競(jìng)爭(zhēng)正在開(kāi)發(fā)下一代蜂窩技術(shù)，與之前的系統(tǒng)相比，重點(diǎn)關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)中使用機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）鏈路的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的需求（物聯(lián)網(wǎng)） ）。

將用于5G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和技術(shù)仍在調(diào)查中，最終標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)將在2016年底合并到2018年批準(zhǔn)。已經(jīng)完成了大部分先進(jìn)工作，運(yùn)營(yíng)商預(yù)計(jì)到2020年將根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)推出商業(yè)系統(tǒng)，并在2022年前實(shí)施全系統(tǒng);因此，積極的開(kāi)發(fā)和實(shí)施期將影響物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員。這將從現(xiàn)有4G設(shè)計(jì)發(fā)展到現(xiàn)代芯片的智能手機(jī)和平板電腦開(kāi)始。該調(diào)制解調(diào)器芯片將集成到模塊中，以便輕松添加到物聯(lián)網(wǎng)和M2M設(shè)計(jì)中。

5G系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別是網(wǎng)絡(luò)要求已經(jīng)在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之前得到了很好的確定。

圖1：5G標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有攻擊性。來(lái)源：GSMA

5G網(wǎng)絡(luò)的要求是1到10 Gbit/s的實(shí)際數(shù)據(jù)速率，而不是理論峰值速率，加上1 ms的端到端延遲，這是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)人員的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。更廣泛的網(wǎng)絡(luò)必須支持當(dāng)前小區(qū)的1000倍帶寬和同時(shí)連接的10到100倍的設(shè)備，這將再次允許物聯(lián)網(wǎng)中的更多連接設(shè)備。與3G和4G一樣，數(shù)據(jù)連接基本上是“始終開(kāi)啟”而不是電路交換，因此支持多達(dá)100倍以上設(shè)備的能力至關(guān)重要，因?yàn)楦嘣O(shè)備將同時(shí)連接到網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有99.999％的感知可用性，并且感知覆蓋率為100％，折衷范圍的數(shù)據(jù)速率，這也將有助于需要范圍但不需要數(shù)據(jù)的M2M實(shí)現(xiàn)。這有助于推出物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)可以通過(guò)5G基站直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，而不必使用一系列需要更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的網(wǎng)關(guān)或接口服務(wù)器。

另一個(gè)因素對(duì)于推出5G IoT網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要的是降低功耗的規(guī)范，因?yàn)橐鬅o(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的電池壽命為10年或更長(zhǎng)。這應(yīng)該為更多電池供電的無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供機(jī)會(huì)，再次提供更容易的安裝。

頻段

然而，滿(mǎn)足這些要求將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。目標(biāo)頻段的范圍從先前用于模擬廣播電視的頻段700 MHz到3.6 GHz頻段的新頻段。

2015年世界無(wú)線(xiàn)電大會(huì)（WRC-15）同意在3.4至3.6 GHz的C頻段內(nèi)共同分配200 MHz頻譜，這被認(rèn)為是向前邁出的積極一步，因此是以前未用于電信應(yīng)用的新頻譜。 WRC-15還同意采用統(tǒng)一的L波段，其頻段為1427-1518 MHz，遠(yuǎn)低于Wi-Fi，藍(lán)牙和ZigBee所使用的當(dāng)前2.4 GHz頻段

同時(shí)700 MHz 694-790 MHz頻段從美國(guó)和亞洲使用擴(kuò)展到全球分配。

這些不同的樂(lè)隊(duì)在5G中都有不同的用途。 700 MHz頻段被認(rèn)為是人口密集的城市區(qū)域的流行，以便向更多用戶(hù)提供數(shù)據(jù)，而C頻段可能用于更高帶寬但更短的鏈路。

與3GPP版本9中定義的當(dāng)前LTE頻段相比，它提供下載速率高達(dá)100 Mbit/s的HSPA +數(shù)據(jù)和50 Mbit/s的上傳速率（對(duì)物聯(lián)網(wǎng)更重要），更多對(duì)于大多數(shù)不需要高清視頻鏈接的M2M和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。

這些最常用于全球M2M和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的4G頻段分別為700/850 MHz和1700/1900 MHz，而不是2.6 GHz頻段。這些模塊由Multi-Tech Systems的MTSMC-H5-SP等模塊實(shí)現(xiàn)，包括回退到GPRS數(shù)據(jù)速率，以便始終建立連接。

圖2：Multi-Tech Systems的4G M2M模塊。

5G提案的某些部分已經(jīng)留待2019年的下一屆世界無(wú)線(xiàn)電大會(huì)。這些將覆蓋更高的頻率。 GHz和高達(dá)50至60 GHz，可用于無(wú)線(xiàn)固定接入鏈路，以便將高帶寬數(shù)據(jù)從基站傳輸回核心網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)需鋪設(shè)昂貴的光纖電纜，仍能滿(mǎn)足1 ms的往返延遲要求。這些5G固定接入收發(fā)器將使用氮化鎵（GaN）器件，如Cree的CGHV1F025S。這款25 W，40 V HEMT晶體管支持DC至15 GHz頻段，可在L，S，C，X和Ku頻段實(shí)現(xiàn)高效率，高增益和寬帶寬設(shè)計(jì)，完全符合5G要求。

