涉及的主要技术包括以下几种:
1、传感器网络技术
传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。传感器网络是由各种各样的传感器节点所组成,用以进行信息的收集、传输和处理的网络系统。
作为物联网感知和获取数据信息的重要手段,传感器网络在物联网中发挥着极为重要的作用。无线传感器网络是一项通过无线通信技术把数以万计的传感器节点以自由式进行组织与结合进而形成的网络形式。
无线传感器网络主要由三大部分组成,包括节点、传感网络和用户这3部分。其中,节点一般是通过一定方式将节点覆盖在一定的范围,整个范围按照一定要求能够满足监测的范围;传感网络是最主要的部分,它是将所有的节点信息通过固定的渠道进行收集,然后对这些节点信息进行一定的分析计算,将分析后的结果汇总到一个基站,最后通过卫星通信传输到指定的用户端,从而实现无线传感的要求。
构成传感器节点的单元分别为:数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元以及能量供应单元。
(1) 数据采集单元,通常都是采集监测区域内的信息并加以转换,比如温湿度、光照度等;
(2) 数据传输单元则主要以无线通信和交流信息以及发送接收那些采集进来的数据信息为主;
(3) 数据处理单元通常处理的是全部节点的路由协议和管理任务以及定位装置等;能量供应单元为缩减传感器节点占据的面积,会选择微型电池的构成形式。
2、RFID技术
射频识别(Radio Frequency Identification, RFID),是一种利用无线电波进行信息交换与存储的技术,通过无线射频来对电子标签进行读写,以达到自动识别目标以及信息交换目的。
RFID系统通常由读写器、电子标签与数据管理系统组成,其工作原理一般是由读写器在一定范围内发送无线电射频信号,当电子标签接收到读写器所发射的无线电信号时,就会利用感应电流所获得的能量(无源RFID),或者主动发送无线电信号(有源RFID)将标签芯片内所存储的产品信息发送出去,读写器接收到电子标签所发射的信息并解码后,再将这些数据信息反馈至数据管理系统进行数据处理。
RFID系统主要由标签、阅读器和天线三部分组成。一般由阅读器收集到的数据信息传送到后台系统进行处理。
(1)标签:标签由耦合元件及芯片组成,每个电子标签都具有唯一的电子编码,附着在物体上标识目标对象;每个标签都有一个全球唯一的ID号码——UID(用户身份z明),其在制作标签芯片时存放在ROM中,无法修改,其对物联网的发展有着很重要的影响。
(2)阅读器:阅读器是读取或写入标签信息的设备,可设计为手持式或固定式等多种工作方式。对标签进行识别、读取和写入 *** 作,一般情况下会将收集到的数据信息传送到后台系统,由后台系统处理数据信息。
(3)天线:天线是用来在标签和阅读器之间传递射频信号。射频电路中的天线是联系阅读器和电子标签的桥梁,阅读器发送的射频信号能量,通过天线以电磁波的形式辐射到空间,当电子标签的天线进入该空间时,接收电磁波能量,但只能接收其很小的一部分。
3、嵌入式系统技术
嵌入式系统一般是用户针对特殊需求而定制的,能够被内部计算机控制的设备或系统。嵌入式系统往往结合了计算机技术、通信技术以及自动化技术,使得传统的机电产品智能化,并具有故障诊断、自动报警以及信息传输和远程控制等多种功能,用以实现产品使用与管理的信息化、智能化。
由于嵌入式系统体积小、功能强且成本较低等,使其广泛应用于智能家居、车联网等领域。嵌入式系统的核心由一个或多个微处理器或微控制器组成,这些微处理器或微控制器经过预编程以执行一些任务。嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的。嵌入式系统需要与应用紧密结合的,它具有很强的专用性,必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。用先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各行业的具体应用相结合的知识集成系统。
从应用角度可分为通用型嵌入式 *** 作系统和专用型嵌入式 *** 作系统。常见的通用型嵌入式 *** 作系统有Linux、VxWorks、Windows >雷达(Radar,即 radio detecting and ranging),意为无线电搜索和测距。它是运用各种无线电定位方法,探测、识别各种目标,测定目标坐标和其它情报的装置。在现代军事和生产中,雷达的作用越来越显示其重要性,特别是第二次世界大战,英国空军和纳粹德国空军的“不列颠”空战,使雷达的重要性显露的非常清楚。雷达由天线系统、发射装置、接收装置、防干扰设备、显示器、信号处理器、电源等组成。其中,天线是雷达实现大空域、多功能、多目标的技术关键之一;信号处理器是雷达具有多功能能力的核心组件之一。
