5G推动万物互联技术和应用发展

2018-01-05 

面向未来，5G 需要满足人们在工作、生活、休闲、娱乐、居住、交通等各种区域的多样化业务需求，同时 5G 还将渗透到各种行业领域，与工业设备、医疗仪器、交通工具等深度融合。结合 5G 的各种应用 需 求，3GPP 为 5G 定 义 了 eMBB( 增强移动宽带 )、URLLC( 低时延高可靠 )、 mMTC( 低功耗大连接 ) 三大应用场景。其中 eMBB 场景主要是提供大速率方面的提升，追求极致的通信体验。5G 计划的标准中要求单个 5G 基站至少能够支持 20Gbps的下行速率以及 10Gbps 的上行速率，主要满足 4k/8K 超高清视频、VR/AR（虚拟和增强现实）、远程医疗、远程教育等大流量应用。此外基于对连续覆盖性的要求不同，国内 IMT-2020(5G) 推进组还将eMBB 进一步细化为连续广域覆盖场景和热点高容量场景 ；URLLC 在 5G 中要求的时延必须低于 1ms，主要服务于无人驾驶、智能工厂等低时延应用 ；mMTC 针对的是海量大连接应用场景，支持百万级连接数量 / 平方公里，主要面向覆盖数量众多的LPWA（低功耗广域）类物联网应用，如智慧城市和智能家居中各种智能抄表、环境监测、物流追踪类应用等。

如果说互联网是计算机网络互联形成的全球系统，其价值在于整合世界上人类产生的各种信息，那么 5G 所支撑的物联网网络，将是把计算机、人和各种物体的网络互联形成的全球系统，其价值在于通过 DICT（数据以及信息通信技术）的融合技术改善世界上各种垂直应用系统的工作效率，目的是为了改变人们的生活和生产方式，其产业模型如图所示。因此 5G确实属于根本性的变革，基于 5G 的通信技术真正广泛应用于各种各样的垂直行业，运营商的服务变成了一种基础能力，成为了各个行业的使能者，这显著扩展了移动通信的边界，为运营商的跨界发展提供了机会，也意味着市场空间的极大扩展以及更多的业务收入。

由于 5G 的商用时间大约在 2020 年，而现阶段各种物联网应用正呈现爆发式增长，出现了各种共享单车、城市基础设施智慧化监控等规模化推广的物联网应用，但在网络接入技术的选择方面，现有的 2G网络面临退网风险，3G/4G 网络在覆盖、成本、功耗等方面并未针对物联网进行专门优化，因此现有的 2G/3G/4G 移动通信网络难以满足日益增长的物联网应用发展需求。正是在这种背景下，3GPP 先后提出了 eMTC 和 NB-IoT 系列标准规范，为当前物联网的快速发展提供了强有力的规范和技术支撑。eMTC 和 NB-IoT 都属于窄带 LTE 技术，这意味着他们可以利用现有 4G LTE 的基础设施和频谱，但相对现有 的 LTE 网 络 来 说，NB-IoT 和 eMTC在传输速率上都进行了大大的降低，两者的技术指标对比如图所示。

综合 NB-IoT 以及 eMTC 的技术指标，两者在大容量、低功耗、广覆盖、低成本方面相对现有的 2G/3G/4G 网络都有显著提升，同时 eMTC 在速率、移动性、语音、时延方面与 NB-IoT 相比具有优势，而 NB-IoT 在成本、覆盖、功耗、容量方面与 eMTC 相比具有优势，因此两者在对窄带物联网应用的支持方面将相互补充。当前中国电信已经率先完成了首张覆盖全国的 NB-IoT 商用网络部署，并同步启动 eMTC 的验证测试，预计在 2018 年实现 eMTC 的商用网络部署。NB-IoT 和eMTC 作为物联网领域最具潜力的两项技术，将广泛应用于智能家居、共享单车、物流追踪、智能抄表、智慧楼宇、智能穿戴、农业物联、工业物联等典型应用场景，并可持续向 5G 网络演进，但在应用过程中，仍存在下面一些问题需要产业链协同攻关，共同推动技术和应用的不断演进。

当前的物联网终端设备厂商在实现NB-IoT/eMTC 网络接入时，通常是集成 NB-IoT/eMTC 相关厂商的模组来实现，那么对于各个物联网终端设备厂商需要熟练掌握 NB-IoT/eMTC 的模组使用方法，并对原有的设备主板进行重新设计以便将 NB-IoT/eMTC 模组集成进来。此类集成方式需要各终端厂商投入较大研发力量进行集成工作，并且造成一定的成本增加，未来比较理想的方式是能够在物联网终端层面定义类似 USB 或者 PCI 类的总线接口，各物联网终端按照标准规范实现此类通用接口，对于使用者按需要插入 NB-IoT/eMTC 通信模块即可实现联网应用。此类规范接口、按需插入、即插即用的模式将有利于规模化的物联网设备快速便捷的使用和普及。

物联网作为一个多网的异构融合网络，需要通过传感网将物理世界的各种设备数据信息经过移动网络传递到互联网中，因此存在各种隐私保护、异构网络的认证以及访问控制、信息安全传输以及存储和管理等问题。当前业界大多数物联网平台为了快速实现设备的接入，通常采用 HTTP或者 UDP 等透传接口方式，这种方式虽然可以让物联网终端设备厂商无需修改现有的数据传输格式就可以快速接入运营者提供的物联网服务平台，但也带来了一定的安全隐患，对于存在的一些设备仿冒、恶意攻击等问题缺少相关的应对手段。为有效解决这一问题，业界领先的 Amazon 等平台厂商提出了安全 SDK 接入的模式，即接入平台的物联网终端设备必须集成平台服务商提供的安全 SDK，通过安全 SDK，保障物联网终端设备与平台间的认证和传输安全，同时基于 SDK 实现数据传输格式的封装，易于物联网终端设备厂商实现快速的集成。

物联网的核心是让每一个物体都能实现智能的连接和运行，大量的感知数据需要通过数据的分析和处理实现物与物之间的传感、交互和控制。但如果所有的数据处理和分析都集中到云端处理，则一些场景的业务实时性难以保障，同时在物联网终端设备与云端的网络连接万一发生中断，则云端就丧失了与末端的交互能力，对物联网终端设备也就失去了控制。而边缘计算和边缘智能的引入，将数据的分析和处理在边缘侧就能解决，数据不需要再传到遥远的云端，更适合实时的数据分析和智能化处理，也更加高效而且安全。

当前的物联网需求呈现长尾化的特征，物联网应用需要与每个企业、行业的生产流程进行深度的集成，因此需求呈现很大的差异化，物联网产品和服务提供者难以获得规模化的收益，因此“谁买单”的问题一直制约着物联网应用的发展。现有推广的大多数物联网应用多数由政府和少数大型国企由上而下推动，政府主导性强而市场力量不足，供给与需求之间缺乏互动，市场主体积极性不高，盈利模式尚在探索。但市场上也出现了诸如共享单车类比较成功的物联网应用，其成功的要素在于实现了自由和共享。因此对于物联网未来的商业模式，迫切需要加大创新力度，对于 5G支撑下的物联网发展趋势，未来将是泛在化的网络和应用，任何人在任何时间、地点可以与任何物体进行信息的获取和互动，开放模式的数据共享，基于开放数据的数据挖掘将成为未来商业模式的创新点，推动物联网应用由闭环向开环 + 智能方式演进，未来的商业模式将具备更大的创新空间。

作者单位 ：中国电信股份有限公司北京研究院