以4G LTE啟程，開始您的5G之旅

　　Ludger?Boegerging（u-blox?蜂窩通信產品中心?戰略（市場開發）?高級專員）

　　摘?要：在5G 的大趨勢下，一個觀念正逐漸被人淡忘或忽視：就是在未來 10 年中，4G LTE 仍將是工業物聯網解決方案的最具競爭力的通信技術。本文將闡述其中的原因。此外，我們還將研究如何為全新 5G 時代做好準備，探討如何使用當今的 4G LTE 技術，并持續發掘 5G 技術中所蘊藏的價值。

　　關鍵詞：4G LTE；5G；工業物聯網；工業 4.0

　　盡管5G毋庸置疑將會為各行各業乃至我們的日常生活帶來巨大的機遇，但若要充分利用這項技術，不僅需要大量的實踐作為基礎，更需要一套高度整合的方法助力落地實施。

　　眾所周知，我們目前正處在第四次工業革命的風口浪尖。物聯網(IoT)、人工智能、無處不在的無線互聯、混合現實、區塊鏈、自動駕駛車輛、云技術——包括這些在內的眾多創新技術正悄然顛覆著各行各業的運作模式。最具前景的當屬將工廠中使用的數字系統和物理系統并入工業物聯網（IIoT)，以此所打造的信息物理系統將成為未來工業4.0的強健“基石”。

　　作為時下最熱門，同時也伴隨大量爭議的話題，第五代蜂窩通信（5G）技術的作用被一些人認為是夸大其詞且有炒作之嫌。然而，與此同時則有另外一些人競相入局5G市場以率先占據市場空間，準備用5G技術大刀闊斧地改革他們所處的行業。而介于兩者之間的是那些非常謹慎的人，他們在對5G進行投資的過程中，更希望獲得有關研發5G新產品和解決方案的必要經驗，一旦5G塵埃落定且技術成熟，他們就可直接將這些產品和解決方案提供給客戶。

　　正是因為各種各樣的炒作，這種行業亂象并不令人感到意外。由于5G的相關行業距離大規模部署尚有數年的時間，相對傳統保守的行業更傾向于暫緩對工業物聯網(IIoT)的投資，直到Rel-17中的新標準完全頒布實施。畢竟，當一場技術革命正在醞釀中時，為什么要把有限的資金投到4G LTE這個看起來可能已經過時的技術上呢?

　　但正是這樣一個看似合理觀念亟需糾正：4G LTE非但沒有過時，反而仍在不斷發展，在未來幾年該項技術將會繼續擴大市場份額，甚至會長時間占據市場主導地位。 ^[1] 事實上，4G LTE網絡將在5G網絡扎根之時起到補充甚至支撐的作用。

　　在5G的大趨勢下，一個觀念正逐漸被人淡忘或忽視：就是在未來10年中，4G LTE仍將是工業物聯網解決方案的最具競爭力的通信技術。在本篇文章中，我們將闡述其中的原因。此外，我們還將研究如何為全新5G時代做好準備，深入探討如何使用當今的4G LTE技術，并持續發掘5G技術中所蘊藏的價值。

　　1 一個游戲規則的終極顛覆者

　　毫無疑問，5G將會帶來一場巨大的變革。5G背后的大肆炒作是有道理的。事實上，它甚至有機會實現我們更長遠的目標：從根本上改變蜂窩通信技術在社會中所扮演的角色，并最終形成一個建立在眾多顛覆性創新技術基礎之上的“萬物互聯網”。

　　● 5G將會增加新的頻段，包括sub-1 GHz和mmWave(>24 GHz)，以擴大容量。

　　● 5G將在mmWave頻段提供高達1 GHz的信道帶寬，以實現超高的寬帶速度。

　　● 5G會引入一種功能齊全的全新無線接口(5G NR)，以滿足覆蓋各行各業多元化的需求。

　　● 5G將需要一個具有Small Cell、網絡切片、網絡虛擬化、邊緣計算等技術的新核心網絡，以便滿足各種需求，并根據行業特定需求來靈活調整性能。

　　5G規范由負責定義全球蜂窩通信標準的標準化機構3GPP定義，從而滿足各種與工業領域相關的新生使用場景。從新一代人機界面到自動化制造，再到傳感器網絡和云連接，每一個應用都可以在5G的三大應用場景中得以實現：

