5G+IoT
物联网的发展背景
物联网发展及应用情况
物联网的概念最早在1999年由美国麻省理工学院的凯文·阿什顿教授提出,随后引发了继计算机、互联网之后的第三次信息工业革命。随着物联网技术的不断发展和应用,其内涵也在不断演进和拓展。根据中国2010年《政府工作报告》中的定义,物联网是通过传感设备,按照约定的协议,把各类物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、跟踪、定位、监控和管理的一种网络。
物联网可应用于智慧城市、智能家居、智慧交通、工业互联网等领域,是建设信息化社会的基石,拥有广阔的市场发展前景。根据2018年全球移动通信系统协会智库发布的预测报告显示,2025年包含连接、应用、服务等在内的全球物联市场价值将达到1.1万亿美元,其中亚太市场占比35%,北美市场占比31%,欧洲市场占比22%,全球连接数将达252亿。
全球各国尤其是美国、欧盟、日本、韩国等发达国家和地区纷纷进行物联网战略布局,抢占发展先机。美国着重构建以工业物联网为基础的先进制造体系,物联网支出将从2016年的2 320亿美元增长到2019年的3 570亿美元;欧盟先后组建了物联网创新联盟(AIOTI)、物联网创新平台(IOT–EPI),构建可持续发展的物联网生态系统,并通过“地平线2020”计划投入近2亿欧元推动物联网平台构建;日本联合2 000多家国内外企业组成“物联网推进联盟”,推动物联网合作和发展;韩国以智慧城市、人工智能等九大国家创新项目作为驱动经济增长的新动力。中国高度重视物联网产业发展,将其列为国家五大新兴战略性产业之一,并陆续出台《“十二五”物联网发展规划》(2012)、《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》(2013)、《关于印发10个物联网发展专项行动计划的通知》(2014)、《关于开展2015年智能制造试点示范专项行动的通知》(2015)等政策,保障物联网产业的健康有序发展。
物联网可基于多种方式来实现,依据传播距离,物联网通信技术主要可分为短距离通信技术和广域通信技术。短距离通信技术主要包括蓝牙、ZigBee
[5] 、Wi–Fi等,广域通信技术主要包含2G、3G、4G等传统蜂窝通信技术,这些技术已经在智能抄表、环境监测、电动车防盗、停车等多个领域发挥作用。然而,一方面,ZigBee、Wi–Fi等短距离通信技术在网络覆盖能力、传输可靠性、运营维护、安全保障等方面存在不足;另一方面,尽管已有大量的物联网设备接入传统的蜂窝通信网络之中,由电信运营商提供安全可靠的连接服务,但2G、3G、4G等技术主要面向人与人的通信场景进行设计,并未针对“物与物”和“人与物”的通信场景进行专门优化,无法有效承载海量的物联网连接。
通信技术的发展从未停止,5G需要实现人与人、人与物、物与物互联,实现全连接的服务,2018年12月10日,工信部向中国电信、中国移动、中国联通发放了5G系统中低频段试验频率使用许可,这标志着5G时代的真正来临。物联网市场正处于高速增长状态,预计到2020年中国物联网产业规模将达到1.5万亿元。2018年上半年,蜂窝物联网的连接数超过5亿,物联网行业花费10年时间实现第一个5亿的物联网连接数,在未来2~3年甚至更短的时间内将达成下一个5亿连接数。文化娱乐、智慧交通、智慧城市、智能制造、远程医疗等多元化服务将融入我们的生活,改变整个社会。
移动物联网技术发展及应用情况
