摘自——eeworldonline，Jon Gabay

今天幾乎每個人都有無線服務。自從早期模擬無線服務引入數字3G和4G以來，大多數公司都依賴其無線服務供應商和設備來保持與我們快節奏、實時的連接。現在，工程師們正在研究5G連接，以評估它是否適合他們的設計和應用。

5G并不是唯一的協議和標準，甚至也不是最適合許多特定設計和未來產品的協議和標準。許多成熟、功能豐富的無線協議、設備和開發模塊都是現成的，可以快速啟動設計并盡快運行。

雖然上市時間很重要，但它不是唯一的約束力。在我們的無線世界里，設備和功能的整個生態系統都在它們自己的頻段里，以一種較少的方式與他人互動。什么樣的標準和協議最適合你的需要取決于你在生態系統中屬于什么類型。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數據速率。但就我們的需要而言，這似乎有點高射炮打蒼蠅——小題大做的意思。

如果一個正在進行救生手術的移動機器外科醫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行器。那么5G在這里將會派上大用，但自動化公寓中的電燈開關就不需要這么做。

移動設計通常有低功耗的限制，但也可能利用廣泛部署的3G、4G和5G無線網絡。固定位置設計可能會在本地獲取電力，甚至從環境中獲取能源，從而實現長途無線連接。

例如，部署在固定區域的分布式傳感器陣列，無法承擔使每個傳感器都能實現5G的成本負擔。首先，在量產之前，設計成本、認證時間以及每個傳感器每月所需服務的額外成本將使其無法實現。取而代之的是，一種成本更低、已建立的替代無線協議可以用來允許每個傳感器與單點聚合器通信。因為組件、開發工具包和開源軟件很可能已存在，所以需要進行設計測試。這可以是中心點星形體系結構或Mesh 網絡。這在很大程度上取決于你需要穿越的距離和數據速率。

通常，大型分布式傳感器網絡（如環境傳感器、地質傳感器、放射性傳感器等）只會時不時地傳輸短時間數據。即使發射功率可能在瞬間更高，平均數據速率和功率也低于更緊湊、更高的數據驅動設計。通常，對于我們的環境傳感器來說，延遲也不應該是一個問題。

此外，如果想使整個網絡具有全局可訪問性，只需要一個聚合器或網關就可以。這大大降低了運營商成本。在這個低成本、低數據速率、長延遲的例子中，聚合器可以是3G或4G，而且性能非常好，因為3G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設備。

回歸基礎

對許多公司來說，產品上市時間至關重要。使用更新的技術總是比使用經過驗證的解決方案更有風險。在這方面，3G和4G等更成熟的標準為設計師提供了更多選擇，使他們的設計能夠適應現成的部件和開發環境。

當在一個設備內實現多個無線通信鏈路時，其他的問題也開始發揮作用。需要考慮頻帶重疊、共用天線、計量功率、信標和收聽特性。

在我們的手機里已經有了無線多端口通信3G/4G， Wi-Fi和藍牙。值得慶幸的是，超高產量的手機制造為我們可以使用更強大、更低成本的技術鋪平了道路。但較之物聯網設備，很少有設計師在設計手機。

就本質而言，物聯網將為全球可訪問的網絡添加更多連接設備。

我們提到了用于生活上的大量環境傳感器陣列和自動化遠程控制技術，如電燈開關、溫度和濕度傳感器。此外，我們還擁有一些醫療設備，可以穿戴或植入體內，用于治療和鍛煉。發電廠、水處理設施、交通燈、工廠和自動駕駛汽車等，這些表明了我們對設計和通信基礎設施的一系列需求。

最常見的選擇是Wi-Fi和藍牙。Wi-Fi被大量部署，大多數設施、商業、工業和消費場所都提供Wi-Fi連接。對于內部設施來說，擁有多個路由器、網橋、網關甚至網格拓撲是一個很好的選擇，但體育場問題就不是一回事了。

當成千上萬的用戶聚集在帶寬、通道和套接字有限區域時，將會發生服務退化。這就是所謂的體育場效應。在體育場，每個人都通過手機向朋友直播比賽。在某一時刻，可用帶寬超了，服務將被中斷。手機基站附近的3G和4G服務也是如此，這些基站已經超額“訂購”了。

對于必須爭奪帶寬時間片（time slices of bandwidth）的物聯網設計，或許替代協議更合適。例如，ZigBee已經存在多年，得到了許多設備制造商的支持，并提供了開源代碼。它是一種Mesh網絡拓撲結構，通過存儲和轉發數據包可以跨越很大距離。它可以與3G/4G/Wi-Fi和藍牙共存，用更少的設備和所需的空間創建一個獨立網絡。例如，安全網絡可以從這種供不應求的網絡中受益。

還有像遠程LoRa這樣的長距離子網使用的915MHz頻段完全不包括3G/4G/5G、ZigBee、藍牙和Wi-Fi。對于廣泛分布的拓撲結構，如海洋和地震傳感器，可能是一個理想選擇。

LoRa遠程協議可用于為傳感器或物聯網集群創建一個獨立的廣域網，這些傳感器或物聯網集群聚集成一個中央4G或5G連接。

云端的好處

盡管云最初是用于存儲和備份，但它已經發展成為客戶端應用程序的服務器。這意味著應用程序和數據是遠程存儲，而我們的移動設備只是進入云窗口的終端。運行在云中的應用程序只需要刷新我們的遠程設備。

這有好也有壞。好處是，大數據集可以在需要的時候存儲和檢索，我們的設備可以釋放本地內存。從云存儲到云處理的數據傳輸完全在后臺進行，速度更快，而且不會浪費我們在設備內移動文件的時間。

