摘自——eeworldonline，Jon Gabay

今天幾乎每個(gè)人都有無線服務(wù)。自從早期模擬無線服務(wù)引入數(shù)字3G和4G以來，大多數(shù)公司都依賴其無線服務(wù)供應(yīng)商和設(shè)備來保持與我們快節(jié)奏、實(shí)時(shí)的連接。現(xiàn)在，工程師們正在研究5G連接，以評(píng)估它是否適合他們的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

5G并不是唯一的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，甚至也不是最適合許多特定設(shè)計(jì)和未來產(chǎn)品的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。許多成熟、功能豐富的無線協(xié)議、設(shè)備和開發(fā)模塊都是現(xiàn)成的，可以快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)并盡快運(yùn)行。

雖然上市時(shí)間很重要，但它不是唯一的約束力。在我們的無線世界里，設(shè)備和功能的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都在它們自己的頻段里，以一種較少的方式與他人互動(dòng)。什么樣的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議最適合你的需要取決于你在生態(tài)系統(tǒng)中屬于什么類型。讓我們來回顧一下。

你到底需要什么？

最好的不一定是最合適的。我們都想要1ms的延遲，以及5G承諾的10Gbs數(shù)據(jù)速率。但就我們的需要而言，這似乎有點(diǎn)高射炮打蒼蠅——小題大做的意思。

如果一個(gè)正在進(jìn)行救生手術(shù)的移動(dòng)機(jī)器外科醫(yī)生需要低延遲和高速雙向視頻和音頻流，以及觸覺反饋和大量傳感器和執(zhí)行器。那么5G在這里將會(huì)派上大用，但自動(dòng)化公寓中的電燈開關(guān)就不需要這么做。

移動(dòng)設(shè)計(jì)通常有低功耗的限制，但也可能利用廣泛部署的3G、4G和5G無線網(wǎng)絡(luò)。固定位置設(shè)計(jì)可能會(huì)在本地獲取電力，甚至從環(huán)境中獲取能源，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途無線連接。

例如，部署在固定區(qū)域的分布式傳感器陣列，無法承擔(dān)使每個(gè)傳感器都能實(shí)現(xiàn)5G的成本負(fù)擔(dān)。首先，在量產(chǎn)之前，設(shè)計(jì)成本、認(rèn)證時(shí)間以及每個(gè)傳感器每月所需服務(wù)的額外成本將使其無法實(shí)現(xiàn)。取而代之的是，一種成本更低、已建立的替代無線協(xié)議可以用來允許每個(gè)傳感器與單點(diǎn)聚合器通信。因?yàn)榻M件、開發(fā)工具包和開源軟件很可能已存在，所以需要進(jìn)行設(shè)計(jì)測(cè)試。這可以是中心點(diǎn)星形體系結(jié)構(gòu)或Mesh 網(wǎng)絡(luò)。這在很大程度上取決于你需要穿越的距離和數(shù)據(jù)速率。

通常，大型分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)（如環(huán)境傳感器、地質(zhì)傳感器、放射性傳感器等）只會(huì)時(shí)不時(shí)地傳輸短時(shí)間數(shù)據(jù)。即使發(fā)射功率可能在瞬間更高，平均數(shù)據(jù)速率和功率也低于更緊湊、更高的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。通常，對(duì)于我們的環(huán)境傳感器來說，延遲也不應(yīng)該是一個(gè)問題。

此外，如果想使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有全局可訪問性，只需要一個(gè)聚合器或網(wǎng)關(guān)就可以。這大大降低了運(yùn)營(yíng)商成本。在這個(gè)低成本、低數(shù)據(jù)速率、長(zhǎng)延遲的例子中，聚合器可以是3G或4G，而且性能非常好，因?yàn)?G和4G在幾乎所有地方都得到了更廣泛的部署，所以沒必要使用5G設(shè)備。

回歸基礎(chǔ)

對(duì)許多公司來說，產(chǎn)品上市時(shí)間至關(guān)重要。使用更新的技術(shù)總是比使用經(jīng)過驗(yàn)證的解決方案更有風(fēng)險(xiǎn)。在這方面，3G和4G等更成熟的標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)師提供了更多選擇，使他們的設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)現(xiàn)成的部件和開發(fā)環(huán)境。