随着越来越多远距离低速率终端设备出现联网需求,LPWAN(低功耗广域网)技术逐渐受到关注。LPWAN具有低速率、低功耗、广覆盖和海量连接等特性,非常适合抄表、资产追踪、环境监控等传输距离远、通信数据量少并且需电池长时间供电的物联网应用。当前,受到广泛应用的LPWAN技术主要分为工作于非授权频段和工作于授权频段两类,前者以LoRa(远距离无线电)为代表,这项技术专利为美国Semtech公司独家所有,可供企业进行局域性建网,部署较为自由灵活。后者以窄带物联网和eMTC(增强的机器类通信)为代表,是3GPP专门针对物联网业务设计的窄带移动物联网技术标准,其由运营商进行建设和运维,在传输速率、移动性支持、可靠性等方面优于LoRa。与现有的传统蜂窝通信网络相比,窄带移动物联网技术支持广深覆盖,可覆盖地下室、地下管网等难以覆盖的场景,单小区单载波可支持5~10万个物联网连接,且在特定业务模型下其低功耗特点可使电池续航时间达10年。同时,窄带物联网和eMTC具有较高的可靠性及安全性,二者已成为全球运营商广泛采纳的移动物联网通信标准。截至2019年4月,沃达丰、德国电信、T–Mobile、法国电信子公司Orange、韩国电信、日本KDDI等48家运营商已在全球范围部署79张窄带物联网商用网络,美国电话电报公司、威瑞森电信、Orange、KDDI等24家运营商已在全球范围内部署31张eMTC商用网络。
物联网的发展离不开通信技术的更新换代,1G在20世纪80年代初提出,仅能满足基本的无线通话功能;到20世纪90年代,2G主要以GSM和CDMA两种制式为主,进而推动了语音和短信的普及,该通信系统可以进行低速率的数据业务,但是不能提供高速数据、慢速图像与电视图像等各种宽带信息业务;到3G时代,智能手机开始出现,网络可以实现高速数据传输和宽带多媒体服务,同时可以进行低质量的视频通话和简单的网络游戏,这时的网络连接主要面向人的连接;到2010年,4G时代的到来才是真正的宽带物联网的开始,在4G网络下用户能够进行在线视频观看,各种App、高清视频回传、智能家居、智能POS(销售终端)机开始流行。除了蜂窝网络的连接,WLAN等非授权频段网络标准在办公、宽带连接等处也发挥了重大的作用。
在应用方面,移动物联网技术进一步推动了传统产业的改造升级和新型产业的培育孵化,低功耗广域网的广深覆盖、低功耗、支持海量连接等技术特性和4G蜂窝网络大带宽等特点可更好地辅助新型信息化社会的构建。移动物联网技术已在市政、交通、物流、能源、金融等重要领域发挥作用。
• 推动智慧城市的信息化进一步纵深发展。市政工程是国家的基础建设,其中包括各种公共交通设施、给水、排水、燃气、城市防洪、环境卫生及照明等基础设施建设,是城市建设中基础且重要的一部分。通过利用先进的信息技术构建城市的基础设施,城市将具有智能协同、资源共享、互联互通、全面感知的特点,城市智慧化服务和管理得到实现,城市发展难题得以解决,城市最终实现可持续发展。“更全面的感知”作为智慧城市的一个特征,要求智慧城市基础设施能够更深入地收集各类数据和信息,以便整合和分析海量跨地域、跨行业的数据和信息,为城市共享服务和运营管理提供基础底层资源。智慧市政已基于物联网技术实现路灯、充电桩、井盖、消防、停车位、环境监测、POS机、售卖机、广告牌等基础设施的全面数字化,并结合数据库、GPS(全球定位系统)等技术手段,使信息化手段在城市管理领域应用更广泛、更可靠、更全面。
• 提供灵活的数据采集、传输和处理的手段,赋能智能制造。
信息技术在现有工业制造领域具有广泛的市场需求:大量已部署的传统制造装备需要升级以具备预测性维护的能力,从而保障生产顺利进行,减少停机维修带来的损失;厂区有环境监控需求,需依靠水电气管理实现工厂节能减排,并通过安检消防保障生产安全;仓储货架、物流跟踪、资产等方面也有智能管理需求,以减少人工投入,提升生产效率。移动物联网技术已引入工厂设备维护、环境监控、物流跟踪、物料及安防监控等领域,这使得制造和管理的效率、成本和质量达到最优效果。
• 低功耗长续航方案促进智能追踪应用普及。生活中,人员及资产的定位追踪需求已经变得日益迫切。针对共享自行车乱停乱放,老人、儿童安全跟踪和报警,宠物失联,旅途中箱包遗失,电瓶车、摩托车等资产偷盗等场景,智能追踪均可提供有效的解决方案。除了和日常生活相关的领域,定位技术在零售、餐饮、物流、医疗等行业领域也可提供辅助解决方案,因此有着广阔的应用前景。随着窄带物联网技术与追踪应用的结合,追踪器的续航能力、信号覆盖性能得到明显提升,用户体验显著提升。
