5G下的仪器仪表发展

孙柏林，刘哲鸣

（中国仪器仪表学会产品信息工作委员会，北京 100043）

万物互联时代，5G 带给仪器仪表巨大的发展机遇。作为新一代移动通信技术，5G 技术契合了传统制造企业智能制造转型对无线网络的应用需求，能满足工业环境下设备互联和远程交互应用需求。在物联网、工业自动化控制、物流追踪、工业AR、云化机器人等工业应用领域，5G 技术起着支撑作用。

1 5G技术的基本概念

第五代移动通信技术（5th generation mobile networks 或5th generation wireless systems、5th-Generation，简称“5G”）是最新一代蜂窝移动通信技术，是2G（GSM）、3G（UMTS、LTE）和4G（LTE-A、WiMax）系统后的延伸。5G 的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本，提高系统容量和大规模设备连接。Release-15 中的5G 规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署，Release-16 的第二阶段将于2020 年4 月完成，作为IMT-2020 技术的候选提交给国际电信联盟（ITU）。ITU IMT-2020 规范要求速度高达20 Gbit/s，可以实现宽信道带宽和大容量MIMO。

与早期的2G、3G 和4G 移动网络一样，5G 网络是数字蜂窝网络。在这种网络中，供应商覆盖的服务区域被划分为许多被称为蜂窝的小地理区域。表示声音和图像的模拟信号在手机中被数字化，由模数转换器转换并作为比特流传输。蜂窝中的所有5G 无线设备通过无线电波与蜂窝中的本地天线阵和低功率自动收发器（发射机和接收机）进行通信。收发器从公共频率池分配频道，这些频道在地理上分离的蜂窝中可以重复使用。本地天线通过高带宽光纤或无线回程连接与电话网络和互联网连接。与现有的手机一样，当用户从一个蜂窝穿越到另一个蜂窝时，他们的移动设备将自动“切换”到新蜂窝中的天线 。

5G 网络的主要优势在于，数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络，最高可达10Gbit/s，比当前的有线互联网要快，比先前的4G LTE 蜂窝网络快100 倍；另一个优点是较低的网络延迟（更快的响应时间），低于1ms，而4G为30ms ～70ms。由于数据传输更快，5G 网络将不仅仅为手机提供服务，而且还将成为一般性的家庭和办公网络提供商，与有线网络提供商竞争。以前的蜂窝网络提供了适用于手机的低数据率互联网接入，但是一个手机发射塔不能经济地提供足够的带宽作为家用计算机的一般互联网供应商。

2 5G网络的特点

1）峰值速率需要达到Gbit/s 的标准，以满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输。

2）空中接口时延水平需要在1ms 左右，满足自动驾驶、远程医疗等实时应用。

3）超大网络容量，提供千亿设备的连接能力，满足物联网通信。

4）频谱效率要比LTE 提升10 倍以上。

5）连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率达到100Mbit/s。

6）流量密度和连接数密度大幅度提高。

7）系统协同化、智能化水平提升，表现为多用户、多点、多天线、多摄取的协同组网，以及网络间灵活地自动调整。

从用户体验看，5G 具有更高的速率、更宽的带宽，预计5G 网速将比4G 提高10 倍左右，只需要几秒即可下载一部高清电影，能够满足消费者对虚拟现实、超高清视频等更高的网络体验需求。

从行业应用看，5G 具有更高的可靠性、更低的时延，能够满足智能制造、自动驾驶等行业应用的特定需求，拓宽融合产业的发展空间，支撑经济社会创新发展。

3 5G技术的主要功能

从科技创新所带来的经济效益的提升角度来看，5G 是经济社会数字化转型的关键使能器。未来，5G 与云计算、大数据、人工智能、虚拟增强现实等技术的深度融合，将连接人和万物，成为各行各业数字化转型的关键基础设施。

5G 将为用户提供超高清视频、下一代社交网络、浸入式游戏等更加身临其境的业务体验，促进人类交互方式再次升级。

4 5G带来的关键技术与应用

在核心网方面，5G 应该说很好地采用了NFV（网络功能虚拟化）和SDN（软件定义网络）的理念，大部分是基于软件和硬件分离的架构。在大家看起来都是服务器，在上面虚拟出很多不同的功能单元，从网络功能设计来看，也更好地实现了控制和数据平面的分离；其次，在网络架构方面，进一步向扁平化发展，过去2G、3G 的4 层，到4G 已经变成3 层，到5G 更加简洁，变成两层，而且很多应用了移动边缘计算。核心网标准重点落实像网络切片、移动边缘计算，确保端到端用户的安全。