當(dāng)在一個(gè)設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)無線通信鏈路時(shí)，其他的問題也開始發(fā)揮作用。需要考慮頻帶重疊、共用天線、計(jì)量功率、信標(biāo)和收聽特性。

在我們的手機(jī)里已經(jīng)有了無線多端口通信3G/4G， Wi-Fi和藍(lán)牙。值得慶幸的是，超高產(chǎn)量的手機(jī)制造為我們可以使用更強(qiáng)大、更低成本的技術(shù)鋪平了道路。但較之物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，很少有設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)手機(jī)。

就本質(zhì)而言，物聯(lián)網(wǎng)將為全球可訪問的網(wǎng)絡(luò)添加更多連接設(shè)備。

我們提到了用于生活上的大量環(huán)境傳感器陣列和自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制技術(shù)，如電燈開關(guān)、溫度和濕度傳感器。此外，我們還擁有一些醫(yī)療設(shè)備，可以穿戴或植入體內(nèi)，用于治療和鍛煉。發(fā)電廠、水處理設(shè)施、交通燈、工廠和自動(dòng)駕駛汽車等，這些表明了我們對(duì)設(shè)計(jì)和通信基礎(chǔ)設(shè)施的一系列需求。

最常見的選擇是Wi-Fi和藍(lán)牙。Wi-Fi被大量部署，大多數(shù)設(shè)施、商業(yè)、工業(yè)和消費(fèi)場(chǎng)所都提供Wi-Fi連接。對(duì)于內(nèi)部設(shè)施來說，擁有多個(gè)路由器、網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)甚至網(wǎng)格拓?fù)涫且粋€(gè)很好的選擇，但體育場(chǎng)問題就不是一回事了。

當(dāng)成千上萬的用戶聚集在帶寬、通道和套接字有限區(qū)域時(shí)，將會(huì)發(fā)生服務(wù)退化。這就是所謂的體育場(chǎng)效應(yīng)。在體育場(chǎng)，每個(gè)人都通過手機(jī)向朋友直播比賽。在某一時(shí)刻，可用帶寬超了，服務(wù)將被中斷。手機(jī)基站附近的3G和4G服務(wù)也是如此，這些基站已經(jīng)超額“訂購(gòu)”了。

對(duì)于必須爭(zhēng)奪帶寬時(shí)間片（time slices of bandwidth）的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，或許替代協(xié)議更合適。例如，ZigBee已經(jīng)存在多年，得到了許多設(shè)備制造商的支持，并提供了開源代碼。它是一種Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包可以跨越很大距離。它可以與3G/4G/Wi-Fi和藍(lán)牙共存，用更少的設(shè)備和所需的空間創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。例如，安全網(wǎng)絡(luò)可以從這種供不應(yīng)求的網(wǎng)絡(luò)中受益。

還有像遠(yuǎn)程LoRa這樣的長(zhǎng)距離子網(wǎng)使用的915MHz頻段完全不包括3G/4G/5G、ZigBee、藍(lán)牙和Wi-Fi。對(duì)于廣泛分布的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如海洋和地震傳感器，可能是一個(gè)理想選擇。

LoRa遠(yuǎn)程協(xié)議可用于為傳感器或物聯(lián)網(wǎng)集群創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的廣域網(wǎng)，這些傳感器或物聯(lián)網(wǎng)集群聚集成一個(gè)中央4G或5G連接。

云端的好處

盡管云最初是用于存儲(chǔ)和備份，但它已經(jīng)發(fā)展成為客戶端應(yīng)用程序的服務(wù)器。這意味著應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)程存儲(chǔ)，而我們的移動(dòng)設(shè)備只是進(jìn)入云窗口的終端。運(yùn)行在云中的應(yīng)用程序只需要刷新我們的遠(yuǎn)程設(shè)備。

這有好也有壞。好處是，大數(shù)據(jù)集可以在需要的時(shí)候存儲(chǔ)和檢索，我們的設(shè)備可以釋放本地內(nèi)存。從云存儲(chǔ)到云處理的數(shù)據(jù)傳輸完全在后臺(tái)進(jìn)行，速度更快，而且不會(huì)浪費(fèi)我們?cè)谠O(shè)備內(nèi)移動(dòng)文件的時(shí)間。