　　● 增強型移動寬帶(eMBB)將提供每秒超過10 Gb的數據傳輸速率，同時將容量增加三個數量級。

　　● 超可靠的低延遲通信(URLLC)將實現高達99.9999%的驚人可靠性和毫秒級的延遲。

　　● 最后，海量機器類通信(mMTC)將進一步擴展當今低功耗廣域網(LPWA)的前景，從而能以更低的功耗、更低的成本傳送零星數據。

　　2 交替推出

　　雖然5G技術令人期待，但在全球范圍內實現全面推廣尚需一些時日。我們將看到，移動網絡運營商會根據他們在各自市場中看到的商業案例，以及他們自己進行所需投資的意愿和能力，調整他們的5G部署時間規劃。此外，3GPP并未一次性發布適用所有行業的5G規范。相反，每個新版本都會給該技術帶來額外的功能。

　　3GPP Release 15主要是為了實現eMBB及其高速數據傳輸——主要針對消費者市場。Release 15進一步細分為三個子版本。

　　第一個子版本主要是以4GLTE網絡為基礎實施非獨立組網(NSA)，該版本已于2017年底交付。主流的移動網絡運營商(MNO)將這項技術推行到關鍵城市區域市場。

　　第二個子版本涉及實施5G的獨立組網(SA)，于2018年中完成。

　　隨后，最后一個子版本于2019年初發布，進一步在技術上追加改進和創新。由于移動網絡運營商(MNO)仍在忙于推出5G NSA，因此，我們可能還需等待數年才能看到5G SA版的商業推廣。

　　3GPP Release16計劃于2020年上半年發布，它將最終解決對互聯行業影響最大的兩大應用場景：URLLC和mMTC。特別是 URLLC，需要部署專用網絡。計劃于2021年第四季度發布的Release 17將會進一步拓展這些功能。

　　3 向低功耗廣域網的平穩過渡

　　為了延長剛剛實行的LPWA解決方案的使用壽命，3GPP聯盟正努力確保從4G LTE到5G技術的平穩遷移。

　　LTE網絡不僅將在未來10年或更長時間內保障其可用性，而且有望繼續向5G時代演進，并獲得進一步長遠投資，從而在功耗、性能、設備尺寸、功能和成本方面實現進一步的改善。杰出的向下兼容性將確保4G LTE解決方案即使在5G成為主流的情況下也能繼續運行。此外，在當今4G網絡上工作的“傳統”LPWA設備將與5G網絡兼容。

　　這正是一些行業仍在采用4G LTE提供的先進技術來簡化運營、提升效率和提高生產率的原因。這一趨勢只會隨著我們進入5G時代而加速，這將改變整個工廠的運維邏輯，而不再會像現在一樣以高度分散的有線技術市場為主導。

　　打個比方，當前的制造基地就像一個包含多個“連接島”的群島，各連接島之間由網關相互隔開。由于現有的技術標準是分散的，因此缺乏互操作性，若要將不同的工業網絡技術連接起來需要一系列的協議轉換。

　　與此相對的是，工業4.0承諾在任何時候，在所有流程和資產上都能實現完全透明，并且商品、生產系統、供應和分銷鏈、人員以及流程之間將實現無縫通信，所有這一切都必須依賴于統一、強大、可靠的無線連接。

　　4 新興商業模式

　　5G并非只是對運營進行重新定義。由于數據的訪問愈發便利，整個商業模式都將發生變化。在整個垂直行業，數據的生成速度比以往任何時候都要快，而數據也被作為實時質量控制、預測性維護、集成供應和分銷鏈、勞動力監控等諸多事務的一種實現手段，其戰略價值正在迅速增加。這從根本上改變了各行各業的運作方式。

　　舉個例子，工業4.0推動商業發展的口號是：“今日下單，明日發貨?！蓖瑫r，它也扭轉了數十年來集中大規模生產的趨勢：只有當生產力向終端客戶靠攏時，才能讀取每個人的定制化需求，并以批量生產及時滿足用戶需求。

　　完全可追溯能力同樣具有顛覆意義：得益于工業4.0，運營經理可以知道他們生產的每一臺設備中的每一個零件的確切來源。即使在部署的時候，設備也可以被持續監控，從而找出制造過程中的薄弱環節進行改善，借此提高未來產品的質量。此外，客戶還可以從基于數據和洞察力的服務和支持中長期獲益。

　　通過采用不需要有線連接的技術，工業4.0將使制造業更敏捷、更多樣化。與過去的有線解決方案相比，LPWA和5G技術更易于部署，因此減少了收集大量感測數據所需的投資。它們可以加快現有和新裝設備的實施。它們提供更高質量的信息，并且保證了操作人員的安全。最后，它們可以更靈活地實施，并且更易于擴展。

