孫柏林，劉哲鳴

（中國儀器儀表學(xué)會(huì)產(chǎn)品信息工作委員會(huì)，北京 100043）

萬物互聯(lián)時(shí)代，5G 帶給儀器儀表巨大的發(fā)展機(jī)遇。作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，5G 技術(shù)契合了傳統(tǒng)制造企業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，能滿足工業(yè)環(huán)境下設(shè)備互聯(lián)和遠(yuǎn)程交互應(yīng)用需求。在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化控制、物流追蹤、工業(yè)AR、云化機(jī)器人等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，5G 技術(shù)起著支撐作用。

1 5G技術(shù)的基本概念

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5th generation mobile networks 或5th generation wireless systems、5th-Generation，簡稱“5G”）是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，是2G（GSM）、3G（UMTS、LTE）和4G（LTE-A、WiMax）系統(tǒng)后的延伸。5G 的性能目標(biāo)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(shè)備連接。Release-15 中的5G 規(guī)范的第一階段是為了適應(yīng)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(shù)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(dá)20 Gbit/s，可以實(shí)現(xiàn)寬信道帶寬和大容量MIMO。

與早期的2G、3G 和4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)一樣，5G 網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，供應(yīng)商覆蓋的服務(wù)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(hào)在手機(jī)中被數(shù)字化，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換并作為比特流傳輸。蜂窩中的所有5G 無線設(shè)備通過無線電波與蜂窩中的本地天線陣和低功率自動(dòng)收發(fā)器（發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）進(jìn)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(fù)使用。本地天線通過高帶寬光纖或無線回程連接與電話網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接。與現(xiàn)有的手機(jī)一樣，當(dāng)用戶從一個(gè)蜂窩穿越到另一個(gè)蜂窩時(shí)，他們的移動(dòng)設(shè)備將自動(dòng)“切換”到新蜂窩中的天線 。

5G 網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢在于，數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，最高可達(dá)10Gbit/s，比當(dāng)前的有線互聯(lián)網(wǎng)要快，比先前的4G LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)快100 倍；另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是較低的網(wǎng)絡(luò)延遲（更快的響應(yīng)時(shí)間），低于1ms，而4G為30ms ～70ms。由于數(shù)據(jù)傳輸更快，5G 網(wǎng)絡(luò)將不僅僅為手機(jī)提供服務(wù)，而且還將成為一般性的家庭和辦公網(wǎng)絡(luò)提供商，與有線網(wǎng)絡(luò)提供商競爭。以前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供了適用于手機(jī)的低數(shù)據(jù)率互聯(lián)網(wǎng)接入，但是一個(gè)手機(jī)發(fā)射塔不能經(jīng)濟(jì)地提供足夠的帶寬作為家用計(jì)算機(jī)的一般互聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)商。

2 5G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

1）峰值速率需要達(dá)到Gbit/s 的標(biāo)準(zhǔn)，以滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等大數(shù)據(jù)量傳輸。

2）空中接口時(shí)延水平需要在1ms 左右，滿足自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等實(shí)時(shí)應(yīng)用。

3）超大網(wǎng)絡(luò)容量，提供千億設(shè)備的連接能力，滿足物聯(lián)網(wǎng)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(dòng)性下，用戶體驗(yàn)速率達(dá)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(diǎn)、多天線、多攝取的協(xié)同組網(wǎng)，以及網(wǎng)絡(luò)間靈活地自動(dòng)調(diào)整。

從用戶體驗(yàn)看，5G 具有更高的速率、更寬的帶寬，預(yù)計(jì)5G 網(wǎng)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(fèi)者對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清視頻等更高的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)需求。

從行業(yè)應(yīng)用看，5G 具有更高的可靠性、更低的時(shí)延，能夠滿足智能制造、自動(dòng)駕駛等行業(yè)應(yīng)用的特定需求，拓寬融合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)創(chuàng)新發(fā)展。

3 5G技術(shù)的主要功能

從科技創(chuàng)新所帶來的經(jīng)濟(jì)效益的提升角度來看，5G 是經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵使能器。未來，5G 與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的深度融合，將連接人和萬物，成為各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

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

4 5G帶來的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

在核心網(wǎng)方面，5G 應(yīng)該說很好地采用了NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）和SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）的理念，大部分是基于軟件和硬件分離的架構(gòu)。在大家看起來都是服務(wù)器，在上面虛擬出很多不同的功能單元，從網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計(jì)來看，也更好地實(shí)現(xiàn)了控制和數(shù)據(jù)平面的分離；其次，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，進(jìn)一步向扁平化發(fā)展，過去2G、3G 的4 層，到4G 已經(jīng)變成3 層，到5G 更加簡潔，變成兩層，而且很多應(yīng)用了移動(dòng)邊緣計(jì)算。核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)落實(shí)像網(wǎng)絡(luò)切片、移動(dòng)邊緣計(jì)算，確保端到端用戶的安全。

