5G通信系统应用场景与消费物联网、工业物联网应用场景综合分析

 5G通信系统应用场景与消费物联网、工业物联网应用场景综合分析

一、5G通信系统应用场景

       5G的到来意味着什么？高速率(增强型移动宽带，eMBB)、大容量(大规模机器通信，mMTC)、低时延(高可靠低时延通信，URLLC)是5G网络的基础特性，并可实现在每平方公里内百万级设备的接入，同时传输延时上有巨大的技术突破，能成功做到“毫秒级的延时”。正因此，5G将大大加速各类智能技术新应用的落地，开启移动通信发展的新时代，促成一种全移动、全连接社会的构建。

       回顾移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义，其中，1G只能提供模拟语音业务；2G可提供数字语音和低速数据业务；3G用户峰值速率达到2Mbps至数10Mbps，可以支持多媒体数据业务；4G能够支持各种移动宽带数据业务。而5G的高连接速率、大容量高密度和低时延构成其最基本的三个性能指标。

从5G的这些关键能力中，可以预见5G使得万物互联或将成为现实，智慧城市、智能家居、车联网、自动驾驶、VR、AR等应用场景得到网络环境支持，给人们生活乃至各行业带来影响，推进业务升级。技术的关键能力往往决定着其应用的范围。在国际电信联盟（ITU）制定的5G标准（IMT-2020）中，即从5G的这三大关键性指标为依据，划分了5G未来的应用场景。

       其中增强型移动宽带，就是以人为中心的应用场景，集中表现为超高的传输数据速率，广覆盖下的移动性保证等。简而言之，5G的这一项关键能力最强劲的服务于人与人和人与物的连接，移动通讯和社交场景将成为主要应用的阵地。4G时代，让用户在移动端观看视频、消费文娱内容成为习惯。而增强移动宽带的5G时代，很可能再次颠覆以往的内容创造模式、社交互动方式与产业生态。4K高清电视、VR、AR、3D视频、云化的办公等场景，也就正迫切地期待着5G在这个层面的连接带来的改变。

       在需求高可靠低时延连接的场景中，毫秒级的连接时延和高速移动（500KM/H）情况下的高可靠性（99.999%）连接，让车联网、工业物联网、远程医疗、智能制造等特殊应用更现实。有研究称，车联网市场潜力巨大，5G时代这块蛋糕将达到6000亿美元，而通信模块在其中占比超过10%，这些应用的安全性要求极高。

图1 IMT-2020 5G业务模型

       而大规模机器通信，也可理解为海量的物联。这使得5G强大的连接能力可以快速促进各垂直行业，如智慧城市、智能家居、环境监测等，与垂直领域深度融合。在万物互联的未来，人们的生活方式也将发生颠覆性的变化。这一场景下，数据速率较低且时延不敏感，连接覆盖生活的方方面面，终端成本更低，电池寿命更长且可靠性更高。

       综合来看，与前几代移动网络相比，5G的关键能力突破使得应用场景的丰富性上也将有飞跃发展。此外，5G为移动运营商及其客户提供了极具吸引力的商业模式。为了支撑这些商业模式，未来网络必须能够针对不同服务等级和性能要求，高效地提供各种新服务。有研究机构总结了5G时代最具市场潜力的十大应用场景，也无外乎是由于5G在移动通讯上的关键能力所解决的连接速率和质量的所带来的改变。

图2 5G时代最具市场潜力的十大场景

二、5G通信系统与消费物联网

       物联网（Internet of Things，IoT），是互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络。在物联网上，每个人都可以应用电子标签将真实的物体上网联结，在物联网上都可以查出它们的具体位置。通过物联网可以用中心计算机对机器、设备、人员进行集中管理、控制。目前，物联网中的大部分投资和应用集中于产业物联网，其中包括制造业、物流业、医疗保健业、农业、汽车工业等行业。消费物联网(CIoT)则是消费应用类中的物联网，是我们平常最常接触到的程序、用例和设备集合的统称。据研究公司称，智能家居是消费物联网用例最主要的消费级产品。

       对于消费物联网来说，最大的问题还在于体验，目前智能终端数量太少，很难体验到智能家居的优势，根据报告，2018年平均每个中国家庭智能家居设备数量仅为0.9台，2022年预计可达2.8台，到2025年则有望达到6.8台。