　　5 將工業自動化水平提升到新的高度

　　要利用這一龐大的數據池并將其轉化為實際的利益，需要一種更具創新、更全面的方式來管理資源、貨物和人員，甚至追蹤供應、生產和分銷鏈中所有流動性資產。更不用提要保障所有機器和其他裝置的正常操作和維護，以及相關人員的安全。

　　要在貨物、生產系統和流程之間建立并運行這種新的通信方式，需要常規的人類思維和縝密的監管，以及對生產流程各方面的更深入了解。同樣，在優化輸送帶上的流程時，將需要更復雜的規劃、創建和流程管理，而且還需要進一步加強本地生產能力。

　　這種高度整合的方法[即操作技術(OT)和信息技術（IT）之間的結合]發展到巔峰，將驅動數字孿生技術的進一步發展，該技術以虛擬形式表示與制造流程有關的所有相關信息。隨著技術的不斷成熟，數字孿生技術將在廣度和深度上都取得進展，同時試圖將越來越多的有關資源、產品和資產的詳細數據，以及有關運營基礎設施、機器甚至外部供應鏈的狀態和性能的信息結合在一起。

　　6 私有網絡將成為邁向 5G 的跳板

　　然而，5G的相關行業領域還需等待數年才能在公共網絡上進行部署。同時，由企業或專業服務提供商擁有和運營的非公共網絡將是解決低可靠性、低可用性、低周轉時間、數據隱私等挑戰的最快捷方法。

　　非公共網絡已經可以使用4G LTE，這使得公司可以調整網絡參數和無線電頻譜利用率來滿足行業特定的需求。這些私有網絡能夠支持關鍵應用、超低延遲、超高數據傳輸速率，甚至能夠媲美5G更高、安全的通信級別。

　　制造工廠、倉庫、供應鏈和物流顯然是私有網絡的受益者。在某種程度上，它們完全利用了無線連接，制造工廠往往是由那些無法集成到單個平臺的技術拼湊而成，因此限制了它們可以支持的應用的復雜性。4G LTE和隨后的5G私有網絡可以提供更高級別的多功能性、可擴展性和易實現性。

　　一些國家已開始專門為工業私有蜂窩網絡保留頻譜。德國保留了(3.7~3.8)GHz的頻譜，瑞典可能也會效仿。日本保留了2.4、4.5、4.6和(28.2~29.1)GHz的頻譜，而英國保留了1.8GHz、2.3GHz、(3.8~4.2)GHz和(24.25~26.5)GHz的頻譜。

　　德國聯邦網絡局將為提出申請的用戶分配最長達10年之久的頻譜，年費為數千到數萬歐元不等，具體取決于所申請的帶寬、分配持續時間和覆蓋區域。這是一項很有吸引力的舉措，但并沒有得到移動網絡運營商的一致支持，這主要是因為頻譜被削減了相當大的一部分。

　　7 塑造互聯行業的未來

　　在u-blox，我們致力于塑造互聯行業的未來。作為3GPP聯盟的活躍成員，u-blox參與了NB-IoT和mMTC標準化并做出自己的貢獻。此外，u-blox還積極參與試點研究，探索5G技術在工業使用場景中的要求和性能。

　　5G-SMART項目由歐盟委員會資助，匯集了來自工業界和學術界的眾多合作伙伴，例如來自工業界的Bosch、ABB、Ericsson、u-blox，以及來自學術界的隆德大學、巴倫西亞理工大學、弗勞恩霍夫研究所等等，旨在評估5G在實際制造環境中的潛力。作為5G-ACIA項目的積極成員，u-blox與一個由IT和OT行業合作伙伴組成的多元化團隊合作，以確保5G技術和5G網絡盡可能適用于互聯行業，特別是制造業和加工行業。

　　8 馬上開始

　　通過擴大蜂窩通信技術支持的應用范圍，5G有望將互聯行業提升到一個全新的水平。然而，該標準的相關行業方面尚需數年時間才能成熟，況且移動網絡運營商也需要推出用于實施5G解決方案的基礎設施。好消息是，3GPP正在努力確保人們能夠從今天的4G LPWA技術向5G技術的平穩過渡。這意味著，您今天就可以啟程5G之旅，享受4G LPWA帶給您的新型商業模式的機會，并從技術上領先于您的競爭對手，從長遠來看，這會給您帶來可觀的收益。

　　參考文獻：

　　[1]麥肯錫公司.數字公用事業：新挑戰、新能力和新機遇[R/OL].(2018-6).https://www.gsma.com/mobileeconomy/wp-content/uploads/2018/02/The-Mobile-Economy-Global-2018.pdf.

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第05期第26頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。