這種方法依賴于連接性。如果您沒有應用程序和數據的本地副本，如果連接失敗，您將徹底失敗。然而，這也為更復雜的應用打開了大門，如自動駕駛汽車、無人機、農業設備，或許有一天，在飛機上也可以。

我們的手持設備可能不包含所有關于交通、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透明地進行，而標記化的命令和響應是在云和終端設備之間發送的。

這可以降低總體數據需求，尤其是5G所承諾的低延遲。它還可以為其他關鍵基礎設施服務提供更多數據帶寬，比如廣泛分布在城市景觀中的高分辨率監控攝像頭。

總的來說，遠程手持設備的帶寬和內存是有代價的。在某種程度上，即使是手持設備也需要大量的快速數據流。更高分辨率的顯示器，更快的刷新率，以及沉浸式虛擬現實等應用程序使數據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；三維虛擬現實耳機需要存儲360度的數據，才能對頭部動作做出足夠快的反應。

那么，5G給了我們什么？

與4G相比，5G服務器提供的帶寬要多1000倍。單憑這一點就很令人驚訝，特別是考慮到之前所說的數據密集型應用程序。這里一個主要的好處：5G可以處理潛在流量，隨著物聯網升溫，更多的連接設備將爭奪通道空間。

5G聲稱能夠處理超過10000倍的流量，在短期內，這將消除與超額訂閱相關的延遲，并隨著物聯網的發展，為更多的聯網設備提供一種結構。這是4G連接設備數量的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絡遠程與其他音樂愛好者一起練習，這就顯得遲鈍了。所有玩家之間可變的延遲時間將使合成結果不同步。

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，語音對話中的數字延遲不再會讓我們抓狂。

這些性能的提高使得自動駕駛汽車更有可能實時安全地適應環境。想像一下，如果一輛112.63km/h的自動駕駛每毫秒都能監控和調整路線，你會感覺無比的暢通。無人機、機器人和自動化工廠也是如此。

還有一個尚未證實的說法是，5G設備所需的電力將比同類4G設備少90%。只有當5G微基站遍布各地時，設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程應用（如地震傳感器）可以永遠運行。

產品應用案例

事實上，4G甚至還沒有在所有地方部署。在發展中國家，沒有固定線路，整個通信基礎設施將是無線的。使用4G技術的設計正在擴展，許多應用程序可以很好地使用4G連接。

u-blox的SARA-R510M8S-00B等成熟產品通過LTE-M無線連接，SARA-R5 LTE-M和NB-IoT蜂巢式系列產品現已開始量產，并通過北美多家主要通信業者的LTE-M認證。SARA-R5系列是第一款內置UBX-R5晶片組并獲得北美通信業者認證的產品。UBX-R5是u-blox自行開發的低功耗廣域（LPWA）晶片組，已于2020年初獲得MNO（行動網絡業者）認證，同時也是首款通過全球認證論壇（Global Certification Forum；GCF）認證的IoT晶片組。在3.8V時，它在傳輸時功耗為395ma，很容易放置在標準電路板設計上。

SARA-R5系列適用于LPWA IoT應用，例如工業自動化、感測器應用、連網醫療裝置、智慧量表、資產和車輛追蹤，以及資通訊系統等。透過設計確保其安全性，該系列提供了強大的云端連接功能。

雖然4G基站仍在建設中，但隨著設備、設備和需求的增加，對現有基站和5G服務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，即便不是手機制造商也能獲得部件、開發系統和源代碼。

例如，ADI正在生產集成5G系統的幾個關鍵部件，如ADMV4801射頻收發器和波束形成器。波束形成是5G一個重要組成部分，5G服務器和設備可以將發射目標定位為更強大的定向通信波束。該部分工作在24GHz到29.5GHz范圍內，支持16個發射機通道和16個接收器通道。匹配的50 Ω輸入和輸出阻抗使其易于與標準天線和射頻組件接口。它保留了用于波束定位的存儲器，這對重建固定的點對點位置的通信很有用。

ADMV1017 24GHz至29.5GHz 5G升頻/降頻轉換器是毫米波 （mmWave） 5G新解決方案組合的一部分。通過與它的結合，形成一個可行的、低風險的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。它具有直接向下轉換器，圖像拒絕，或單端復雜模式。

結論

隨著設備制造商和服務提供商部署更多的發射塔和基礎設施，5G頻譜將充滿流量。隨著光束轉向和新頻段能量的增加，我們需要確定這項技術對有機生物的安全性。雖然很少有非商業導向的研究，但這是一種很有可能產生突變的聚焦波長。

展望LPWAN技術作為子網無線伙伴的前景，因為它與5G很好地共存。未經許可的標準，如3GPP的Release 16，支持5G NR未經許可的頻段和其他選項也存在。

窄帶射頻子系統一直是很有前景的選擇，并且已經證明有能力在安排的集群中處理50，000個設備。窄帶可以使用更少的電力，而且在那些難以到達的地方更容易穿透墻壁和地板。

體育場、音樂廳和大型集會場所有望在5G空間內看到類似Wi-Fi的私人網絡。可以看出，5G空間將出現新的劃分，為自動駕駛、無人機、發電廠和醫療植入設備等關鍵任務提供更高的可靠性和更少的干擾。

基于Wi-Fi、6LoPAN、藍牙、ZigBee等集群網絡也將生活在這個生態系統中，并很有可能在某一時刻聚集到5G領域。對使用協議和波段的巧妙劃分以及使用可以決定專門針對物聯網的下一代設計的有效性。

編輯：hfy