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5G新時代 2019年10月31日，工信部與中國的三大移動運營商（中國移動、中國聯通、中國電信）共同宣布啟動5G商用，這標志著5G正式進入了全國普及階段。今年（2021年），工信部計劃新建5G基站60萬個。在實現地級以上城市深度覆蓋的基礎上，加速向有條件的縣鎮延伸。 無論是商業原因還是國際競爭的原因，5G幾乎從4G普及之后就已經成為確定的發展方向。而只有當大量基站建設鋪開、5G信號被較大數量的人口接收到的時候，5G的實際價值才能慢慢展現。作為第五代移動通訊技術，5G的出現將解決之前通訊技術中遇到的傳輸速度和信道容量問題。對比之前的移動通訊技術，4G的設計最快速度可以達到150Mb/s，而5G的最快速度則可以達到20Gbps [1]。從容量上說，5G會利用頻率更高的厘米波和毫米波段，通道帶寬可以達到400MHz，比4G的20MHz高出了20倍[2]。 可以說，5G技術是通信領域的高速公路，有助于實現高速度、低延時、高帶寬的通信，也就是讓越來越多的設備更容易地連入網絡。當5G結合物聯網、虛擬現實和人工智能，很多新型應用將更容易實現；當5G進入工業領域，工業4.0才可能實現。 5G在實際生活中的應用 5G與其他技術結合，可以實現更大的價值。下面簡述5G在自動駕駛、虛擬現實、遠程醫療和智慧城市中的作用，有助于在這些領域中實現萬物互聯。 自動駕駛 5G可以實現大數據的快速傳輸，輔助人工智能的應用。這意味著大量應用的終端可能只是數據采集端和執行端，采集到的數據可以低延時地傳回數據終端，數據中心的決策和預測再傳回終端。于是，自動駕駛汽車就可以把計算分析的任務交給數據中心；甚至更直接地，汽車直接經由5G實時共享畫面，讓司機遠程開車。 另外，5G具有的高容量可以容納海量通信設備，也就可以實現自動駕駛汽車之間的通信。所有一定范圍內的自動駕駛汽車就可以構成一個集群，每臺車可以根據其他車的行進方案實時調整自己的方案，從而更好地實現躲避擁堵的目的。 虛擬現實 5G對于虛擬現實的影響也難以估量。首先，海量數據可以傳遞給虛擬現實終端，畫面的更新速度提升，從而改變虛擬現實的體驗，至少用戶不會再頭暈。另外，如果把真實世界同一位置不同角度的圖像信息經由5G傳輸給虛擬現實終端，人們甚至可以實現遠程進入同一時刻的另一個真實空間。 遠程醫療 5G的高容量可以允許傳感器直接聯網。實時監測人體各項指標的傳感器（如心率、腦電、血糖等）可以連入網絡，一旦有指標發生嚴重問題，醫生甚至可以比病人更早地發現問題并采取措施。 5G的高速度和低延時也可以更好地實現醫生遠程看病甚至遠程手術。早在2019年，中國就完成了北京專家對天津、河北、新疆的遠程手術。遠在北京的醫生通過5G網絡實時獲取當地圖像，并且交替對三地的手術機器人進行操作，不僅幫助本地醫生規劃手術方案，而且實現了遠程操控[3]。 智慧城市 5G是智慧城市不可或缺的工具，可以說，智慧城市是建立在5G網絡上的城市。除了城市中的自動駕駛汽車自然也離不開5G，城市中的大量攝像頭可以直接聯網，攝像頭網絡可以用來調控交通、監控異常。另外，城市環境也可以被傳感器網絡監測。以西班牙巴塞羅那為例，政府在全市安裝了超過2萬個無線傳感器，用于收集氣溫、濕度、污染、噪音、交通流量等各領域的數據信息。 在家里，電器設備可以高速接入云端大腦，讓輕量級的設備也能聽從語音指示，甚至家用電器可能在用戶尚不注意的時候就已經自動跟商家報修。另外，由于5G的低延時，在家工作、聽課、開會都可以實現等同于面對面的實時交流，這可以提升工作和學習的效率，實現真正的“在家辦公”。 5G在工商業領域的應用 除了面向用戶的應用，5G也將深刻改變工業和商業領域的網絡應用。 生產線監控 在生產線上，正因為有5G，才能實現生產線上的物物連接，從而實現工業4.0倡導的生產線的調控。5G帶來的數據快速傳輸可以幫助更多數據更便捷的融合，實現低延時地遠程監控生產過程。早在2019年，湖北移動在中國信科集團旗下的虹信公司利用5G和自動化技術實現了自動生產線，包括自動焊接、自動上料、振子選波焊、視覺檢測、性能測試等工序。不僅實現了生產線的遠程監控，而且大大提升生產效率。一個人監控的生產線，一天就可以完成之前十個工人干十幾天的工作量[4]。 當生產線上的各個設備都連入網絡，對生產線的監控可以實時、可視化，從“人管設備”過渡到“設備找人”。以5G+工業互聯網技術供應商凌犀物聯為例，旗下的HOMEY智能安燈系統、C-MES智造信息系統和LinkInsight透明工廠分別實現了設備問題實時上報、生產工序投入產出監測和基于人工智能的設備的預測性維護和生產性能評估[5]。 智能工業園區 5G應用在園區內將改變生產模式以至于達到未來工業4.0的水平。比如自動駕駛用于生產資料和人員的移動、智能攝像頭用于了解和監控各個生產過程。這樣的設想已經逐步成為現實，比如在2019年，京東部署了LoMir（絡謎）智能物流平臺。