另外，5G 技术的优势还体现在毫米波、小基站、大规模天线、波束成形这几大技术上。考虑到5G 的先进性和经济性两个方面，5G 网络建设分为非独立组网和独立组网两种模式。所谓独立组网就是采用5G 新的空口接入到5G 新的核心网，端到端都是完整5G 的标准。非独立方式更多体现在核心网部分。也就是说，有些运营企业在初级阶段仍然用4G 核心网接入5G 新的接口作为过渡以减少初期投资。

在推动物联网落地过程中，比如eMBB 能支撑起远程视频监控、视频会议等高带宽的应用场景；mMTC 能满足大量低功耗嵌入式终端的数据连接与传输需求。URLLC 可以将网络等待时间的目标压低到1ms 以下，以支撑工业自动化控制过程中系统和设备对数据传输的实时性的诸多指标和要求。

从专业角度出发，5G 新技术的关键能力比前几代移动通信更加丰富。用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为5G 的关键性能指标。新空口、网络切片和边缘计算是3 大具备关键性的5G 技术，也是驱动第四次工业革命的核心技术。

各种新兴的应用是5G 商用的主要推动力，这些应用通常对带宽和时延要求较高，而5G 网络的高带宽和低时延特性正好满足了这些新兴技术的应用。

5G 有3 个方面的进展。除了网速得到百倍的提升，网络的时延也将低到百万分之一秒。此外，5G 能够广覆盖，实现万物互联，在每一平方公里可以支撑100 万个移动终端。

4.1 超密集异构网络

5G 网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及，面向2020 年及以后，移动数据流量将呈现爆炸式增长。在未来5G 网络中，减小小区半径，增加低功率节点数量，是保证未来5G 网络支持1000 倍流量增长的核心技术之一。因此，超密集异构网络成为未来5G 网络提高数据流量的关键技术。超密集网络（UDN）对5G 要求中的高速率、低时延、大业务量以及高密度终端数起到了至关重要的作用。它通过部署大量的设备来满足高密度、高流量的无线终端接入要求，同时提高系统的频谱利用率，从而使系统容量得以提升。UDN 的典型应用场景包括办公楼、车站、校园、地铁、医院、体育馆等人流密集地区。

4.2 自组织网络

传统移动通信网络中，主要依靠人工方式完成网络部署及运维，既耗费大量人力资源又增加运行成本，而且网络优化也不理想。在未来5G 网络中，将面临网络的部署、运营及维护的挑战，这主要是由于网络存在各种无线接入技术且网络节点覆盖能力各不相同，它们之间的关系错综复杂。因此，自组织网络（self-organizing network，SON）的智能化将成为 5G 网络必不可少的一项关键技术。

4.3 内容分发网络

在5G 中，面向大规模用户的音频、视频、图像等业务急剧增长，网络流量的爆炸式增长会极大地影响用户访问互联网的服务质量。如何有效地分发大流量的业务内容，降低用户获取信息的时延，成为网络运营商和内容提供商面临的一大难题。仅仅依靠增加带宽并不能解决问题，它还受到传输中路由阻塞和延迟、网站服务器的处理能力等因素的影响，这些问题的出现与用户服务器之间的距离有密切关系。内容分发网络（content distribution network，

CDN）会对未来5G 网络的容量与用户访问具有重要的支撑作用。内容分发网络是在传统网络中添加新的层次，即智能虚拟网络。

4.4 D2D通信

在5G 网络中，网络容量、频谱效率需要进一步提升，更丰富的通信模式以及更好的终端用户体验也是5G 的演进方向。设备到设备通信（device-to-device communication，D2D）具有潜在的提升系统性能、增强用户体验、减轻基站压力、提高频谱利用率的前景。因此，D2D 是未来5G网络中的关键技术之一。

