未来5G网络协议和技术在工业物联网方面的应用

竞争正在开发下一代蜂窝技术，与之前的系统相比，重点关注物联网中使用机器对机器（M2M）链路的工业网络的需求（物联网） ）。

将用于5G网络的协议和技术仍在调查中，最终标准预计将在2016年底合并到2018年批准。已经完成了大部分先进工作，运营商预计到2020年将根据这些标准推出商业系统，并在2022年前实施全系统;因此，积极的开发和实施期将影响物联网系统的开发人员。这将从现有4G设计发展到现代芯片的智能手机和平板电脑开始。该调制解调器芯片将集成到模块中，以便轻松添加到物联网和M2M设计中。

5G系统开发的一个关键区别是网络要求已经在技术标准之前得到了很好的确定。

图1：5G标准，技术和网络的发展具有攻击性。来源：GSMA

5G网络的要求是1到10 Gbit/s的实际数据速率，而不是理论峰值速率，加上1 ms的端到端延迟，这是一个物联网开发人员的关键优势。更广泛的网络必须支持当前小区的1000倍带宽和同时连接的10到100倍的设备，这将再次允许物联网中的更多连接设备。与3G和4G一样，数据连接基本上是“始终开启”而不是电路交换，因此支持多达100倍以上设备的能力至关重要，因为更多设备将同时连接到网络。网络应该具有99.999％的感知可用性，并且感知覆盖率为100％，折衷范围的数据速率，这也将有助于需要范围但不需要数据的M2M实现。这有助于推出物联网网络，因为节点可以通过5G基站直接连接到互联网，而不必使用一系列需要更复杂的网络规划的网关或接口服务器。

另一个因素对于推出5G IoT网络至关重要的是降低功耗的规范，因为要求无线调制解调器的电池寿命为10年或更长。这应该为更多电池供电的无线物联网节点提供机会，再次提供更容易的安装。

频段

然而，满足这些要求将是一项挑战。目标频段的范围从先前用于模拟广播电视的频段700 MHz到3.6 GHz频段的新频段。

2015年世界无线电大会（WRC-15）同意在3.4至3.6 GHz的C频段内共同分配200 MHz频谱，这被认为是向前迈出的积极一步，因此是以前未用于电信应用的新频谱。 WRC-15还同意采用统一的L波段，其频段为1427-1518 MHz，远低于Wi-Fi，蓝牙和ZigBee所使用的当前2.4 GHz频段

同时700 MHz 694-790 MHz频段从美国和亚洲使用扩展到全球分配。

这些不同的乐队在5G中都有不同的用途。 700 MHz频段被认为是人口密集的城市区域的流行，以便向更多用户提供数据，而C频段可能用于更高带宽但更短的链路。

与3GPP版本9中定义的当前LTE频段相比，它提供下载速率高达100 Mbit/s的HSPA +数据和50 Mbit/s的上传速率（对物联网更重要），更多对于大多数不需要高清视频链接的M2M和物联网应用来说已经足够了。

这些最常用于全球M2M和物联网应用的4G频段分别为700/850 MHz和1700/1900 MHz，而不是2.6 GHz频段。这些模块由Multi-Tech Systems的MTSMC-H5-SP等模块实现，包括回退到GPRS数据速率，以便始终建立连接。

图2：Multi-Tech Systems的4G M2M模块。

5G提案的某些部分已经留待2019年的下一届世界无线电大会。这些将覆盖更高的频率。 GHz和高达50至60 GHz，可用于无线固定接入链路，以便将高带宽数据从基站传输回核心网络，而无需铺设昂贵的光纤电缆，仍能满足1 ms的往返延迟要求。这些5G固定接入收发器将使用氮化镓（GaN）器件，如Cree的CGHV1F025S。这款25 W，40 V HEMT晶体管支持DC至15 GHz频段，可在L，S，C，X和Ku频段实现高效率，高增益和宽带宽设计，完全符合5G要求。

采用3 mm x 4 mm，表面贴装，双扁平无引线（DFN）封装的40 V电源轨工作，但在降低功耗的情况下，可在低于40 V至低至20 V VDD的电压下工作同时保持高增益和高效率。

除了频段外，还在开发不同频段的信道模型。欧洲METIS和METIS-II工作组的八个组织一直致力于预期的5G频谱的信道模型，其模型分别为2.3 GHz，2.6 GHz，5.25 GHz，26.4 GHz和58.68 GHz。

图3：METIS和METIS-II欧洲项目正在开发适用于各种5G应用的通道模型。资料来源：METIS

延迟

5G的一个新考虑因素是能够支持大规模机器网络，其中包括各种不同的传感器和无线连接的执行器。

可以通过“毛细管网络”添加新节点，而不是提供直接连接。这些将使用短距离无线技术，如Wi-Fi，蓝牙或802.15.4 6LowPAN或ZigBee，以及连接到5G蜂窝网络的网关节点。

用于交通控制，关键基础设施等应用工业过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迟，并且引入必须在不同协议之间转换数据的网关可以显着增加延迟。

因此有很多研究使用毛细管网络和网关时实现1 ms端到端延迟的不同方法。

图4：不同的要求5G规范中的大规模物联网网络和时间关键网络。来源：爱立信

容量

与使用稀疏码多址（SCMA）方法的4G网络相比，5G的当前技术提案可支持三倍的物联网设备数量。这是一种新的频谱方案，它结合了现有的码分CDMA和正交频分OFDM方法。

使用SCMA，不同的输入数据流直接映射到代码字，每个代码字代表扩展传输层，以便多个层共享OFDMA的相同时频资源。用户配对，功率共享，速率调整和调度算法都用于提高重负载网络的下行吞吐量。

直接连接

5G规范还包括该功能用于无线M2M设备直接连接。这已被引入作为4G LTE标准的扩展，但5G旨在使这种对等通信显着提高效率。这将用于节点之间的临时链接，以及提供直接数据链接回5G智能手机，允许用户直接询问节点，而无需像今天实施蓝牙一样通过蜂窝网络在一些工业物联网网络中。

但是，这会引发安全问题，5G规范要求这些直接M2M链路受网络控制以提供授权。这可能会增加无线网络软件的复杂性。

这些是世界上最大的学术性5G创新中心（5GIC）的重点关注领域，它汇集了英国四大移动运营商和来自24个国家的70名研究人员。公司。

英国吉尔福德萨里大学耗资7000万英镑的中心不仅关注2020年5G网络的直接规范，还关注这些网络将如何发展到2040年。作为这项研究的一部分，它已经证明移动链路上的数据速率超过1 Tbit/s，是5G规范的10倍。

该中心的合作伙伴计划到2018年在该中心建立一个完整的5G系统使用当今的技术，包括也可用于物联网的完整核心网络。在此之前，标准也将在2016年底完成，以允许开发人员实施芯片和子系统设计。

结论

5G网络的发展正在加速，为未来的物联网和M2M网络带来显着优势。通过诸如SCMA之类的频谱方案，具有显着更低延迟和更高容量的新频带直接针对需要可靠响应的大容量工业互联网连接网络。凭借超低功耗和超长电池寿命，无线节点可轻松实施且经济高效地部署，但直接连接等新功能将增加网络软件的复杂性。

随着标准在2016年底结束，2018年的试验网络和到2020年的全面商业推广，硅，板和模块制造商将能够为开发人员提供强大的新技术，以进一步推广工业物联网。