這種方法依賴于連接性。如果您沒有應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)的本地副本，如果連接失敗，您將徹底失敗。然而，這也為更復(fù)雜的應(yīng)用打開了大門，如自動(dòng)駕駛汽車、無人機(jī)、農(nóng)業(yè)設(shè)備，或許有一天，在飛機(jī)上也可以。

我們的手持設(shè)備可能不包含所有關(guān)于交通、事故和彎路的信息，但云可以。這意味著高端處理可以在后臺(tái)透明地進(jìn)行，而標(biāo)記化的命令和響應(yīng)是在云和終端設(shè)備之間發(fā)送的。

這可以降低總體數(shù)據(jù)需求，尤其是5G所承諾的低延遲。它還可以為其他關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)提供更多數(shù)據(jù)帶寬，比如廣泛分布在城市景觀中的高分辨率監(jiān)控?cái)z像頭。

總的來說，遠(yuǎn)程手持設(shè)備的帶寬和內(nèi)存是有代價(jià)的。在某種程度上，即使是手持設(shè)備也需要大量的快速數(shù)據(jù)流。更高分辨率的顯示器，更快的刷新率，以及沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用程序使數(shù)據(jù)量和所需的速度成倍增加。例如，二維平面屏幕可能要使用4K x 4K像素；三維虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)需要存儲(chǔ)360度的數(shù)據(jù)，才能對(duì)頭部動(dòng)作做出足夠快的反應(yīng)。

那么，5G給了我們什么？

與4G相比，5G服務(wù)器提供的帶寬要多1000倍。單憑這一點(diǎn)就很令人驚訝，特別是考慮到之前所說的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序。這里一個(gè)主要的好處：5G可以處理潛在流量，隨著物聯(lián)網(wǎng)升溫，更多的連接設(shè)備將爭(zhēng)奪通道空間。

5G聲稱能夠處理超過10000倍的流量，在短期內(nèi)，這將消除與超額訂閱相關(guān)的延遲，并隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為更多的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供一種結(jié)構(gòu)。這是4G連接設(shè)備數(shù)量的100倍。

5G的10Gb/s最大傳輸速度比4G的1Gb/s速率快10倍，但延遲差異讓人大開眼界。4G技術(shù)有30到70毫秒的延遲。看起來似乎不多，但如果您試圖通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程與其他音樂愛好者一起練習(xí)，這就顯得遲鈍了。所有玩家之間可變的延遲時(shí)間將使合成結(jié)果不同步。

但5G 1ms延遲的承諾，可以讓你在線欣賞音樂、看足球比賽。而且，語音對(duì)話中的數(shù)字延遲不再會(huì)讓我們抓狂。

這些性能的提高使得自動(dòng)駕駛汽車更有可能實(shí)時(shí)安全地適應(yīng)環(huán)境。想像一下，如果一輛112.63km/h的自動(dòng)駕駛每毫秒都能監(jiān)控和調(diào)整路線，你會(huì)感覺無比的暢通。無人機(jī)、機(jī)器人和自動(dòng)化工廠也是如此。

還有一個(gè)尚未證實(shí)的說法是，5G設(shè)備所需的電力將比同類4G設(shè)備少90%。只有當(dāng)5G微基站遍布各地時(shí)，設(shè)備才不需要使用那么多傳輸能量來沖擊基站。即便如此，這也意味著使用能量采集的遠(yuǎn)程應(yīng)用（如地震傳感器）可以永遠(yuǎn)運(yùn)行。

產(chǎn)品應(yīng)用案例

事實(shí)上，4G甚至還沒有在所有地方部署。在發(fā)展中國(guó)家，沒有固定線路，整個(gè)通信基礎(chǔ)設(shè)施將是無線的。使用4G技術(shù)的設(shè)計(jì)正在擴(kuò)展，許多應(yīng)用程序可以很好地使用4G連接。

u-blox的SARA-R510M8S-00B等成熟產(chǎn)品通過LTE-M無線連接，SARA-R5 LTE-M和NB-IoT蜂巢式系列產(chǎn)品現(xiàn)已開始量產(chǎn)，并通過北美多家主要通信業(yè)者的LTE-M認(rèn)證。SARA-R5系列是第一款內(nèi)置UBX-R5晶片組并獲得北美通信業(yè)者認(rèn)證的產(chǎn)品。UBX-R5是u-blox自行開發(fā)的低功耗廣域（LPWA）晶片組，已于2020年初獲得MNO（行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)者）認(rèn)證，同時(shí)也是首款通過全球認(rèn)證論壇（Global Certification Forum；GCF）認(rèn)證的IoT晶片組。在3.8V時(shí)，它在傳輸時(shí)功耗為395ma，很容易放置在標(biāo)準(zhǔn)電路板設(shè)計(jì)上。