雷达种类很多,可按多种方法分类:
(1)按定位方法可分为:有源雷达、半有源雷达和无源雷达。
(2)按装设地点可分为;地面雷达、舰载雷达、航空雷达、卫星雷达等。
(3)按辐射种类可分为:脉冲雷达和连续波雷达。
(4)按工作被长波段可分:米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和其它波段雷达。
(5)按用途可分为:目标探测雷达、侦察雷达、武器控制雷达、飞行保障雷达、气象雷达、导航雷达等。物流管理系统包括的内容很多,包括仓储、运输等,而RFID在物流中的应用主要是在仓储环节使用RFID标签来带动日常管理,可方便仓储管理的出入库以及库内的盘点、转储、转存等 *** 作,提高效率。
其实物流作为物联网应用的一大领域,其对物流管理以及物联网产业的发展均具有良好的成效。而物联网也不仅仅是RFID一种技术实现方式,像运输过程中采用的GPS定位系统也属于此范畴。
物联网作为下一个万亿级产业,其目前已上升为国家战略,成为国家新兴战略产业,随着信息技术在各行各业的应用也必将带动物联网产业的迅速发展。
目前市场上的室内定位产品都是基于无线通信技术的,室内定位常用的定位方案,从技术上来说,主要分为WiFi定位技术、惯性导航技术、蓝牙技术、RFID技术、红外技术、超声波技术、超宽带技术、LED可见光技术。且已广泛的应用在室内导航、移动支付、店内导购、人流分析、物品跟踪等等所有与人在室内流动相关的活动之中。
室内定位技术众多,各种技术都有自己的局限性,彼此间又在一定程度上存在互相竞争。作为用户,肯定是更倾向于选择满足定位精度的同时,整体方案实施难度更小,成本更可控的室内定位方案。要怎么选择适合的室内定位方案呢?在这里,小编就来分享两点,希望看到的室内定位工程师们能够迅速掌握室内定位方案选择技巧。
从定位精度看:从室内定位方案对比图中,我们可以很清楚的看到各个定位方案的定位精度是有差别的,如果您的实际应用中,需要达到厘米级定位精度,显然,超宽带UWB室内定位方案更能满足需求;如果实际应用中,定位精度只要达到米级即可,就可以选择蓝牙室内定位方案。
从实际应用看:以蓝牙室内定位方案为例,基于蓝牙技术室内定位方案可分为蓝牙信标方案和蓝牙网关方案,怎么选择?很简单,您实际应用中是要实现定位功能,还是导航功能。蓝牙信标方案(VG01/VG02)也就是我们常说的终端侧定位方案,需要依靠手机才能够知道位置,属于主动定位,能够实现室内环境内的导航服务;蓝牙网关方案(TD03/TD05/TD05A)也就是我们常说的网络测定位方案,旨在让别人知道所在的位置,属于被动定位,在很大程度上能够满足室内资产的定位需求。
1高速公路自动收费及交通管理高速公路自动收费系统是RFID技术最成功的应用之一。目前中国的高速公路发展非常快,地区经济发展的先决条件就是有便利的交通条件,而高速公路收费却存在一些问题,一是交通堵塞,收费站口,许多车辆要停车排队,成为交通瓶颈问题;二是少数不法的收费员贪污路费、使国家损失了相当的财政收入。RFID技术应用在高速公路自动收费上能够充分体现它非接触识别的优势。让车辆高速通过收费站的同时自动完成收费。同时可以解决收费员贪污路费及交通拥堵的问题。 一般来说对于公路收费系统、车辆的大小和形状不同、需要大约4米的读写距离和很快的读写速度、也就要求系统的频率应该在900M Hz和2500MHz。射频卡一般在车的挡风玻璃后面。现在最现实的方案是将多车道的收费口分两个部分:自动收费口、入工收费口。天线架设在道路的上方。在距收费口约50-100米处,当车辆经过天线时,车上的射频卡被头顶上的天线接收到,判别车辆是否带有有效的射频卡。读写器指示灯指示车辆进人不同车道,人工收费口仍维持现有的 *** 作方式,进入自动收费口的车辆,养路费款被自动从用户帐户上扣除,且用指示灯及蜂鸣器告诉司机收费是否完成,不用停车就可通过,挡车器将拦下恶意闯入的车辆。