采用3 mm x 4 mm，表面貼裝，雙扁平無(wú)引線(xiàn)（DFN）封裝的40 V電源軌工作，但在降低功耗的情況下，可在低于40 V至低至20 V VDD的電壓下工作同時(shí)保持高增益和高效率。

除了頻段外，還在開(kāi)發(fā)不同頻段的信道模型。歐洲METIS和METIS-II工作組的八個(gè)組織一直致力于預(yù)期的5G頻譜的信道模型，其模型分別為2.3 GHz，2.6 GHz，5.25 GHz，26.4 GHz和58.68 GHz。

圖3：METIS和METIS-II歐洲項(xiàng)目正在開(kāi)發(fā)適用于各種5G應(yīng)用的通道模型。資料來(lái)源：METIS

延遲

5G的一個(gè)新考慮因素是能夠支持大規(guī)模機(jī)器網(wǎng)絡(luò)，其中包括各種不同的傳感器和無(wú)線(xiàn)連接的執(zhí)行器。

可以通過(guò)“毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)”添加新節(jié)點(diǎn)，而不是提供直接連接。這些將使用短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)，如Wi-Fi，藍(lán)牙或802.15.4 6LowPAN或ZigBee，以及連接到5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

用于交通控制，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用工業(yè)過(guò)程控制需要非常高的可靠性和可用性，但也需要非常低的延遲，并且引入必須在不同協(xié)議之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)可以顯著增加延遲。

因此有很多研究使用毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)時(shí)實(shí)現(xiàn)1 ms端到端延遲的不同方法。

圖4：不同的要求5G規(guī)范中的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)。來(lái)源：愛(ài)立信

容量

與使用稀疏碼多址（SCMA）方法的4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G的當(dāng)前技術(shù)提案可支持三倍的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量。這是一種新的頻譜方案，它結(jié)合了現(xiàn)有的碼分CDMA和正交頻分OFDM方法。

使用SCMA，不同的輸入數(shù)據(jù)流直接映射到代碼字，每個(gè)代碼字代表擴(kuò)展傳輸層，以便多個(gè)層共享OFDMA的相同時(shí)頻資源。用戶(hù)配對(duì)，功率共享，速率調(diào)整和調(diào)度算法都用于提高重負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的下行吞吐量。

直接連接

5G規(guī)范還包括該功能用于無(wú)線(xiàn)M2M設(shè)備直接連接。這已被引入作為4G LTE標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，但5G旨在使這種對(duì)等通信顯著提高效率。這將用于節(jié)點(diǎn)之間的臨時(shí)鏈接，以及提供直接數(shù)據(jù)鏈接回5G智能手機(jī)，允許用戶(hù)直接詢(xún)問(wèn)節(jié)點(diǎn)，而無(wú)需像今天實(shí)施藍(lán)牙一樣通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)在一些工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中。

但是，這會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題，5G規(guī)范要求這些直接M2M鏈路受網(wǎng)絡(luò)控制以提供授權(quán)。這可能會(huì)增加無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)軟件的復(fù)雜性。

這些是世界上最大的學(xué)術(shù)性5G創(chuàng)新中心（5GIC）的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域，它匯集了英國(guó)四大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商和來(lái)自24個(gè)國(guó)家的70名研究人員。公司。

英國(guó)吉爾福德薩里大學(xué)耗資7000萬(wàn)英鎊的中心不僅關(guān)注2020年5G網(wǎng)絡(luò)的直接規(guī)范，還關(guān)注這些網(wǎng)絡(luò)將如何發(fā)展到2040年。作為這項(xiàng)研究的一部分，它已經(jīng)證明移動(dòng)鏈路上的數(shù)據(jù)速率超過(guò)1 Tbit/s，是5G規(guī)范的10倍。

該中心的合作伙伴計(jì)劃到2018年在該中心建立一個(gè)完整的5G系統(tǒng)使用當(dāng)今的技術(shù)，包括也可用于物聯(lián)網(wǎng)的完整核心網(wǎng)絡(luò)。在此之前，標(biāo)準(zhǔn)也將在2016年底完成，以允許開(kāi)發(fā)人員實(shí)施芯片和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

結(jié)論

5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展正在加速，為未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)和M2M網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)。通過(guò)諸如SCMA之類(lèi)的頻譜方案，具有顯著更低延遲和更高容量的新頻帶直接針對(duì)需要可靠響應(yīng)的大容量工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接網(wǎng)絡(luò)。憑借超低功耗和超長(zhǎng)電池壽命，無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)可輕松實(shí)施且經(jīng)濟(jì)高效地部署，但直接連接等新功能將增加網(wǎng)絡(luò)軟件的復(fù)雜性。

隨著標(biāo)準(zhǔn)在2016年底結(jié)束，2018年的試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)和到2020年的全面商業(yè)推廣，硅，板和模塊制造商將能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員提供強(qiáng)大的新技術(shù)，以進(jìn)一步推廣工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。