5G 将为 IoT/IIoT 带来什么？

为了了解 5G 移动宽带服务对 IoT/IIoT 的影响，我采访了 Oracle 物联网和区块链应用程序开发副总裁 Jai Suri 和嵌入式系统架构师兼航空航天业顾问 Mike Anderson。我问他们我们是否接近将 5G 引入工业，或者其他应用是否可能会首先出现。在他们俩看来，这很复杂。

“5G 的设计以物联网用例为核心，而 4G 及更早的标准主要用于语音和数据传输。借助 4G/LTE，可以实现流式内容的快速数据下载，而 5G 将带来超快速、低延迟的通信以及每平方公里处理数百万台设备的能力，”Suri 说。

从几个澄清开始很重要。 5G 一词并非指频率，它仅表示它是第五代无线移动宽带通信（参见“了解 5G 蜂窝的影响”，Sensor Technology，2020 年 3 月。）它不仅仅是一个频率，它涵盖三个乐队：

• 低频段为 600 – 850 MHz 这并不比目前可用的 4G 多多少。

• 中频覆盖 2.5 - 3.7 GHz 的范围。

• 高频段工作在 25 – 39 GHz。这个频率范围内的信号通常被称为毫米波，它们提供了许多人在想到 5G 时会想到的极致性能。

工业物联网中的 5G

第三代合作伙伴计划 (3GPP) 是一个开发移动电话协议的国际标准组织。他们的 Release 15 专注于面向消费者的 5G，而当前的 Release 16 将重点从消费者转移到 IIoT 和其他工业市场。他们的意图是随着时间的推移发布用于开发和实施越来越多的 5G 应用程序的标准。

毫米波 5G 的突出优势是高速、低延迟、大量连接设备和高可靠性。借助 5G 毫米无线连接，您可以获得有线连接所期望的那种性能。而且由于它的高频范围，它通常不易受到附近设备的电气干扰。

然而，最大的问题是毫米波 5G 可以被窗户挡住，而且它不会穿透很远。这意味着您需要拥有大量 5G 单元才能利用它。根据 Anderson 的说法，在一个合理大小的工厂车间，您可能需要 20 或 30 台收音机安装在主要工作单元上方的天花板上。

工业应用通常需要高可靠性，而 5G 肯定可以满足这一要求。正如安德森解释的那样，“目前的 4G 网络可靠性为 99.8%。 0.2% 的掉话率被认为是超级可靠的运营商级移动电话网络。但工业应用的可靠性要求通常是 6-9 (99.9999%)。 5G 网络可以通过使用小区复制、无线电频谱的巧妙使用和大规模 MIMO（多入多出）天线来提供这种级别的可靠性。”

为了将电信公司的 5G 信号带入工厂，必须在建筑物内安装一个看起来像微型蜂窝塔的天线。要在工业应用中使用它，您需要在建筑物内建立更大的基础设施——不能只是简单地穿透建筑物就完成了——它要复杂得多。根据频率范围，您甚至不一定能看到建筑物另一侧的信号。有大梁和各种各样的东西会吸收信号。所以，你需要多个天线。无论是谁在建厂，都必须确保这些天线在建筑物内有足够的覆盖范围，并且没有死角。

5G 的主要候选者

数字孪生

数字孪生是物理系统的实时动态表示。例如，航空航天业或多或少地定期使用数字双胞胎。如果您要将大量技术放入卫星并将其发送到近地轨道，它可能需要维修。如果有软件更新，可以先在地球上在数字孪生（卫星的实时数字对应物）中进行测试，然后再上传。为了让数字孪生与真实事物保持同步，需要高速传输大量数据，这非常适合 5G。

虚拟现实和增强现实

对于虚拟现实，可检测的延迟是不可接受的。因此，5G 的高带宽、高吞吐量和低延迟非常适合。虚拟现实的一个应用程序是有用的，而不仅仅是娱乐，是让模拟器训练系统操作员，如果出现任何问题，这可能是致命的。例如，飞机、铁路或船舶运营商，以及最肯定的核反应堆运营商。

“我去过一艘船的训练室，在那里你只能看到空白的墙壁，但当你戴上虚拟现实护目镜时，你会看到你通常期望在船上看到的所有控制装置。如果模拟器也是数字双胞胎，那么这些虚拟控件将执行它们在实际船上会执行的操作，”Anderson 说。

“另一个增强现实应用程序使服务技术人员——尤其是第三方技术人员——能够执行高质量的维修工作。增强现实可以指导他们完成整个维修过程，通过提供规范的维护模型来查明问题并在实时视频源上直观地叠加 3D 动画以显示要执行的步骤顺序，”Suri 说。