4.5 M2M通信

M2M（machine to machine，M2M）作为物联网最常见的应用形式，在智能电网、安全监测、城市信息化、环境监测等领域实现了商业化应用。3GPP 已经针对M2M 网络制定了一些标准，并已立项开始研究M2M 关键技术。M2M的定义主要有广义和狭义两种。广义的M2M 主要是指机器对机器、人与机器间以及移动网络和机器之间的通信，它涵盖了所有实现人、机器、系统之间通信的技术；从狭义上说，M2M 仅仅指机器与机器之间的通信。智能化、交互式是M2M 有别于其它应用的典型特征， 这一特征下的机器也被赋予了更多的“智慧”。

4.6 信息中心网络

随着实时音频、高清视频等服务的日益激增，基于位置通信的传统TCP/IP 网络无法满足数据流量分发的要求，网络呈现出以信息为中心的发展趋势。信息中心网络（information-centric network，ICN）的思想最早是1979 年由Nelson 提出来的，后来被Baccala 强化。作为一种新型网络体系结构，ICN 的目标是取代现有的IP。ICN 所指的信息包括实时媒体流、网页服务、多媒体通信等，而信息中心网络就是这些片段信息的总集合。因此，ICN 的主要概念是信息的分发、查找和传递，不再是维护目标主机的可连通性。

4.7 大规模MIMO技术

大规模MIMO 技术是传统MIMO 技术的演进，它将天线数目提高到几十个甚至上百个。与传统MIMO 技术相比，大规模MIMO 技术具有更低的时延与更强抗干扰能力，且可以提高空间分辨率、系统容量和发射功率利用率。

4.8 全双工

全双工是5G 关键空中接口技术之一，它令终端设备可以在同一时间、同一频段发送和接收信号，达到比传统的TDD 或FDD 高一倍的频谱效率，同时减小端到端的传输时延和信令开销。

5 5G技术与仪器仪表

1）通过协作机器人和AR 智能眼镜提高工作效率，协作机器人需要不断交换分析数据以同步和协作自动化流程，智能眼镜使员工能够更快、更准确地完成工作。

2）通过基于状态的监控、机器学习，基于物理的数字仿真和数字孪生手段，准确预测未来的性能变化，从而优化维护计划并自动订购零件，减少停机时间和维护成本。

3）通过优化供应商内部和外部数据的可访问性和透明度，降低物流和库存成本。如果制造企业要充分利用工业物联网的机会，就需要实施涵盖供应链、生产车间和整个产品生命周期的端到端解决方案。

4）柔性制造和云化MES 作为工业制造行业的发展趋势，其对实时性、安全性、低时延等的要求非常高，而5G网络的能力可较好地满足工业自动控制与管理等业务的场景需求，实现大规模定制化生产及实时数据传输。此外，工厂内外的信息交互及大规模生产协同，也需要5G 提供大连接能力，将机械臂等设备连网，实现信息采集，集中调度。

5）随着通信技术的飞速发展与人工智能的高速崛起，5G 技术、人工智能也将改变现有传感器及传感器网络，使其变得更加快速高效智能。

6）依靠更高速率、更大连接、更低时延的特性，5G不仅解决人与人的通信问题，而且能实现人与物、物与物的万物互联。在5G 网络中，虚拟现实、增强现实、8K 高清视频，以及无人驾驶、远程医疗、智能家居等，将真正走向成熟应用。

随着5G 运用普及，仪器仪表行业或能迎来巨大的发展契机。例如，与仪器仪表行业直接关联性最大的是传感器，同时必不可少的是相应的芯片和器件都要通过高科技精准仪器检测后量产，还有网络的连通测试，也需要通信行业的精准仪器检测。另外，将会出现与5G 技术相应的仪器仪表新标准。

6 结束语

5G 信息技术是各国竞相角逐的前沿科技，中国5G 技术具有先进性和稳定性，5G 商用将带动中国整个科技产业发展。随着一项项5G 前沿成果在中国的转化，一个个生机勃勃的独角兽企业拔节壮大，5G 产业将成为中国正在崛起的新高地。

中国的仪器仪表行业，必须正确对待5G 的到来，发展智能化仪器仪表制造业思维创新是关键，企业家们应当努力地防止掉入“惯性思维”的陷阱。无论在理论上还是在实践中，推动行业的经济高质量发展的最大障碍，莫过于“惯性思维”。其关键之举，也莫过于告别“惯性思维”。