SARA-R5系列適用于LPWA IoT應(yīng)用，例如工業(yè)自動(dòng)化、感測(cè)器應(yīng)用、連網(wǎng)醫(yī)療裝置、智慧量表、資產(chǎn)和車輛追蹤，以及資通訊系統(tǒng)等。透過設(shè)計(jì)確保其安全性，該系列提供了強(qiáng)大的云端連接功能。

雖然4G基站仍在建設(shè)中，但隨著設(shè)備、設(shè)備和需求的增加，對(duì)現(xiàn)有基站和5G服務(wù)器基站的改造將增加。

目前，5G僅僅是作為高視距塔之間的短距離主干鏈路。隨著5G芯片組件的出現(xiàn)，即便不是手機(jī)制造商也能獲得部件、開發(fā)系統(tǒng)和源代碼。

例如，ADI正在生產(chǎn)集成5G系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵部件，如ADMV4801射頻收發(fā)器和波束形成器。波束形成是5G一個(gè)重要組成部分，5G服務(wù)器和設(shè)備可以將發(fā)射目標(biāo)定位為更強(qiáng)大的定向通信波束。該部分工作在24GHz到29.5GHz范圍內(nèi)，支持16個(gè)發(fā)射機(jī)通道和16個(gè)接收器通道。匹配的50 Ω輸入和輸出阻抗使其易于與標(biāo)準(zhǔn)天線和射頻組件接口。它保留了用于波束定位的存儲(chǔ)器，這對(duì)重建固定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)位置的通信很有用。

ADMV1017 24GHz至29.5GHz 5G升頻/降頻轉(zhuǎn)換器是毫米波 （mmWave） 5G新解決方案組合的一部分。通過與它的結(jié)合，形成一個(gè)可行的、低風(fēng)險(xiǎn)的5G嵌入式解決方案。升頻/降頻模式包括直接（從差分基帶）或單端中頻IF到射頻RF邊帶上變頻。它具有直接向下轉(zhuǎn)換器，圖像拒絕，或單端復(fù)雜模式。

結(jié)論

隨著設(shè)備制造商和服務(wù)提供商部署更多的發(fā)射塔和基礎(chǔ)設(shè)施，5G頻譜將充滿流量。隨著光束轉(zhuǎn)向和新頻段能量的增加，我們需要確定這項(xiàng)技術(shù)對(duì)有機(jī)生物的安全性。雖然很少有非商業(yè)導(dǎo)向的研究，但這是一種很有可能產(chǎn)生突變的聚焦波長(zhǎng)。

展望LPWAN技術(shù)作為子網(wǎng)無線伙伴的前景，因?yàn)樗c5G很好地共存。未經(jīng)許可的標(biāo)準(zhǔn)，如3GPP的Release 16，支持5G NR未經(jīng)許可的頻段和其他選項(xiàng)也存在。

窄帶射頻子系統(tǒng)一直是很有前景的選擇，并且已經(jīng)證明有能力在安排的集群中處理50，000個(gè)設(shè)備。窄帶可以使用更少的電力，而且在那些難以到達(dá)的地方更容易穿透墻壁和地板。

體育場(chǎng)、音樂廳和大型集會(huì)場(chǎng)所有望在5G空間內(nèi)看到類似Wi-Fi的私人網(wǎng)絡(luò)。可以看出，5G空間將出現(xiàn)新的劃分，為自動(dòng)駕駛、無人機(jī)、發(fā)電廠和醫(yī)療植入設(shè)備等關(guān)鍵任務(wù)提供更高的可靠性和更少的干擾。

基于Wi-Fi、6LoPAN、藍(lán)牙、ZigBee等集群網(wǎng)絡(luò)也將生活在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，并很有可能在某一時(shí)刻聚集到5G領(lǐng)域。對(duì)使用協(xié)議和波段的巧妙劃分以及使用可以決定專門針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的下一代設(shè)計(jì)的有效性。

編輯：hfy