1996年、佛山市政府安装了RFID系统用于自动收取路桥费以提高车辆通过率,缓解公路瓶颈。车辆可以在250公里的时速下用少于05毫秒的时间被识别, 并且正确率达9995%。上海也安装了基于RFID的自动收聚养路费系统。另外两个安装在广州的与上海和佛山的工程不同,广州的工程尝试在开放的高速公路上对正在高速行驶的车辆进行自动收费,通道采用RFID系统。中国有把握改善其公路基础设施, 而现在最大的问题是应用于高速公路收取养路费的RFID技术没有统-的标准。各个厂家使用自己的专用标准、使得建立全国高速公路自动收费系统时, 情况变得很混乱。
在城市交通方面, 交通的状况日趋拥挤, 解决交通问题不能只依赖于修路、加强交通的指挥、控制、疏导,提高道路的利用率,深挖现有交通潜能也是非常重要的。而基于RFID技术的实时交通督导和最佳路线电子地图很快将成为现实。用RFID技术实时跟踪车辆,通过交通控制中心的网络在各个路段向司机报告交通状况,指挥车辆绕开堵塞路段,并用电子地图实时显示交通状况。能够使得交通流向均匀,大大提高道路利用率。还可用于车辆特权控制,在信号灯处给警车、应急车辆、公共汽车等行驶特权;自动查处违章车辆,记录违章情况。另外、公共汽车站实时跟踪指示公共汽车到站时间及自动显示乘客信息,给乘客很大的方便。用RFID技术能使交通的指挥自动化、法制化,有助于改善交通状况。
2门禁保安
将来的门禁保安系统均可应用射频卡,一卡可以多用,比如作工作z、出入证、停车卡、饭店住宿卡甚至旅游护照等等,目的都是识别人员身份、安全管理、收费等等。好处是简化出人手续、提高工作效率、安全保护。只要人员佩戴了封装成ID卡大小的射频卡、进出入口有一台读写器,人员出入时自动识别身份,非法闯人会有报警。安全级别要求高的地方、还可以结合其它的识别方式,将指纹、掌纹或颜面特征存入射频卡。1996夏季奥林匹克运动会的安全机构采用射频卡结合生物测定学技术作为保安系统中的一种,运动员和官方人员随身携带含有自己手掌信息的射频卡,当他们在要进入某一安全区的,必需将其右手搁在扫描器上,只有该人同系统根据其手信息在安全库中检索出的三维图象一样,并且同其本人所携带的卡片上信息一致方可进入该区域,由于卡和携卡人是唯一联系的, 所以只有卡主人才可使用自己的卡。 而卡丢失、偷卡和借卡使用都构不成对安全的威胁。
公司还可以用射频卡保护和跟踪财产。将射频卡贴在物品上面如:计算机、传真机、文件、复印机或其它实验室用品上,该射频卡使得公司可以自动跟踪管理这些有价值的财产,可以跟踪一个物品从某一建筑离开,或是用报警的方式限制物品离开某地。 结合GPS系统利用射频卡,还可以对货柜车、货舱等进行有效跟踪。
3RFID卡收费
国外的各种交易大多利用各种卡来完成,而在我国普遍采用现金交易,现金交易不方便也不安全,还容易出现税收的漏洞、目前的收费卡多用磁卡、IC卡,而射频卡也开始抢占市场,原因是在一些恶劣的环境中、磁卡、IC卡容易损坏、而射频卡则不易磨损、也不怕静电及其它情况。同时射频卡用起来很方便、快捷。甚至不用打开包、在读写器前摇晃一下,就完成收费。还可以同时识别几张卡.并行收费。比如公共汽车上的电子月票.我国大城市的公共汽车异常拥挤、人员素质差、环境条件差,一般在国外还较有效的收费系统在国内就无法使用。射频卡的使用有助于改善这个情况。
又比如会员制收费卡、职工就餐卡、商店收费、电话卡、储蓄卡等等均可使用射频卡。射频卡上有内存分区,不同区域有不同的安全级别、可以在各种的应用中使用,互不干扰,而未来的发展必将各种卡的应用统一到一张卡上,个人手持一张卡就可以各处使用。
4生产线自动化
用RFID技术在生产流水线上实现自动控制、监视,提高生产率,改进生产方式、节约了成本,举两个例子以说明在生产线上应用RFID技术的情况。
用于汽车装配流水线。德国宝马汽车公司在装配流水线上应用射频卡以尽可能大量地生产用户定制的汽车。宝马汽车的生产是基于用户提出的要求式样而生产的:用户可以从上万种内部和外部选项中选定自己所需车的颜色、引擎型号还有轮胎式样等要求,这样一来,汽车装配流水线上就得装配上百种式样的宝马汽车、 如果没有一个高度组织的、 复杂的控制系统是很难完成这样复杂的任务的。宝马公司就在其装配流水线上配有RFID系统,他们使用可重复使用的射频卡,该射频卡上可带有详细的汽车所需的所有要求,在每个工作点处都有读写器,这样可以保证汽车在各个流水线位置处能毫不出错地完成装配任务。
Motorola、SGSThomson等集成电路制造商在竞争激烈的半导体工业中采用了加入了射频识别技术的自动识别工序控制系统。半导体生产对于超净的特殊需要,使得RFID应用在此非常理想,而其它自动识别系统,如条形码在如此苛刻的化学条件和超净要求下就不适用。