• 智能连接构建便捷家居生活。智能家居系统集智能防盗报警、智能照明、智能电器控制、智能门窗控制、智能影音控制于一体,与配套的软件相结合,人们通过平板电脑、智能手机和笔记本电脑,可以远程实时控制家里的灯光、窗帘、电器等,以构建高效的住宅设施与家庭日常事务管理系统,从而提升家居生活的安全性、舒适性、便利性、高效性和环保性。窄带移动物联网技术应用于智能家居系统,能够有效解决设备节点多、设备覆盖广等问题,保证系统运行的稳定性,提升智能家居的用户体验。
当前,抄表、电瓶车、烟感、家电等应用场景已达百万级部署规模,除了上述领域,还有更多的行业领域在探索与移动物联网技术的结合。
5G推动物联网纵深发展
物联网市场特点分析
人与人的连接通信需求比较一致,其对移动性和网络覆盖要求更高,通信体验主要由用户所使用的设备产生差异,通信服务本身并没有特别大的差异,物联网的通信需求一般为固定无线接入,对移动性和广域覆盖要求不高,但对通信的可靠性要求较高,另外物联网行业本身千差万别,对通信服务的诉求也不一样。在各类物联网应用百花齐放的同时,物联网市场面临的一些问题也初见端倪。
• 碎片化:不同于消费市场,物联网市场存在大量碎片化应用,这导致行业应用的部署难以实现规模化,因而成本难以降低。
当前物联网市场商业模式缺乏创新,传统行业本身利润率低,垂直行业需投入很高的成本进行技术改造,投入与收益反差较大,因此无法获得及时收益最终导致行业投资者信心不足。
• 专业化:隔行如隔山,传统行业长期以来形成自有运营体系,企业信息化也仅限于办公,远未触及生产领域,生产环节缺乏基础的信息化人才和能力。运营商在通信层面很专业,但一旦深入行业现场,就会发现“语言”不通,难以实现有效的对话和沟通。
• 多样化:不同的行业应用有不同的需求,甚至同属一个行业的不同企业,需求也有差异。传统上,我们用技术的思维推动企业采用新型技术,但往往企业的需求五花八门:有窄带的,也有宽带的;有低功耗的,也有低时延的;有的上行带宽要求高,有的下行带宽需求高;有的对可靠性要求极高,有的对数据安全更敏感;有的场景公网和专网需求同在,有的仅有专网需求,如无人工厂;有的场景对定位要求不高,有的要求定位精度达到厘米级。当前基于物联网的技术解决方案同质化较为严重,普遍聚焦于进行设备管理、连接、应用使能和数据分析等,运营商需进一步深挖行业应用需求,针对不同行业客户制订个性化解决方案,更好地服务细分垂直领域。
• 可靠性:SLA是网络服务供应商与客户间的服务合同,其中定义了服务类型、服务质量和客户付款等内容。对普通手机用户而言,通信故障带来的影响是可控的,影响的范围也有限。但如果通信技术渗透到生产领域,一旦达不到服务质量要求,它带来的后果可能是难以估量的,甚至是灾难性的。因此,对于SLA的讨论一直是通信企业为垂直行业服务的热点话题。
• 安全性:大多数企业对生产运营数据是严格保密的,它们非常注重数据安全和数据隔离,把保护用户隐私和运营安全放在了至高无上的地位,除了逻辑隔离,有的行业甚至强制要求生产数据的物理隔离,以确保数据安全。从某种意义上来说,行业数据的安全已经远远超过了普通的用户信息保护范畴。
• 复杂性:企业运营的环境一般比较复杂,大型设备工作时会有超出标准的电磁辐射和干扰,这导致标准化的通信设备无法用于特定的生产环境,因此部分企业对通信设备和终端设备的防爆、防水、抗震等方面有特定的要求。另外,经过多年的积累,企业已经具备了一定规模的基础设施,在引入新技术的过程中,既要考虑新设备,也要考虑存量设备的利旧问题。
• 协同性:万物互联是物联网发展的终极目标,面向多样的业务需求和多网共存的局面,如何针对不同的行业细分领域匹配合适的通信技术,做好多网协同发展,是打通未来“泛在”物联网脉络的关键所在。
5G物联网发展趋势
相比4G主要追求速率,5G同时关注速率、连接数密度和时延三大关键性能指标,其体验速率更快,连接数密度更高,空口时延更低。
