5G中的物联网技术与未来演进方向，路在何方？
导语 | 如果说5G以前是互联网时代，是把人作为连接和服务对象；那么5G之后就是物联网世界，5G将进一步实现物与物、物与人更加多元化的连接，也就是万物智联。我们都知道5G赋予物联网低延迟、高速率、多终端的交互能力，那么这些能力背后有哪些技术支撑呢？本文由腾讯云5G技术专家工程师闫渊在Techo TVP开发者峰会“「物」所不在，「联」动未来——从万物互联到万物智联”上的演讲《5G中的物联网技术与未来演进方向》整理而成，向大家分享他的见解。
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现在物联网正处在大爆发的前期，从物联网底层通信技术来说，“连接”是刚需，虽然它不是价值链最高的，但“连接”是必需的基础设施。
从通信技术的演进来说，特别是在5G时代，物联和人联已经并重发展了，5G网络针对物联的需求，做了很多优化，如uRLLC、mMTC中应用的技术，大部分都是为物联需求而设计的，某种程度上，5G可以说是为物联而诞生的一张网络。
一、国家政策引领5G赋能物联网发展
从公开数据看，截止2021年6月末，蜂窝物联网已经达到了12.94亿，上半年新增1.58亿，同比增长16%，主要分布在智能制造、智慧交通、公共交通等领域。
今年，工信部等多部门一起印发了两个非常重要的文件：第一个是《物联网新型基础设施三年行动计划（2021-2023年）》，提出到2023年物联网连接数突破20亿。第二个是《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》，明确提出到2023年5G物联网终端用户数年增长率超200%。综上所述，可以看到，5G将驱动物联网成为新一轮科技与产业变革的核心动力。
二、5G蜂窝物联网的四种部署场景
（一）5G广域大网
5G广域大网适合智能穿戴、安防监控、移动支付、智能家居、视频直播等领域，其连接数量最大，与4G相比，5G引入了切片技术，将带来更好的物联体验。
（二）5G园区专网
5G和边缘计算的结合，以降低时延、卸载带宽和保证敏感数据的安全性，将是5G园区专网的主要应用场景，如部署与港口、工厂、学校等。部署模式可以主要分为三种：物理模式、混合模式和虚拟模式。
（三）专用频率广域大网
5G之前，电力、铁路、政务等，是基于专用频率部署广域大网比较常见的场景。随着自动驾驶/远程驾驶的兴起，特别是在开放道路区域，基于专用频率部署的5G-V2X车联网将是其最重要的应用场景之一。
（四）专用频率园区专网
企业申请专用频率，自建5G园区专网，类似自建企业WiFi，主要目的之一是为了实现对网络的完全自主可控和针对性定制优化。目前，在德国、日本等国家也出现了此类模式，特别是在工业领域，这也将是5G物联的未来可能的发展趋势之一。
三、5G蜂窝物联网技术类型及发展趋势
工信部在发布的《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》中明确指出，要推动2G/3G物联网业务迁移转网，建立NB-IoT、4G和5G协同发展的移动物联网综合生态体系。
那么，4G/5G主流的蜂窝物联网技术有哪些呢？主要分为两大类，如下图所示：左边一类是4G物联技术，包含4G Cat4、Cat1和eMTC等。右边一类是5G物联技术，包括5GNR、5G RedCap和NB-IoT。
六种不同的技术全面覆盖了从低速、中速、高速到超高速的各种应用场景。其中，NB-IoT对应100K速率级别的低速业务，如表计类、共享单车等业务。Cat-1、eMTC等对应100K到10M的中速业务，且对成本比较敏感，如智能穿戴、智能家居等。Cat-4和RedCap主要负责10M到100M的的高速业务，如安防监控等，且成本低于NR。最高端的场景则由5G NR来承担。
（一）设计理念从3/4G时代的业务适配网络转变为网络适配业务
以前4G设计的主要指导思想之一是业务适配网络，基于一张普适性网络，可以承载多样化的业务和应用，当然，对不同的业务需求，也会引入QoS保障。但总之，设计一张统一的网络，这种简单和普适性让其上的应用变得简单和易于推广，我觉得这也是移动互联网在4G时代能得到蓬勃发展的动因之一。
但4G主要是面向2C应用，而5G的一个重要发展目的，就是赋能服务2B，B端的需求，主要也是物联的需求，是非常多样的，如速率、时延、能耗、成本等，不同的场景，需求差异巨大，很难有一个统一的技术能满足所有的需求场景，因此，网络适配业务的设计理念，在5G网络中体现得愈发明显：在网络侧，5G引入了切片等技术，支持给不同的物联应用提供不同的切片；在终端侧，除了NB-IoT、NR一低一高两种终端外，也新引入了5G RedCap终端。