晶片是集成电路生产的关键。一片8英寸的晶片可以制造出100~1000个芯片。假如每片芯片零售价为$100,那么一片晶片上所包含的芯片价值至少就是$10000。一个晶片容器可装25个晶片,四个晶片容器可同时进行处理、那么一次误 *** 作造成的损失就达$1000000。 显然,跟踪每个晶片容器并消除误 *** 作是非常必要的。
在一个超净车间里、通常能有800位点.晶片容器要从一处位点移动到下-一位点。有时,晶片会因进入了错误的堆而造成损失。射频识别系统将核查晶片堆、设备、工序和 *** 作人员。如果其中任何一项的身份不对,设备将不能开始工作,同时向 *** 作人员显示指示。
5仓储管理
将RFID系统用于智能仓库货物管理,RFID完全有效地解决了仓库里与货物流动有关的信息的管理,它不但增加了一天内处理货物的件数还监看着这些货物的一切信息,射频卡是贴在货物所通过的仓库大门边上,读写器和天线都放在叉车上、每个货物都贴有条码、所有条码信息都被存储在仓库的中心计算机里、该货物的有关信息都能在计算机里查到。当货物被装走运往别地时,由另一读写器识别并告知计算中心它被放在哪个拖车上。这样管理中心可以实时地了解到已经生产了多少产品和发送了多少产品,并可自动识别货物,确定货物的位置。
6汽车防盗
这是RFID较新的应用。由于已经开发了足够小的射频卡、能够封装到汽车钥匙当中含有特定码字的射频卡,在汽车上装有读写器。当钥匙插入到点火器中时,读写器能够辨别钥匙的身份。如果读写器接收不到射频卡发送来的,特定信号、汽车的引擎将不会发动。用这种电子验证的方法、汽车的中央计算机也就能容易的防止短路点火。目前欧洲的丰田汽车、福特汽车和Mitsubishi汽车公司、韩国汽车制造商 Hyundai等在它的欧洲车型中也应用射频卡在欧洲和美国出售的汽车中用于防盗。目前全世界已经有大约数百万辆汽车装有该防盗系统。
另一种汽车防盗系统。司机自己带有一射频卡,其发射范围是在司机座椅45~55厘米以内。读写器安装在座椅的背部。当读写器读取到有效的ID号时,系统发出三身呜叫,然后汽车引擎才能启动。该防盗系统还有令一强大功能。倘若司机离开汽车并且车门敞开引擎也没有关闭的话,这时读写器就需要读取另一有效ID号,假如司机将该射频卡带离汽车,这样读写器不能读到有效ID号、则引擎会自动关闭同时会触发报警装置。同样这种射频卡也可用于家庭和办公室的防盗。
射频卡可应用于寻找丢失的汽车。在城市的各主要街道路线处埋设RFID的天线系统,只要车辆带有射频卡,则在路过任何天线读写器时、该汽车的ID号和当时时间都将会被自动记录,并被返回到城市交通管理中心的计算机中,除了城市街道埋设天线外,警察还开动若干辆带有读写器的流动巡逻车,以更加方便地监测车辆的行踪。如果车辆被盗,就将很方便快捷地被找回,在巴西的圣#middot;保罗市已经使用这样的系统。
7防伪
伪造问题在世界各地都是令人头疼的问题,在中国大量伪造产品充斥市场将会沉重打击民族工业。现在应用的防伪技术如全息防伪等技术同样也被不法分子伪造。
将射频识别技术应用在防伪的领域有它自身的技术优势。防伪技术本身要求成本低,但是却很难伪造。射频卡的成本就相对便宜,而芯片的制造需要有昂贵的芯片工厂,使伪造者望而却步。射频卡本身具有内存, 可以储存、修改与产品有关的数据、利于销售商使用; 体积十分小、便于产品封装。象电脑、激光打印机、电视等等产品上都可使用。
建立严格的产品销售渠道是防伪问题的关键。利用射频识别技术、厂家、批发商、零售商之间可以使用唯一的产品号来标识产品的身份。生产过程中在每样产品上封装入射频卡,卡上记载了唯一的产品号。批发商、零售商用厂家提供的读写器就可以严格检验产品的合法性。
利用这种技术不能改变现行的数据管理体制。唯一的产品标识号完全可以做到与已用数据库体系兼容。
有关防伪的应用请参考《中国防伪》2000年6月号46页〈加拿大射频识别防伪及应用〉。
8电子物品监视系统
(Electronic Article Surveillance, EAS) 这系统的目的是防止商品盗窃。 系统是基本配置的RFID、内存容量仅为1比特,即开或关。 它是基于从1930年就已知道的磁性物质的特性,有四种主要技术:微波、磁场、声磁、射频。系统包括贴在物体上的射频卡,和商店出口处的扫描器,射频卡在安装时被激活,它在激活状态时接近扫描器将会被探测到,这样就会报警。货物购买之后,射频卡由销售人员用专用工具拆除(典型的是在衣服店里),或者射频卡可以用磁场来使其失效或破坏射频卡本身的电特性。EAS系统已被广泛的使用。据估计每年消耗六十亿套。
9畜牧管理