5G为行业应用而生,为了更好地服务物联网行业,5G不仅考虑人与人的通信,而且要考虑人与物、物与物的通信,其包含了增强移动宽带、海量物联网、低时延高可靠物联网等场景。5G的宽带物联网具备如下发展趋势。
从窄带到宽带
随着超高清、VR、AR等技术的发展,物联网行业对于网络带宽的需求越来越高,不同业务对上下行速率的具体需求见表8–1、表8–2。
从混用到专属
5G到来之前,运营商一般通过公网去满足不同行业的物联网需求,随着行业的发展,不同行业的需求越来越多样化,甚至同属一个行业的不同企业,需求也有差异。通过传统的公网去满足行业应用的需求越来越难以实现。通过分析行业应用的需求,按需灵活选择无线专网建网方案、网络架构方案和增强业务方案,推出符合企业需求的定制化、差异化的专属网络服务,可大大满足垂直行业的需求。
从平面覆盖到立体覆盖
随着ATG(地空宽带网络)上网需求和无人机应用场景的多样化,蜂窝网络需要全面的空域覆盖,这就对网络的空域覆盖提出了更高的要求。目前4G蜂窝小区主要为地面用户提供服务,实测120米以上低空空域存在较多盲区,易发生失联。5G可提供全方位的广度和高度覆盖,通过进行网联配置和低空覆盖优化,进一步满足多样化场景的覆盖需求。不同业务对于网络高度覆盖和网络广度覆盖的需求分别见表8–3、表8–4。
时延、可靠性、安全、定位精度等性能需求提升不同的行业应用对网络的时延、可靠性、安全和定位精度等性能也提出了更高的需求,对于远程控制类业务需要采用5G网络的uRLLC特性满足99.999%的高可靠需求和低时延需求;无人机、资产追踪需要网络提供亚米级的定位精度;行业对数据安全的要求越来越高,5G通过采用不同的安全隔离方案全方位满足行业的需求,不同业务的具体性能要求见表8–5。
打造IoTaaS创新能力
构建5G行业专网,打造IoTaaS针对5G时代物联专网需求,运营商将提供行业领先的端到端行业专网建设和交付能力,打造“网络切片即服务”的经营模式,通过集中一体的网络切片服务平台为垂直行业提供高可靠、强性能、易部署的专网服务,更好地满足行业用户的定制化需求。
在物联网专网的基础上,运营商可通过丰富的物联网终端,物联网管理平台,推进物联网“云–网–边–端”全链条体系建设,构建物联网切片与专网能力,为行业客户提供端到端的物联网服务,打造全新的物联网商业模式。
5G专网解决方案架构,包含虚拟专网和物理专网服务(见图8–2)。
虚拟专网服务
虚拟专网是指与公网共享频率的网络,其通过5G切片的方式提供服务。5G切片将5G核心网进行逻辑隔离,为垂直行业提供有一定隔离性的端到端网络服务。
从业务承载性能需求角度,5G公网5毫秒帧结构可以满足园区办公、金融、教育等绝大部分行业应用需求。对于部分上行容量要求较高的行业应用(如多路视频回传),可以通过适当增加5G公网基站密度的形式解决,虚拟专网网络架构见图8–3。
专网用户与公网用户根据业务在核心网出口流向企业数据中心或互联网。在已有公网覆盖条件下,该方案具有网络部署快速、投资小的优势。
物理专网
对于性能要求极高的场景,如单用户上行带宽要求极高或同时要求极高时延及可靠性的应用,需考虑帧结构可灵活调整的独立频段,采用与公网不同的独立频段建设物理专网,可根据专网业务需求,在新增专用站点上定制专网帧结构和参数配置,与公网完全独立(见图8–4)。
此外,部分行业用户存在频率隔离、设备隔离的需求,如监狱、部分工厂车间产线场景等,其可以考虑在公网划分出部分频率资源构建物理专网,专网数据独占部分频率资源,与公网数据载波隔离,保护专网数据不受公网业务干扰。
针对无线物理隔离的场景,根据垂直行业不同等级的安全隔离要求,5G核心网以及传输可以采用物理隔离或逻辑隔离的方案。
物联网智慧网管助力“5G+IoT”融合行业客户对通信网络稳定性和可靠性的要求远远高于公网用户,需要在网络发生故障时得到及时响应并快速解决问题,行业客户本身希望对本地网络可管可控。基于此,面向行业组网,传统的网管方案已经不能适应灵活的网管需求,新型智慧网管应满足如下条件。