（二）推出低成本终端5G Redcap
5G RedCap的目标场景是视频监控、智能穿戴、工业传感等，它有如下特点：
低成本，RedCap对标的4G Cat-4终端，因此，降低设计的复杂度和尺寸，如系统带宽是20MHz，天线是1发2收；
低功耗，支持数天，最高达1-2周的使用时间；
大容量，RedCap是驻留在5G网络上，可以充分发挥5G的系统容量和大带宽优势；
覆盖好，可以复用5G的大网覆盖。
最后，从成熟度来说，预估5G RedCap可规模商用的时间是2023年。
（三）5G 网络能力（如大上行、低时延和高可靠）将分档提供、按需使用
5G有很多优质的网络能力，如大上行、低时延和高可靠能力，但如前所述，5G，更多的是要网络去适配业务，所以，要达到最佳性能，5G是需要面向业务进行定制优化的，很多网络指标，不是开箱即用的，而且，很多指标实现，是要牺牲别的指标、或付出额外的代价才能达到，这也是它比4G复杂的地方，换言之，在实际应用中，5G的网络能力将是分档提供、按需使用的。
5G大上行能力：通过修改帧结构，如1D3U的帧结构，可以将上行容量，相比普通5G公网提升3倍以上；下一档，则是在此基础上叠加载波聚合功能，则上行峰值容量可以达到约900Mbps。进一步的，再引入SUL功能，则峰值容量能超过1Gbps。未来，如果引入毫米波技术，则上行容量可以进一步提升。
5G低时延能力：5G移动网的时延，是包括空口时延和从基站到核心网的时延。正常情况下，5G的空口时延在10-20ms之间，端到端时延在20-30ms之间。降低空口时延，有预调度、自包含子帧等技术，但代价是耗电更大、损失一定容量等；降低基站到核心网的时延，主要是引入边缘计算等技术。因此，5G的时延指标也可以分为多档：如<5ms、5-10ms、10-20ms等。
5G高可靠能力：可靠性可以分为三层：应用层自身的可靠性、5G网络的可靠性和基础资源的可靠性。例如，上层应用层的可靠性，在游戏中，有蜂窝和WiFi双发选收的技术；下层基础资源层的可靠性，主要是硬件的冗余备份。而5G网络的可靠性，又可以分为低时延下的可靠性和无时延要求下的可靠性，不同的需求，技术不同，所花代价也不同。
（四）R16/R17其他物联能力优化
在5G R16/R17标准，3GPP针对物联需求，对不同的业务场景需求，和相关的网络能力，进一步提升和优化。
例如，在业务场景方面，针对专网场景（5G NPN）、非地面网络场景（5G NTN）、5G V2X场景、工业IIoT场景等进行了优化；在网络能力方面，针对5G固移融合、终端功耗、广播/多播、5G定位、小包传输增强等能力进行了优化。
四、5G的物联网应用趋势
5G会给物联应用未来带来哪些方面的变化？我觉得会有以下四方面的趋势：
（一）一网代替多网
5G是一张泛在的广域网，但通过引入边缘计算、D2D等新技术，5G也能同时适于局域和终端短距直连通信的场景，畅想未来的一个场景（当然时间也可能比较遥远），可能就只需要一张统一的5G网络，结合IPv6，能满足多样化的物联需求，应用设计、网络运维等也都能变得更加简单。
（二）云化代替离散
5G的大带宽、低时延等特性，结合边缘计算等技术，很多终端都有变成薄终端的趋势，如云手机、云电脑等，离散的终端算力将向边缘节点或云节点集中，也将带来全新的设计架构和应用体验。
（三）无人代替有人
未来无人化的广泛应用，将由5G和AI的结合驱动成为现实。5G将给AI带来泛在连接和海量数据，而AI，则让这些数据和连接高效利用起来。如高通所指出的，“我们正迈入一个由AI和5G驱动的智能云连接的时代。万物都将被连接到云端，以可靠的方式实现互联。”
（四）远程代替现场
在可预计的很长一段时间，无人化和远程化一定会并行发展。远程化，实现人与物在物理空间上的解耦，将激发很多全新的应用，如远程驾驶等。之前，由于网络的限制，远程化并未真正普及开来。5G的大带宽和低时延等特性，将使得远程化在垂直行业的数字化转型中得到越来越多的应用。
非常感谢大家的时间，希望跟大家多交流，谢谢！
讲者简介
闫渊
腾讯云5G技术专家工程师
腾讯云5G技术专家工程师，拥有多年通信领域工作经验，工作经历涉及3GPP标准化、行标企标制定、产品开发测试和现网网规网优等，对5G通信技术有深入的理解。目前负责腾讯云5G相关产品和创新应用的研发和推广。
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