(yè)物聯(lián)網的機會，就需要實施涵蓋供應鏈、生產車間和整個產品生命周期的端到端解決方案。

4）柔性制造和云化MES 作為工業(yè)制造行業(yè)的發(fā)展趨勢，其對實時性、安全性、低時延等的要求非常高，而5G網絡的能力可較好地滿足工業(yè)自動控制與管理等業(yè)務的場景需求，實現(xiàn)大規(guī)模定制化生產及實時數(shù)據(jù)傳輸。此外，工廠內外的信息交互及大規(guī)模生產協(xié)同，也需要5G 提供大連接能力，將機械臂等設備連網，實現(xiàn)信息采集，集中調度。

5）隨著通信技術的飛速發(fā)展與人工智能的高速崛起，5G 技術、人工智能也將改變現(xiàn)有傳感器及傳感器網絡，使其變得更加快速高效智能。

6）依靠更高速率、更大連接、更低時延的特性，5G不僅解決人與人的通信問題，而且能實現(xiàn)人與物、物與物的萬物互聯(lián)。在5G 網絡中，虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、8K 高清視頻，以及無人駕駛、遠程醫(yī)療、智能家居等，將真正走向成熟應用。

隨著5G 運用普及，儀器儀表行業(yè)或能迎來巨大的發(fā)展契機。例如，與儀器儀表行業(yè)直接關聯(lián)性最大的是傳感器，同時必不可少的是相應的芯片和器件都要通過高科技精準儀器檢測后量產，還有網絡的連通測試，也需要通信行業(yè)的精準儀器檢測。另外，將會出現(xiàn)與5G 技術相應的儀器儀表新標準。

6 結束語

5G 信息技術是各國競相角逐的前沿科技，中國5G 技術具有先進性和穩(wěn)定性，5G 商用將帶動中國整個科技產業(yè)發(fā)展。隨著一項項5G 前沿成果在中國的轉化，一個個生機勃勃的獨角獸企業(yè)拔節(jié)壯大，5G 產業(yè)將成為中國正在崛起的新高地。

中國的儀器儀表行業(yè)，必須正確對待5G 的到來，發(fā)展智能化儀器儀表制造業(yè)思維創(chuàng)新是關鍵，企業(yè)家們應當努力地防止掉入“慣性思維”的陷阱。無論在理論上還是在實踐中，推動行業(yè)的經濟高質量發(fā)展的最大障礙，莫過于“慣性思維”。其關鍵之舉，也莫過于告別“慣性思維”。