可预测:面向公专融合网络,可构建以区域为粒度的网络资源共享池,实现精细化的自适应动态容量规划,提高网络资源利用率。对网络隐性故障进行预测,在故障发生前就及时预警并进行自动处理或提示人工干预,提高网络运行稳定性。
可交付:可形象化地呈现网元的位置、状态和配置等信息,界面化管理网元,基于用户和业务特征体现出网元的“社群关系”。对于基本的网管参数,客户在不具备专业知识的情况下也可以进行简单操作,实现可管可控。
可扩展:网管平台应与业务平台实现对接,可以综合多维度信息,利用机器学习算法结合专家经验,训练生成故障定位和根因分析模型,并不断迭代更新,形成精准的动态的智能故障管理系统,提高故障定位与排查的效率和准确率。
物联网行业终端助力“5G+IoT”融合行业终端与智能手机相比有很大的不同,其主要体现在需求差异大,有些仅需要基础的通信能力,有些需要具备运算能力的通信模块,有些需要dongle(软件保护器)类型的全能型模组。行业终端关注的性能需求也不尽相同,速率、时延、可靠性和安全性等要求各不相同,有些终端则对授时、定位、切片等能力有特殊需求。此外,行业终端还必须满足行业特有的要求,如防水、防爆、抗震动、低功耗等,以适用于不同工况条件。
目前无线通信模组在各个行业的应用场景不断扩大,文化娱乐、智慧交通、智慧城市、智能制造、远程医疗等领域对蜂窝无线通信模组尤其是中高速模组的需求呈现爆炸性的增长。如何快速地将5G通信能力集成到行业终端中是亟须解决的问题。
新技术的引入需要终端接入能力的提升,但行业一般对成本比较敏感,行业终端的替换面临着旧投资的浪费和新投资的增加,因此,终端利旧是行业引入新技术要考量的重要因素。CPE(客户终端设备)或DTU(数据传输单元)为行业终端的利旧提供了技术手段。首先,早期能够接入Wi–Fi的终端可以直接接入5GCPE或DTU实现5G能力的引入;其次,对于可靠性要求很高而无法使用Wi–Fi接入的设备可以通过RJ45[7] 、USB(通用串行总线)、HDMI(高清多媒体接口)等有线接口与CPE或DTU实现连接。所以,5G数据类终端在5G商用初期或终端利旧方面将发挥重要作用。
但CPE和DTU也有其自身存在的弱点,一是这类设备一般需要独立供电,二是设备体积和重量比较大,这导致移动性或外观要求较高的终端无法直接使用这类设备,比如无人机、MR(混合虚拟现实)设备等。
鉴于CPE和DTU设备存在的不足,行业终端内置通信模组是技术成熟后行业终端发展的必然趋势。在此背景下,5G通用模组已经成为推动5G行业应用的纽带,有助于解决行业碎片化的问题,是行业终端具备5G通信能力的关键一环。通过统一封装尺寸、统一接口定义,进一步形成产业标准,可以降低5G终端的研发门槛,通过规模经济效应降低行业终端的研发成本,促进垂直行业对5G的采用。
不同行业对于5G通信模组的要求各不相同,通过对垂直行业的调查和分析,充分挖掘各行各业对于5G和5G模组的需求与应用场景,我们可以归纳出以下三类模组形态。
基本型:在5G时代,5G模块的基本类型将是大多数场景中使用最广泛的模块,如实时超高清视频监控、联网无人机、联网汽车、ACPC(全互联个人电脑)、8K超高清在线视频和工业路由器等。
智能型:人工智能和VR技术等应用程序需要高性能计算能力来处理实时数据。因此,除了对基本类型的建议外,这类模组还要求包含一个高性能的处理器。
全能型:一体式的5G模块提供内置天线模块,行业终端无须进行相关设计就可直接采用,这降低了设备研发成本。
通过在行业终端上集成5G通信模组可以实现行业终端多样化的需求和定制化要求,行业客户可根据自身需求选择符合要求的5G通信模组,同时可开发定制化的需求,比如授时、精准定位等。对公网内网同时有访问需求的终端,需要研究双SIM(用户识别模块)卡、双注册的工作机制。
由于行业终端的使用场景更加多样,使用环境更加复杂,因此对终端的质量要求更加严格,终端的测试、认证和质量保障体系尤为重要,“芯片–模组–终端”三段式的解决方案可以降低行业终端的测试成本,提升测试效率。
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