这个领域的发展起步于赛马的识别,是用小玻璃封装的射频卡植于动物皮下,提供赛马的识别。射频卡大约10MM长,内有一个线圈,约1000圈的细线绕在铁氧体上,读写距离是十几个厘米。从赛马发展到了标识牲畜。牲畜的识别提供了现代化管理牧场的方法。
10火车和货运集装箱的识别
在火车运营中使用RFID系统有个很大的优势在于火车是按既定路线运行。所以肯定要通过设定的读写器的地点。通过读到的数据,能够得到火车的身份、监控火车的完整性,以防止遗漏在铁轨上的车厢发生撞车事故,同时在车站能将车厢重新编组。起初的努力是用超音波和雷达测距系统读出车厢侧的条码,现在被RFID系统取代,射频卡一般安在车厢顶边,读写器安在铁路沿线,就可得到火车的实时信息及车厢内装的物品信息。
11运动计时
在马拉松比赛中,由于马拉松比赛人员太多,有时第一个出发的同最后一个出发的人离开起跑线能相隔40分钟、如果没有一个精确的计时装置会造成不公平的竞争。射频卡应用于马拉松比赛的精确计时。运动员在自己的鞋带上很方便地系上射频卡,在比赛的起跑线和终点线处放置带有微型天线的小垫片,当运动员越过此垫片时,计时系统接收运动员所带的射频卡发出的ID号,并记录当时的时间。这样每个运动员都有自己的起始和结束时间,不带有不公平的竞争可能性了。在比赛路线的中如果每隔5公里就设置这样的垫片,也可以很方便地记录运动员的阶段跑所用时间。 该装置用于1995年以来各大型的马拉松比赛,有1995的柏林马拉松、1996的洛山玑马拉松、1996伦敦马拉松、1996的柏林马拉松、1996亚特兰大夏季奥林匹克奥运会马拉松比赛等。
RFID还可应用于汽车大奖赛上的精确计时。读写器连接到跑道下面一系列的天线,射频卡安装到车前、就在天线的上方。当赛车越过起跑线时,赛车的ID号和时间被计时记录,并存储到中心计算机内,这样到比赛结束时,每个参赛选手将会有一个满意的结果。1、射频识别室内定位技术
射频识别室内定位技术作用距离很近,但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,由于电磁场非视距等优点,传输范围大,而且标识的体积小,造价比较低。但其不具有通信能力,抗干扰能力较差,不便于整合到其他系统之中,且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。
2、Wi-Fi室内定位技术
Wi-Fi定位技术有两种,一是通过移动设备和三个无线网络接入点的无线信号强度,通过差分算法,来比较精准地进行三角定位。二是事先记录巨量的确定位置点的信号强度,通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库,来确定位置。
3、地磁定位技术
非均匀的磁场环境会因其路径不同产生不同的磁场观测结果。而这种被称为IndoorAtlas的定位技术,正是利用地磁在室内的这种变化进行室内导航,并且导航精度已经可以达到01米到2米。
4、超声波定位技术
超声波定位技术通过在室内安装多个超声波扬声器,发出能被终端麦克风检测到的超声信号。通过不同声波的到达时间差,推测出终端的位置。
5、红外线定位技术
红外线室内定位技术定位的原理是,红外线标识发射调制的红外射线,通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度,但是由于光线不能穿过障碍物,只适合短距离传播,而且容易被其它光线干扰,在精确定位上有局限性。
6、蓝牙定位技术
蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术,在室内安装适当的蓝牙局域网接入点,把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式,并保证蓝牙局域网接入点始终是这个网络的主设备,就可以获得用户的位置信息。
7、北斗卫星定位技术
北斗卫星定位是中国自主研发的,利用地球同步卫星为用户提供全天候、区域性的卫星定位系统。它能快速确定目标或者用户所处地理位置,向用户及主管部门提供导航信息。
8、基站定位技术
基站定位一般应用于手机用户,手机基站定位服务又叫做移动位置服务(LBS)。它是通过电信移动运营商的网络获取移动终端用户的位置信息,在电子地图平台的支持下,为用户提供相应服务的一种增值业务。
除了以上提及的,目前来看定位技术的种类有几十甚至上百种,而每种定位技术都有自己的优缺点和适合的应用场景。到底哪种技术会最终胜出,现在还不得而知,有待产业链同仁的努力和时间的检验。
5G到底是什么?