预测性维护

如果您的应用程序包含要跟踪和分析的大量流数据，5G 还有助于预测性维护。

一个关键应用是非常大的电动机或发电机，如果它们发生故障或可能中断发电等重要服务，它们可能会造成严重损坏。 Suri 表示，远程设备的实时监控，例如监控石油和天然气行业的气体压缩机是另一个关键用例。

另一个例子是，如果您是一家销售屋顶设备的 HVAC 公司，您希望收集的数据不仅用于维护，还包括其使用情况。 “使用 4G 网络收集有用数据的成本约为每月 3 至 5 美元，因此，如果我有一家销售屋顶 HVAC 的公司并且部署了 100,000 台设备，那么这笔费用将非常可观。处理所有这些数据以获得有用的信息会进一步增加运营费用，”Suri 说。 “如果组织可以为他们的客户提供有关功耗与舒适度的见解，那么这些数据可以用于销售更高效的设备——或者组织可以提供基于使用的定价，他们只需根据使用的小时数按月收取费用。它正在运行。”

边缘计算

5G 承诺低延迟、高速和高可靠性，增强边缘计算能力，为工程师提供扩展的网络设计工具箱。

边缘计算有很多好处：

• 借助 5G，可以在边缘完成更多计算，因为可以重新定义边缘以包括“本地云”。以前，必须在每个传感器节点上进行低延迟计算，而时间敏感度较低的计算可以分配给企业级网络或公共云。但是由于物理尺寸和功耗的实际限制，传感器节点可以完成的计算量非常有限。

• 然而，通过 5G 连接，来自远程传感器的数据可以无线传输到由现成计算机组成的“本地云”。这些云可以执行低延迟计算，从而可以将决策移到更靠近数据源的位置。然后可以将有意义的信息包而不是原始数据发送到企业云和公共云，以进行时间敏感度较低的处理和存储。

• 此外，组织可能希望能够保护敏感数据不被公开。边缘系统可以在源头处理数据，只将匿名和汇总的见解发送到云端进行进一步处理。

自动驾驶汽车

“我认为你会将 5G 视为杀手级应用的地方是自动驾驶汽车，”安德森说。 “他们身上有很多传感器：激光雷达、雷达、摄像头。这些都会产生大量数据，并且需要非常快的响应时间和极低的延迟。自动驾驶汽车必须实时吸收周围环境的大量数据并迅速做出反应。”

车辆与周围任何事物（包括行人、其他汽车和交通信号灯）之间的通信称为 V2X。该技术使车辆能够直接相互通信以避免碰撞。此外，如果一辆车正在接近十字路口并且有红绿灯并且两者都连接在5G上，那么汽车可以直接与红绿灯通信以了解其当前状态。

“为了为自动驾驶汽车实施 5G，州公路局可能会向电信（电信运营商）供应商发出一份合同，因为你想利用他们的手机信号塔和他们的支持基础设施，”安德森说。 “对于高数据速率和低延迟，您至少需要 1 GHz 的带宽。如果你真的想要低延迟，现在你说的是 25 到 27 GHz（毫米范围），这意味着你需要在城市的每个街区都有一个手机信号塔。在农村地区，你可以在塔之间走大约 5 公里。”

由于目前的电信蜂窝塔的间距约为 20 英里，因此必须建造许多新的蜂窝塔。 5G 毫米波需要的单元数量大约是正常频率范围的五倍。可取之处在于，25 GHz 蜂窝塔的尺寸比现有的电信蜂窝塔要小得多。

“现实情况是，起初，毫米波段将针对人们的个人用途，因此无论如何都会建立基础设施。然后多余的产能将出售给城市或州，用于自动驾驶汽车。”安德森说。

物流

物流可以受益于能够实时跟踪和定位大量车辆。这对车队经理来说将是一笔财富。通常，跟踪包裹相当于从数据记录器中追溯检索信息。然而，实时车辆跟踪系统使用 GPS 和蜂窝数据将有关位置和移动方向的信息传输到控制站。该数据可用于排除路线故障或优化物流运营。车辆跟踪系统还可以发送有关车辆的操作信息，例如可用于安排维护的燃料油位、轮胎压力、点火状态和发动机温度。在这类应用中使用 5G 也可能成为杀手级应用。

结论

归根结底，5G 将对物联网和工业物联网产生重大影响，但这会发展缓慢，有些行业早一些，有些晚一些。总体而言，将 5G 显着集成到 IoT/IIoT 应用程序的时间线约为 5 到 10 年。

本文由 Sensor Technology 的编辑 Ed Brown 撰写。欲了解更多信息，请联系 Ed，此电子邮件地址已收到垃圾邮件机器人保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它。或访问这里 .