5G如何改变工程设计

在过去的十年中，技术取得了前所未有的进步，包括智能手机的广泛使用、数十亿物联网设备部署在各个行业领域、 工业 4.0的引入以及边缘计算的兴起。但这种技术增长并没有放缓。虽然这在许多方面都是有利的，但它也会给基础设施带来压力。很明显，除非这个基础设施问题得到正面解决，否则下一代技术将无法发挥作用。

一个特别麻烦的因素是云计算的引入，因为它消除了单个设备处理自己的数据的需要。尽管这大大简化了他们的设计并降低了成本，但它也需要更高的带宽和更低的延迟。

边缘计算是一种可以缓解云计算面临的一些问题的解决方案。但是，由于边缘计算设备可能位于本地网络中，带宽限制可能会导致连接到同一网络的其他互联网连接设备的性能下降。

存在许多网络技术，每种技术都有自己的优点和缺点。广泛使用的主要网络技术包括 Wi-Fi、蜂窝、远程 (LoRa) 和电缆（光纤）。

Wi-Fi 在速度、延迟和成本之间提供了极好的平衡，这就是它主导家庭无线市场的原因。但 5 GHz 和 6 GHz 使用的较高频率会降低其有效范围。

4G 等蜂窝网络的开发考虑到了移动技术，因此，它们提供了出色的特性以及范围和设备支持。但是，它们对于实时物联网应用是不切实际的。它们具有较大的下载速度，但由于等待时隙的时间长而受到延迟的影响。

LoRa 无线电是一种网络技术，由于其低能量需求和远距离能力（在某些情况下超过 15 公里），在远程物联网应用中越来越受欢迎。为了降低能耗，LoRa 的带宽极小，仅适用于发送字节数据（它不适合直播视频）。因此，LoRa 常见于偏远的工业场所，例如输油管道、监测大量土地的农场以及识别潜在森林火灾风险的环境传感器。

光纤是速度和延迟方面的终极解决方案，因为使用物理连接消除了对高能天线、敏感接收器和复杂网络硬件的需求。但是，电缆的物理特性意味着只有物理连接到电缆的设备才能使用网络。

与其前身不同，5G 在设计时考虑了连接性， 重点关注物联网设备、边缘计算和云计算。因此，其主要目标是为客户提供更高的速度、更低的延迟和可以改善网络服务的基础设施。

5G 在微波区域利用更高的频率，这增加了其带宽（高达 20 Gbps）并利用多个不重叠的信道频率。此外，MIMO 天线和波束成形的使用进一步降低了在同一信道上运行的设备之间的干扰。

5G 还使用多种技术显着降低了连接延迟，包括网络切片、非固定时隙和本地边缘计算服务。网络切片允许5G 网络创建单独的通道，从而最大限度地减少同时使用任何一个通道的设备数量，而非固定时隙的引入使 5G 设备能够在需要时传输数据。

最后，在 5G 网络中，数据量大的云服务可以更靠近用户，这意味着连接的客户端可以更快地访问资源。客户无需从设备到手机信号塔再到互联网再返回，而是可以直接访问手机信号塔并获取他们需要的数据。

虽然 5G 仍处于起步阶段，但许多应用可以从所提供的高带宽、低延迟功能中受益匪浅。

一个这样的例子是车联网（V2X）。汽车制造商面临的一个主要挑战是 自动驾驶和防撞技术的发展。当前的解决方案必须独立运行，这意味着它们通常依赖于众多成像技术，包括雷达和激光雷达。虽然这有利于处理异常情况，但它仍然会看到有限的响应时间并引入未知数。

然而，V2X 提出了一种解决方案，所有设备（包括所有车辆、行人、路标和交通控制系统）都可以报告位置、方向和速度等关键数据。使用 5G 网络数据，道路上的车辆可以提前很好地预测碰撞风险，同时还可以警告行人和其他车辆自己的位置、速度和方向。因此，由于 5G 提供的低延迟和大型设备支持，V2X 提供了许多安全和交通管理机会。

工业站点是私有 5G 网络的另一个有前途的应用，运营商可借此创建和管理自己的 5G 网络。许多工业流程通常依赖于从机器获取的实时数据，这就是为什么工业系统历来难以在通用 LAN 网络上运行的原因。大量同时连接以及可以在整个工厂移动的自主交付系统的使用也使得 Wi-Fi 等技术不适合。

5G 网络设备能够在接入点之间漫游而不会丢失连接并提供低延迟，这使得 5G 非常适合在工业站点中使用。这样的网络不仅可以支持大量设备，而且可以根据其重要性对流量进行优先级排序。可以为实时数据包提供更好的延迟。此外，使用位于各个接入点的边缘计算服务可以减少延迟，同时减少对更大网络的压力。

物联网设备的引入也为城市管理和规划开辟了新的可能性，引发了物联网的一个新领域：智慧城市。可以说，城市管理面临的两个最大挑战涉及交通管理和污染。城市可以通过监控车辆和道路使用来管理交通，并且可以通过广泛部署空气质量传感器来管理污染。然而，当前的网络基础设施无法处理整个城市的数千个传感器，而此类设备带来的安全挑战意味着无论使用什么网络都必须建立在安全之上。

5G 网络非常适合智慧城市的发展，不仅因为它们能够处理数千台设备并提供大带宽，还因为它们能够运行虚拟网络，可以部署强大的安全实践，无需密码和 API 密钥并支持物理设备身份验证。

由于带宽增加、延迟改善和支持边缘计算的能力，5G 为工程师提供了令人兴奋的新可能性。此外，创建私有 5G 网络的能力为企业和制造商带来了新的机遇。最后，在边缘运行服务的能力可以为数百万客户改进基于云的应用。

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