在這個基于5G的智能物流園區中，5G高清攝像頭可以實現人員的定位管理，還可以實時感知倉內生產區擁擠程度，及時進行資源優化調度；5G與工業物聯網結合，可以管理園區內的人員、資源和設備；5G還幫助園區智能識別車輛，并智能導引貨車前往系統推薦的月臺進行作業，讓園區內的車輛更加高效有序。 專用確定性網絡 由于5G可容納大量的通訊設備和信道，而不同的應用又有不同的需求，網絡切片技術就可以幫助同一個網絡分成彼此獨立的功能，比如工廠的傳感器需要低延時和高可靠性，城市內的傳感器需要保證單位面積內的連接數夠多，野外的傳感器還需要保持低功耗待機等等。 在網絡切片技術的幫助下，5G的一個重要功能是公網專用。正如按照不同功能進行的網絡切片，網絡也可以根據特定的隱私性要求進行切片。對于智慧工廠、智慧產業園區等對隱私性有較高要求、但又沒有必要專門留出單獨頻段進行通訊的應用，公網專用則相對經濟地保證了隱私性。在這方面，北京聯通在三一重工構建了三一重工園區5G專網體系、幫助北京電力海淀500kV超高壓隧道5G專網建設。華為也提出了一系列行業需求，即能力可編排的差異化（Differentiated）、數據安全保障專屬性（Dedicated）、自主管理和自助服務（DIY）[6]。 5G未來發展的挑戰 盡管有合理的構想和一些成功的應用，但當5G已經逐漸進入人們生活的當下，5G未來發展的圖景反而顯得模糊。一方面，經歷了近兩年的基站建設和發展，大部分用戶的直接體驗并沒有很好，甚至有人認為5G的出現不僅提高了資費水平，還影響了4G的速度。另一方面，上述那些激動人心的應用很多似乎看上去還十分遙遠。對此，筆者有以下思考。 規模性 當基礎建設初步鋪設完成之時，才是5G大規模應用將要發生之時。更進一步，只有當設備通過5G連入整個網絡成為一種新型的默認設定，5G以及其帶來的“萬物互聯”的價值才真正能體現出來。但事實上，基礎設施的建設還遠遠不夠。根據工信部數據[7]，2021年一季度，中國已建成5G基站總數達81.9萬個，連接到5G網絡的終端數達2.85億個。但相比于我國已經建設了582萬基站的4G網絡，5G的覆蓋深度和廣度還沒有達到足夠規模。 數據量與算法 5G的發展和應用離不開數據和算法。無論自動駕駛、智慧診療還是未來的智慧城市、萬物互聯，數據的收集、處理、分析以及算法效能的提升都是基礎設施的一部分。以萬物互聯的角度來看，現在算法處理的數據規模和智能程度還遠遠不夠。而站在5G的世界向后看，當人們適應了5G的世界甚至進入6G的時候，所有信息都將會變成數據，這將會是海量的。比如可能會把嗅覺數字化、真實場景數字化、身體信息數字化，數據的存儲和處理又會是新的命題。從這個角度上說，數據科學與算法設計的也需要隨著5G的到來一同進化。 世界競合 由于5G技術相比于之前的所有移動網絡會更加深入地嵌入到大眾生活和專用網絡中，各國都會基于國家安全的考慮發展5G，也因此造成了中國與美國的博弈和摩擦。根據IPlytics的報告[8]，華為擁有5G必要專利占比達到了15.4%，居世界首位。與芯片相關的大量專利仍由美國高通公司擁有，而華為在5G網絡方面具有優勢。這樣多強并立的局面直接影響了美國公司的發展路徑：美國通信行業解決方案聯盟在2020年底發起了“下一個G”聯盟（Next G Alliance），招攬了美國的蘋果、谷歌、AT&T、高通等大公司，一方面發展5G，另一方面提前布局6G；與此同時，也有消息說美國希望延長4G的服役時間，這樣可以直接饒過5G技術，從而繞過中國作為技術主導的這一輪通信技術革命。。由此可見，5G的發展融入了更多的國際政治因素，這也讓技術的發展不再純粹集中在經濟或技術本身，從而也影響技術的發展和普及。 下一個G（6G） 正如上文提到，6G已經開始陸續進入大國、大公司的事業。比5G更快、、更高效。6G的設計速度可以達到1Tbps，利用更快的太赫茲頻段（0.1-10Thz），其設計速度與容量均可以達到5G的上百倍。像5G一樣，科技大國和大公司還在爭取6G的標準定制權，而與此同時，一些關鍵技術已經浮出水面。這些技術包括太赫茲發射與接收的芯片技術、高功率通訊環境下電池技術、高性能計算下的保密技術（包括量子通訊技術）、網絡分布于智能化技術等[9]。 在2020年，新加坡和日本的大學宣布制造了太赫茲芯片，中國也已經發射了太赫茲通信衛星[10]。而根據中國IMT-2030（6G）推進組進去發布的《6G總體遠景與潛在關鍵技術》[11]，6G將實現5G依然難以完成的全息通信、感官互聯等“科幻”場景。由于6G的建設是沿著5G的思路、把提升容量、降低延時做到更高的水準。5G的建設依然可以為未來6G提供技術和經驗儲備。 因此，5G發展仍然是大勢所趨，而且將是以后通訊發展的基石�，F在的5G正在進入尋常人家的前夜，只是需要稍微耐心一點。正如中國信通院5G應用創新中心副主任杜加懂先生最近一篇文章[12]中所說，5G的應用和發展都是“批次遞進式”的，或許過幾年再回過頭來看，5G正如當初的4G一樣，已經悄然走進了人們的生活。 來源：貿澤電子 作者：王東昂 |