5G的全称是第五代移动通信技术(5th generation mobile networks),
1G(语音通话):第一代(1G)于20世纪70年代末推出,80年代初投入使用。1G网络是利用模拟信号使用类似AMPS和TACS等标准在分布式基站(托管在基站塔上)网络之间“传递”蜂窝用户。
2G(消息传递):在20世纪90年代,2G移动网络催生出第一批数字加密电信,提高了语音质量、数据安全性和数据容量,同时通过使用GSM标准的电路交换来提供有限的数据能力。
3G(有限数据:多媒体、文本、互联网):20世纪90年代末和21世纪初,3G网络通过完全过渡到数据分组交换,引入了具有更快数据传输速度的3G网络,其中一些语音电路交换已经是2G的标准,这使得数据流成为可能,并在2003年推出了第一个商业3G服务,包括移动互联网接入、固定无线接入和视频通话。
4G和LTE(真实数据:动态信息接入,可变设备):4G充分利用全IP组网,并完全依赖分组交换,数据传输速度是3G的10倍。由于4G网络的大带宽优势和极快的网络速度提高了视频数据的质量。LTE网络的普及为移动设备和数据传输设定了通信标准。
而5G相比于4G则增加了高速率、泛在网、低功耗、低时延的特点,从而具备超大网络容量,提供千亿设备的连接能力,满足物联网通信。目前,5G时代定义了以下三大应用场景:
eMBB:增强移动宽带,顾名思义是针对的是大流量移动宽带业务;
URLLC:超高可靠超低时延通信,例如无人驾驶等业务(3G响应为500ms,4G为50ms,5G要求05ms);
mMTC:大连接物联网,针对大规模物联网业务;
而5G标准则被分成了分成了R15、R16两大阶段,其中R15又分为三部分,R15 NR NSA(新空口非独立组网)标准2017年12月完成,R15 NR SA(新空口独立组网)标准2018年6月完成,后边的5G Late Drop于今年6月份冻结,而R16标准完成时间则要到2020年6月,到那个时候,5G所有标准才算完成。R15标准主要是5G组网方式,而R16主要是面向智慧工厂、无人驾驶等垂直领域应用。
如今完成的R15阶段的NSA和SA一直被人所广泛热议。
为什么会有NSA也就是非独立组网出现呢?不同于以往2G/3G/4G整体演进,5G时代核心网、基站被分开了,所以就多出了多种组合方式。R15 Late Drop标准也是为 NSA 增加了更多的组合方式,可以令移动运营商可以更便捷部署5G网络,主要是增加NSA非独立组网模式,转换为5G作为核心网,增加了5G基站为主,4G基站为辅;或者4G基站为主,5G基站为辅两种状况。此外还支持NR-NR双连接,意思就是手机同时连接到两个不同频段上,低频作为覆盖层,高频充当扩容层,既保证了信号覆盖又能提高传输速率。
目前商用的5G手机中只有华为手机支持SA组网,SA组网是未来发展趋势,但并不代表NSA是假5G,目前中国运营商很多都是用的NSA,5G的发展是由NSA向SA过渡的。明年所有手机都会支持NSA/SA,建议大家明年再买!
