5G如何改變工程設(shè)計

在過去的十年中，技術(shù)取得了前所未有的進(jìn)步，包括智能手機(jī)的廣泛使用、數(shù)十億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署在各個行業(yè)領(lǐng)域、 工業(yè) 4.0的引入以及邊緣計算的興起。但這種技術(shù)增長并沒有放緩。雖然這在許多方面都是有利的，但它也會給基礎(chǔ)設(shè)施帶來壓力。很明顯，除非這個基礎(chǔ)設(shè)施問題得到正面解決，否則下一代技術(shù)將無法發(fā)揮作用。

一個特別麻煩的因素是云計算的引入，因為它消除了單個設(shè)備處理自己的數(shù)據(jù)的需要。盡管這大大簡化了他們的設(shè)計并降低了成本，但它也需要更高的帶寬和更低的延遲。

邊緣計算是一種可以緩解云計算面臨的一些問題的解決方案。但是，由于邊緣計算設(shè)備可能位于本地網(wǎng)絡(luò)中，帶寬限制可能會導(dǎo)致連接到同一網(wǎng)絡(luò)的其他互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的性能下降。

存在許多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，每種技術(shù)都有自己的優(yōu)點和缺點。廣泛使用的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括 Wi-Fi、蜂窩、遠(yuǎn)程 (LoRa) 和電纜（光纖）。

Wi-Fi 在速度、延遲和成本之間提供了極好的平衡，這就是它主導(dǎo)家庭無線市場的原因。但 5 GHz 和 6 GHz 使用的較高頻率會降低其有效范圍。

4G 等蜂窩網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)考慮到了移動技術(shù)，因此，它們提供了出色的特性以及范圍和設(shè)備支持。但是，它們對于實時物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是不切實際的。它們具有較大的下載速度，但由于等待時隙的時間長而受到延遲的影響。

LoRa 無線電是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由于其低能量需求和遠(yuǎn)距離能力（在某些情況下超過 15 公里），在遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中越來越受歡迎。為了降低能耗，LoRa 的帶寬極小，僅適用于發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)（它不適合直播視頻）。因此，LoRa 常見于偏遠(yuǎn)的工業(yè)場所，例如輸油管道、監(jiān)測大量土地的農(nóng)場以及識別潛在森林火災(zāi)風(fēng)險的環(huán)境傳感器。

光纖是速度和延遲方面的終極解決方案，因為使用物理連接消除了對高能天線、敏感接收器和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)硬件的需求。但是，電纜的物理特性意味著只有物理連接到電纜的設(shè)備才能使用網(wǎng)絡(luò)。

與其前身不同，5G 在設(shè)計時考慮了連接性， 重點關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、邊緣計算和云計算。因此，其主要目標(biāo)是為客戶提供更高的速度、更低的延遲和可以改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。

5G 在微波區(qū)域利用更高的頻率，這增加了其帶寬（高達(dá) 20 Gbps）并利用多個不重疊的信道頻率。此外，MIMO 天線和波束成形的使用進(jìn)一步降低了在同一信道上運行的設(shè)備之間的干擾。

5G 還使用多種技術(shù)顯著降低了連接延遲，包括網(wǎng)絡(luò)切片、非固定時隙和本地邊緣計算服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片允許5G 網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建單獨的通道，從而最大限度地減少同時使用任何一個通道的設(shè)備數(shù)量，而非固定時隙的引入使 5G 設(shè)備能夠在需要時傳輸數(shù)據(jù)。

最后，在 5G 網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)量大的云服務(wù)可以更靠近用戶，這意味著連接的客戶端可以更快地訪問資源?？蛻魺o需從設(shè)備到手機(jī)信號塔再到互聯(lián)網(wǎng)再返回，而是可以直接訪問手機(jī)信號塔并獲取他們需要的數(shù)據(jù)。

雖然 5G 仍處于起步階段，但許多應(yīng)用可以從所提供的高帶寬、低延遲功能中受益匪淺。

一個這樣的例子是車聯(lián)網(wǎng)（V2X）。汽車制造商面臨的一個主要挑戰(zhàn)是 自動駕駛和防撞技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前的解決方案必須獨立運行，這意味著它們通常依賴于眾多成像技術(shù)，包括雷達(dá)和激光雷達(dá)。雖然這有利于處理異常情況，但它仍然會看到有限的響應(yīng)時間并引入未知數(shù)。

然而，V2X 提出了一種解決方案，所有設(shè)備（包括所有車輛、行人、路標(biāo)和交通控制系統(tǒng)）都可以報告位置、方向和速度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。使用 5G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，道路上的車輛可以提前很好地預(yù)測碰撞風(fēng)險，同時還可以警告行人和其他車輛自己的位置、速度和方向。因此，由于 5G 提供的低延遲和大型設(shè)備支持，V2X 提供了許多安全和交通管理機(jī)會。

工業(yè)站點是私有 5G 網(wǎng)絡(luò)的另一個有前途的應(yīng)用，運營商可借此創(chuàng)建和管理自己的 5G 網(wǎng)絡(luò)。許多工業(yè)流程通常依賴于從機(jī)器獲取的實時數(shù)據(jù)，這就是為什么工業(yè)系統(tǒng)歷來難以在通用 LAN 網(wǎng)絡(luò)上運行的原因。大量同時連接以及可以在整個工廠移動的自主交付系統(tǒng)的使用也使得 Wi-Fi 等技術(shù)不適合。

5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠在接入點之間漫游而不會丟失連接并提供低延遲，這使得 5G 非常適合在工業(yè)站點中使用。這樣的網(wǎng)絡(luò)不僅可以支持大量設(shè)備，而且可以根據(jù)其重要性對流量進(jìn)行優(yōu)先級排序?？梢詾閷崟r數(shù)據(jù)包提供更好的延遲。此外，使用位于各個接入點的邊緣計算服務(wù)可以減少延遲，同時減少對更大網(wǎng)絡(luò)的壓力。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的引入也為城市管理和規(guī)劃開辟了新的可能性，引發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)的一個新領(lǐng)域：智慧城市?？梢哉f，城市管理面臨的兩個最大挑戰(zhàn)涉及交通管理和污染。城市可以通過監(jiān)控車輛和道路使用來管理交通，并且可以通過廣泛部署空氣質(zhì)量傳感器來管理污染。然而，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施無法處理整個城市的數(shù)千個傳感器，而此類設(shè)備帶來的安全挑戰(zhàn)意味著無論使用什么網(wǎng)絡(luò)都必須建立在安全之上。

5G 網(wǎng)絡(luò)非常適合智慧城市的發(fā)展，不僅因為它們能夠處理數(shù)千臺設(shè)備并提供大帶寬，還因為它們能夠運行虛擬網(wǎng)絡(luò)，可以部署強(qiáng)大的安全實踐，無需密碼和 API 密鑰并支持物理設(shè)備身份驗證。

由于帶寬增加、延遲改善和支持邊緣計算的能力，5G 為工程師提供了令人興奮的新可能性。此外，創(chuàng)建私有 5G 網(wǎng)絡(luò)的能力為企業(yè)和制造商帶來了新的機(jī)遇。最后，在邊緣運行服務(wù)的能力可以為數(shù)百萬客戶改進(jìn)基于云的應(yīng)用。

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