另外，5G 技術(shù)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(shù)上。考慮到5G 的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)分為非獨(dú)立組網(wǎng)和獨(dú)立組網(wǎng)兩種模式。所謂獨(dú)立組網(wǎng)就是采用5G 新的空口接入到5G 新的核心網(wǎng)，端到端都是完整5G 的標(biāo)準(zhǔn)。非獨(dú)立方式更多體現(xiàn)在核心網(wǎng)部分。也就是說，有些運(yùn)營企業(yè)在初級(jí)階段仍然用4G 核心網(wǎng)接入5G 新的接口作為過渡以減少初期投資。

在推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)落地過程中，比如eMBB 能支撐起遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等高帶寬的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間的目標(biāo)壓低到1ms 以下，以支撐工業(yè)自動(dòng)化控制過程中系統(tǒng)和設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性的諸多指標(biāo)和要求。

從專業(yè)角度出發(fā)，5G 新技術(shù)的關(guān)鍵能力比前幾代移動(dòng)通信更加豐富。用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時(shí)延、峰值速率和移動(dòng)性等都將成為5G 的關(guān)鍵性能指標(biāo)。新空口、網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算是3 大具備關(guān)鍵性的5G 技術(shù)，也是驅(qū)動(dòng)第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)。

各種新興的應(yīng)用是5G 商用的主要推動(dòng)力，這些應(yīng)用通常對(duì)帶寬和時(shí)延要求較高，而5G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和低時(shí)延特性正好滿足了這些新興技術(shù)的應(yīng)用。

5G 有3 個(gè)方面的進(jìn)展。除了網(wǎng)速得到百倍的提升，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延也將低到百萬分之一秒。此外，5G 能夠廣覆蓋，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，在每一平方公里可以支撐100 萬個(gè)移動(dòng)終端。

4.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

5G 網(wǎng)絡(luò)正朝著網(wǎng)絡(luò)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(dòng)數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長。在未來5G 網(wǎng)絡(luò)中，減小小區(qū)半徑，增加低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)量，是保證未來5G 網(wǎng)絡(luò)支持1000 倍流量增長的核心技術(shù)之一。因此，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)成為未來5G 網(wǎng)絡(luò)提高數(shù)據(jù)流量的關(guān)鍵技術(shù)。超密集網(wǎng)絡(luò)（UDN）對(duì)5G 要求中的高速率、低時(shí)延、大業(yè)務(wù)量以及高密度終端數(shù)起到了至關(guān)重要的作用。它通過部署大量的設(shè)備來滿足高密度、高流量的無線終端接入要求，同時(shí)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(yīng)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(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，主要依靠人工方式完成網(wǎng)絡(luò)部署及運(yùn)維，既耗費(fèi)大量人力資源又增加運(yùn)行成本，而且網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也不理想。在未來5G 網(wǎng)絡(luò)中，將面臨網(wǎng)絡(luò)的部署、運(yùn)營及維護(hù)的挑戰(zhàn)，這主要是由于網(wǎng)絡(luò)存在各種無線接入技術(shù)且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋能力各不相同，它們之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。因此，自組織網(wǎng)絡(luò)（self-organizing network，SON）的智能化將成為 5G 網(wǎng)絡(luò)必不可少的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

4.3 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

在5G 中，面向大規(guī)模用戶的音頻、視頻、圖像等業(yè)務(wù)急劇增長，網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸式增長會(huì)極大地影響用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。如何有效地分發(fā)大流量的業(yè)務(wù)內(nèi)容，降低用戶獲取信息的時(shí)延，成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和內(nèi)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(wǎng)站服務(wù)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(wù)器之間的距離有密切關(guān)系。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（content distribution network，

CDN）會(huì)對(duì)未來5G 網(wǎng)絡(luò)的容量與用戶訪問具有重要的支撐作用。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中添加新的層次，即智能虛擬網(wǎng)絡(luò)。

4.4 D2D通信

在5G 網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)容量、頻譜效率需要進(jìn)一步提升，更豐富的通信模式以及更好的終端用戶體驗(yàn)也是5G 的演進(jìn)方向。設(shè)備到設(shè)備通信（device-to-device communication，D2D）具有潛在的提升系統(tǒng)性能、增強(qiáng)用戶體驗(yàn)、減輕基站壓力、提高頻譜利用率的前景。因此，D2D 是未來5G網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.5 M2M通信