5G两大方案:Sub-6G和毫米波
5G的建设方式有独立组网和非独立组网两种,那你想要建设什么样的5G,其实也有两种,也就是我们说的5G两大方案:Sub-6G和毫米波。
这两种方案是根据5G所使用的不同频谱来划分的,频谱是频率谱密度的简称,手机通讯信号传输都是通过一定频率传输的。
根据2017年12月发布的 V1500版TS 38104规范,5G NR的频率范围分别定义为不同的FR:FR1与FR2。第一种(FR1)的重心放在6GHz以下的电磁(EM)频谱上(“低到中频段频谱”,也称为“Sub-6”),主要在3GHz 和4 GHz频段。第二种FR2侧重于24~300GHz之间的频段(“高频频谱”或“毫米波”)。
5G NR的频段号以“n”开头,与LTE的频段号以“B”开头不同。目前3GPP指定的5G NR频段如下:
① FR1(Sub-6GHz)范围内:
② FR2(毫米波)范围内:
波长较短的毫米波会产生较窄的波束,从而为数据传输提供更好的分辨率和安全性,且速度快、数据量大,时延小。其次,有更多的毫米波带宽可用,不仅提高了数据传输速度,还避免了低频段存在的拥堵(在研究毫米波频率应用在5G之前,该频段的主要运用在雷达和卫星业务)。5G毫米波生态系统需要大规模的基础建设,但可以获得比4G LTE网络高20倍的数据传输速度。
高通在MWC的展示中,通过运用毫米波技术,达到了463Gbps的网络传输速率,这是一个在4G时代无法想象的快速。
但受制于无线电波的物理特性,毫米波的短波长和窄光束特性让信号分辨率、传输安全性以及传输速度得以增强,但传输距离大大缩减。
根据谷歌对于相同范围内、相同基站数量的5G覆盖测试显示,采用毫米波部署的5G网络,100Mbps速率的可以覆盖116%的人口,在1Gbps的速率下可以覆盖39%的人口;而采用Sub-6频段的5G网络,100Mbps速率的网络可以覆盖574%的人口,在1Gbps的速率下可以覆盖212%的人口。
谷歌测试结果对比,上为毫米波覆盖,下为Sub-6覆盖
可以看到,在Sub-6下运营的5G网络覆盖率是毫米波5倍以上。而且建设毫米波基站,需要大约在电线杆上安装1300万个,将花费4000亿美元,如此才能保证28GHz频段下以每秒100 Mbps速度达到72%的覆盖率、每秒1Gbps的速度达到大约55%的覆盖率。而Sub-6只需要在原有4G基站上加装5G基站即可,大大节省了部署成本。
目前因为美国政府尤其是军方将大量3-4GHz范围内的频段用于军用通信和国防通讯,迫使美国只能选择押注毫米波。
中国选择押注Sub-6G,按3GPP关于5G的频谱范围规范,联通、电信舍弃了之前的频谱资源,换来了目前产业成熟度最高的35GHz资源(3400MHz-3500Mhz分配给中国电信,3500MHz-3600MHz分配给中国联通);移动则在26GHz频段和49GHz频段上持续深耕。
另外,中国虽然押注Sub-6G,但是并没有放弃对毫米波的探索,充分贯彻了鸡蛋不放在一个篮子里的理念。
中美5G建设状况
刚才我们说道,美国5G毫米波存在缺陷,所以目前Sub-6G中的3Ghz和4Ghz之间的频谱波段主导了全球的5G活动,因为相比于毫米波频谱,3Ghz和4Ghz的传播范围得到了改善,能用更少的基站数量提供相同的覆盖范围和性能。
而中国也成为了全球5G的领先者,并且有望成为5G全球经济的领导者,构建5G全球标准:
中国计划部署第一个广泛使用的5G网络,其首批Sub-6网络服务将于2020年投入使用。先发优势可能会推动智能手机和电信设备供应商以及国内半导体和系统供应商的市场大幅增长。因此,中国的互联网公司将为其国内市场开发基于5G速度和低延迟性能的服务和应用程序。随着5G在全球以类似的频段部署,中国的智能手机和互联网应用及服务很可能占据主导地位,即便它们被美国市场排除在外。中国在5G领域的发展,将重现美国在4G领域的辉煌。
在海外,中国一直在与国家和外国公司保持合作,以扩大其5G的影响力。在欧洲,尽管美国官员要求盟友阻止中国公司,华为和中兴仍然正在为个别国家的5G网络提供建设的服务,并签署了多项5G合同。此外,中国在“一带一路”计划中投入了大量时间和资源,包括推动中国建设的网络基础设施,以提供跨越整个路线的连通性。这一策略已经取得了一些成功:在2018年第三季度,华为在全球通信设备市场占有28%的份额,比2015年上升了4个百分点。随着更多地区的5G网络依赖中国通信设备推出,预计华为的市场份额将继续增长。这些努力将使中国能够推广其首选的5G网络标准和规范,并将在未来主导全球的5G产品市场。
而美国还在思考如何完全解决毫米波的缺陷,目前美国试图通过大规模MIMO和波束赋型改善毫米波的传播效率。