       5G的到来，可以说给物联网“插上了翅膀”，特别是无人驾驶、远程医疗、工业自动化这些对于网络要求较高的应用形态来说，5G让这些有望成为现实。5G相比4G，具有更高的速率、更宽的带宽、更高的可靠性、更低的时延等特征，能够满足未来虚拟现实、超高清视频、智能制造、自动驾驶等用户和行业的应用需求。5G能够灵活地支持各种不同的设备，此外，IPv6（Internet Protocol Version 6）的使用，不仅能解决网络地址资源数量的问题，而且也解决了多种接入设备连入互联网的障碍。这些都让比尔·盖茨在上世纪90年代所设想的“未来之屋”有可能“飞入寻常百姓家”。

      G是时代的跨越，“PC时代，是人和人的随时连接，移动设备是人和人的随时随地连接，WIFI时代是人和人，物和物的连接，5G时代会实现人与物，物与物的随时随地连接。”在消费物联网的情景下，家电盈利模式将会改变，传统家电产品或被重新定义。

三、5G通信系统与工业物联网

3.1  5G对工业物联网的影响    

      对于普通消费者来说，5G的概念可能就是更高的网速，5G大带宽带来的上网体验提升是最直观的，用手机可以实时观看清晰度更高的视频。

       而更低的时延与更高的可靠性对C端用户带来的体验改善，相对来说就小很多，打开网页的时延从50ms降低到10ms，消费者基本是感知不到差异的。

      在工业领域，很多年前，工业互联网的概念就已提出，但直到移动互联网如此普及的现在，工业领域设备联网的比例还是很小，联网设备涉及的应用也都还很浅。主要原因在于，目前互联网在时延和可靠性方面还达不到要求。

       在工业物联网领域，情况并不一样。工业各垂直领域行业特性迥异 ，知识壁垒很高，而且工业制造流程对可靠性和稳定性要求非常高，目前的运营商网络还很难满足工业物联网对性能方面要求。因此物联网在工业领域的进展一直比较缓慢，还没有产生比较成熟的商业模式和相对大体量的公司。

      工业领域包括众多垂直行业，比较大的行业有制造业、运输业、能源、建筑业、采掘业等，每个行业的特性差异巨大，物联网与每个行业的结合，也都要根据行业自身特性来调整。

      工业物联网的目的就是能对工业过程实施精准控制。基于前述传感器数据的采集、展示、建模、分析、应用等过程，在云端形成决策，并转换成工业设备可以理解的控制指令，对工业设备进行操作，实现工业设备资源之间的精准的信息交互和高效协作。

      当前大部分场景的工业控制系统还需要部署在本地，受通信技术和处理能力的限制，工业云平台涉及工业控制的的深度还不够。5G技术可以满足工业系统对通对于工业领域来说，高可靠低时延的通信系统可以说是至关重要。

       一直以来工业物联网的应用只能停留在表层的数据采集展示和由此延伸出来的一些管理功能，很难涉及到工业系统的控制等核心领域，其中通信系统的稳定性和延时达不到要求是其中主要的制约因素。信能力的要求，实现工业控制的目标。

       当前的移动通信系统在工业物联网领域的应用涉及并不深入，虽然4G在网速上已经有很大的提升，能满足用户随时观看视频的需求，但网络的可靠性和时延都还有很大的提升空间，并不能满足工业场景的要求。工业领域对通信系统的这些需求，5G的技术标准可以很好的满足，极低的时延，保证了工业领域实时监测和控制的要求；高可靠的网络质量，确保了工业系统对稳定性的要求；大带宽则可以实现高清3D视频，甚至AR的传输，在远程操控领域大幅提高了操作精度。

3.2  5G在工业物联网的应用

1）一台远在石家庄工地上的挖掘机，通过5G技术与设在现场的驾驶室相连，不仅可在恶劣环境下作业，甚至可以打造无人工地。

2）参观者可以在现场驾驶室真人驾驶，同步实时控制位于石家庄的挖掘机，进行挖掘机前后、旋转运动以及大臂、小臂、挖斗配合挖掘装车等操作，操作台对面的大屏幕通过现场实时高清视频同步传递真实场景及全景视频效果。

3）爱立信和德国弗劳恩霍夫生产技术研究院（Fraunhofer IPT）共同合作研究新的方法来改进工业控制流程，实时检测生产制造过程中的缺陷。其中有一个应用领域就是叶盘的生产制造领域，叶盘是喷气式航空发动机中涡轮的重要组成部分，由轮盘和围绕轮盘边缘的众多叶片组成，叶盘制造是金属加工典型的应用。

       如果通过引入5G与物联网技术实现自动化后，返工率可以降低10%，就相当于减少了单位产品的加工时间。换算成机器成本的话，单叶盘成本可以降低3600欧元，全球叶盘的产量大概一年10万片，这就意味着，通过5G技术实现实时监控，一年可以节省3.6亿欧元的成本。