M2M（machine to machine，M2M）作為物聯(lián)網(wǎng)最常見的應(yīng)用形式，在智能電網(wǎng)、安全監(jiān)測、城市信息化、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。3GPP 已經(jīng)針對(duì)M2M 網(wǎng)絡(luò)制定了一些標(biāo)準(zhǔn)，并已立項(xiàng)開始研究M2M 關(guān)鍵技術(shù)。M2M的定義主要有廣義和狹義兩種。廣義的M2M 主要是指機(jī)器對(duì)機(jī)器、人與機(jī)器間以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器之間的通信，它涵蓋了所有實(shí)現(xiàn)人、機(jī)器、系統(tǒng)之間通信的技術(shù)；從狹義上說，M2M 僅僅指機(jī)器與機(jī)器之間的通信。智能化、交互式是M2M 有別于其它應(yīng)用的典型特征， 這一特征下的機(jī)器也被賦予了更多的“智慧”。

4.6 信息中心網(wǎng)絡(luò)

隨著實(shí)時(shí)音頻、高清視頻等服務(wù)的日益激增，基于位置通信的傳統(tǒng)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)無法滿足數(shù)據(jù)流量分發(fā)的要求，網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出以信息為中心的發(fā)展趨勢。信息中心網(wǎng)絡(luò)（information-centric network，ICN）的思想最早是1979 年由Nelson 提出來的，后來被Baccala 強(qiáng)化。作為一種新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，ICN 的目標(biāo)是取代現(xiàn)有的IP。ICN 所指的信息包括實(shí)時(shí)媒體流、網(wǎng)頁服務(wù)、多媒體通信等，而信息中心網(wǎng)絡(luò)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(hù)目標(biāo)主機(jī)的可連通性。

4.7 大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模MIMO 技術(shù)是傳統(tǒng)MIMO 技術(shù)的演進(jìn)，它將天線數(shù)目提高到幾十個(gè)甚至上百個(gè)。與傳統(tǒng)MIMO 技術(shù)相比，大規(guī)模MIMO 技術(shù)具有更低的時(shí)延與更強(qiáng)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(guān)鍵空中接口技術(shù)之一，它令終端設(shè)備可以在同一時(shí)間、同一頻段發(fā)送和接收信號(hào)，達(dá)到比傳統(tǒng)的TDD 或FDD 高一倍的頻譜效率，同時(shí)減小端到端的傳輸時(shí)延和信令開銷。

5 5G技術(shù)與儀器儀表

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

2）通過基于狀態(tài)的監(jiān)控、機(jī)器學(xué)習(xí)，基于物理的數(shù)字仿真和數(shù)字孿生手段，準(zhǔn)確預(yù)測未來的性能變化，從而優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃并自動(dòng)訂購零件，減少停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。

3）通過優(yōu)化供應(yīng)商內(nèi)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(wǎng)的機(jī)會(huì)，就需要實(shí)施涵蓋供應(yīng)鏈、生產(chǎn)車間和整個(gè)產(chǎn)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(duì)實(shí)時(shí)性、安全性、低時(shí)延等的要求非常高，而5G網(wǎng)絡(luò)的能力可較好地滿足工業(yè)自動(dòng)控制與管理等業(yè)務(wù)的場景需求，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制化生產(chǎn)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。此外，工廠內(nèi)外的信息交互及大規(guī)模生產(chǎn)協(xié)同，也需要5G 提供大連接能力，將機(jī)械臂等設(shè)備連網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息采集，集中調(diào)度。

5）隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展與人工智能的高速崛起，5G 技術(shù)、人工智能也將改變現(xiàn)有傳感器及傳感器網(wǎng)絡(luò)，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(shí)延的特性，5G不僅解決人與人的通信問題，而且能實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的萬物互聯(lián)。在5G 網(wǎng)絡(luò)中，虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、8K 高清視頻，以及無人駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居等，將真正走向成熟應(yīng)用。

隨著5G 運(yùn)用普及，儀器儀表行業(yè)或能迎來巨大的發(fā)展契機(jī)。例如，與儀器儀表行業(yè)直接關(guān)聯(lián)性最大的是傳感器，同時(shí)必不可少的是相應(yīng)的芯片和器件都要通過高科技精準(zhǔn)儀器檢測后量產(chǎn)，還有網(wǎng)絡(luò)的連通測試，也需要通信行業(yè)的精準(zhǔn)儀器檢測。另外，將會(huì)出現(xiàn)與5G 技術(shù)相應(yīng)的儀器儀表新標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)束語

5G 信息技術(shù)是各國競相角逐的前沿科技，中國5G 技術(shù)具有先進(jìn)性和穩(wěn)定性，5G 商用將帶動(dòng)中國整個(gè)科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著一項(xiàng)項(xiàng)5G 前沿成果在中國的轉(zhuǎn)化，一個(gè)個(gè)生機(jī)勃勃的獨(dú)角獸企業(yè)拔節(jié)壯大，5G 產(chǎn)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(duì)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(guān)鍵，企業(yè)家們應(yīng)當(dāng)努力地防止掉入“慣性思維”的陷阱。無論在理論上還是在實(shí)踐中，推動(dòng)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的最大障礙，莫過于“慣性思維”。其關(guān)鍵之舉，也莫過于告別“慣性思維”。