大规模MIMO是一种天线阵列,它将极大地扩展设备连接数和数据吞吐量,并将使基站能够容纳更多用户的信号,并显著提高网络的容量(假设存在多个用户射频路径)。波束赋型是一种识别特定用户的技术,该技术可以最有效的把数据传递给特定用户并减少附近用户的干扰。虽然这些技术可以改善毫米波的传播效率,但是在更大范围内保持连接稳定仍然存在挑战。在将毫米波作为一种更通用的无线网络解决方案部署之前,还需要投入大量的时间和研发成本来解决毫米波的传播特性问题。
除此之外,美国还在思考是否要转投Sub-6G方案,跟着中国走。
加速在美国进行5G 6 Sub-6 GHz的部署。向复杂的多频段收发器添加新频段大约需要两年时间,美国将能够通过利用市场上已有的子组件和设备来实现更成熟的频谱使用,例如使用现有的高通产品来实现中国5G系统使用的频段,从而避免花费额外的时间来弥补追赶这两年在5G研究上的落后。
然而即使通过共享频谱的方式,也需要花费5年:
想要允许Sub-6频段的商用,可以重新规划政府的频段或者共享这些频段,但这两个方式的时间都相对过长。清除频谱占用(将现有的用户和系统迁移到频谱的其他部分),然后通过拍卖、直接分配或其他方法将其释放到民用部门所花费的平均时间通常在10年以上。共享频谱是一个稍微快一点的过程,因为它不需要对现有的用户进行彻底的改革,但即使是这样,也要花费5年以上的时间。
可以说目前美国已经陷入了5G的困局之中,而中国在5G的发展上正走得十分稳健。工信部近日表示,目前各地所推进的基本上为非独立组网的5G网络,预计明年我国正式大规模投入建设独立组网的5G网络。
中国信息通信研究院的《5G产业经济贡献》认为,预计2020至2025年,我国5G商用直接带动的经济总产出达106万亿元,间接拉动的经济总产出约248万亿元,5G将直接创造超过300万个就业岗位。
最为重要的是,中国将可能成为全球5G的领导者,重现美国在4G时代的全球经济主导权。
数据来源:美国国防部国防创新委员会发布了《5G生态系统:对美国国防部的风险与机遇》(《THE 5G ECOSYSTEM: RISKS & OPPORTUNITIES FOR DoD》)报告
第五代移动通信技术(英语:5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation,简称5G或5G技术)是最新一代蜂窝移动通信技术,也是继4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系统之后的延伸。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)[1]。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。2019年10月31日,三大运营商公布5G商用套餐,并于11月1日正式上线5G商用套餐。[2]
近年来,第五代移动通信系统5G已经成为通信业和学术界探讨的热点。5G的发展主要有两个驱动力。一方面以长期演进技术为代表的第四代移动通信系统4G已全面商用,对下一代技术的讨论提上日程;另一方面,移动数据的需求爆炸式增长,现有移动通信系统难以满足未来需求,急需研发新一代5G系统[1] 。
5G的发展也来自于对移动数据日益增长的需求。随着移动互联网的发展,越来越多的设备接入到移动网络中,新的服务和应用层出不穷,全球移动宽带用户在2018年有望达到90亿,到2020年,预计移动通信网络的容量需要在当前的网络容量上增长1000倍。移动数据流量的暴涨将给网络带来严峻的挑战。首先,如果按照当前移动通信网络发展,容量难以支持千倍流量的增长,网络能耗和比特成本难以承受;其次,流量增长必然带来对频谱的进一步需求,而移动通信频谱稀缺,可用频谱呈大跨度、碎片化分布,难以实现频谱的高效使用;此外,要提升网络容量,必须智能高效利用网络资源,例如针对业务和用户的个性进行智能优化,但这方面的能力不足;最后,未来网络必然是一个多网并存的异构移动网络,要提升网络容量,必须解决高效管理各个网络,简化互 *** 作,增强用户体验的问题。为了解决上述挑战,满足日益增长的移动流量需求,亟需发展新一代5G移动通信网络[1] 。
基本概念
5G移动网络与早期的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[3] 。
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1毫秒,而4G为30-70毫秒。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[3] 。
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