競爭正在開發(fā)下一代蜂窩技術，與之前的系統(tǒng)相比，重點關注物聯(lián)網(wǎng)中使用機器對機器（M2M）鏈路的工業(yè)網(wǎng)絡的需求（物聯(lián)網(wǎng)） ）。

將用于5G網(wǎng)絡的協(xié)議和技術仍在調查中，最終標準預計將在2016年底合并到2018年批準。已經完成了大部分先進工作，運營商預計到2020年將根據(jù)這些標準推出商業(yè)系統(tǒng)，并在2022年前實施全系統(tǒng);因此，積極的開發(fā)和實施期將影響物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)人員。這將從現(xiàn)有4G設計發(fā)展到現(xiàn)代芯片的智能手機和平板電腦開始。該調制解調器芯片將集成到模塊中，以便輕松添加到物聯(lián)網(wǎng)和M2M設計中。

5G系統(tǒng)開發(fā)的一個關鍵區(qū)別是網(wǎng)絡要求已經在技術標準之前得到了很好的確定。

圖1：5G標準，技術和網(wǎng)絡的發(fā)展具有攻擊性。來源：GSMA

5G網(wǎng)絡的要求是1到10 Gbit/s的實際數(shù)據(jù)速率，而不是理論峰值速率，加上1 ms的端到端延遲，這是一個物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員的關鍵優(yōu)勢。更廣泛的網(wǎng)絡必須支持當前小區(qū)的1000倍帶寬和同時連接的10到100倍的設備，這將再次允許物聯(lián)網(wǎng)中的更多連接設備。與3G和4G一樣，數(shù)據(jù)連接基本上是“始終開啟”而不是電路交換，因此支持多達100倍以上設備的能力至關重要，因為更多設備將同時連接到網(wǎng)絡。網(wǎng)絡應該具有99.999％的感知可用性，并且感知覆蓋率為100％，折衷范圍的數(shù)據(jù)速率，這也將有助于需要范圍但不需要數(shù)據(jù)的M2M實現(xiàn)。這有助于推出物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡，因為節(jié)點可以通過5G基站直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，而不必使用一系列需要更復雜的網(wǎng)絡規(guī)劃的網(wǎng)關或接口服務器。

另一個因素對于推出5G IoT網(wǎng)絡至關重要的是降低功耗的規(guī)范，因為要求無線調制解調器的電池壽命為10年或更長。這應該為更多電池供電的無線物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點提供機會，再次提供更容易的安裝。

頻段

然而，滿足這些要求將是一項挑戰(zhàn)。目標頻段的范圍從先前用于模擬廣播電視的頻段700 MHz到3.6 GHz頻段的新頻段。

2015年世界無線電大會（WRC-15）同意在3.4至3.6 GHz的C頻段內共同分配200 MHz頻譜，這被認為是向前邁出的積極一步，因此是以前未用于電信應用的新頻譜。 WRC-15還同意采用統(tǒng)一的L波段，其頻段為1427-1518 MHz，遠低于Wi-Fi，藍牙和ZigBee所使用的當前2.4 GHz頻段

同時700 MHz 694-790 MHz頻段從美國和亞洲使用擴展到全球分配。

這些不同的樂隊在5G中都有不同的用途。 700 MHz頻段被認為是人口密集的城市區(qū)域的流行，以便向更多用戶提供數(shù)據(jù)，而C頻段可能用于更高帶寬但更短的鏈路。

與3GPP版本9中定義的當前LTE頻段相比，它提供下載速率高達100 Mbit/s的HSPA +數(shù)據(jù)和50 Mbit/s的上傳速率（對物聯(lián)網(wǎng)更重要），更多對于大多數(shù)不需要高清視頻鏈接的M2M和物聯(lián)網(wǎng)應用來說已經足夠了。

這些最常用于全球M2M和物聯(lián)網(wǎng)應用的4G頻段分別為700/850 MHz和1700/1900 MHz，而不是2.6 GHz頻段。這些模塊由Multi-Tech Systems的MTSMC-H5-SP等模塊實現(xiàn)，包括回退到GPRS數(shù)據(jù)速率，以便始終建立連接。

圖2：Multi-Tech Systems的4G M2M模塊。

5G提案的某些部分已經留待2019年的下一屆世界無線電大會。這些將覆蓋更高的頻率。 GHz和高達50至60 GHz，可用于無線固定接入鏈路，以便將高帶寬數(shù)據(jù)從基站傳輸回核心網(wǎng)絡，而無需鋪設昂貴的光纖電纜，仍能滿足1 ms的往返延遲要求。這些5G固定接入收發(fā)器將使用氮化鎵（GaN）器件，如Cree的CGHV1F025S。這款25 W，40 V HEMT晶體管支持DC至15 GHz頻段，可在L，S，C，X和Ku頻段實現(xiàn)高效率，高增益和寬帶寬設計，完全符合5G要求。

采用3 mm x 4 mm，表面貼裝，雙扁平無引線（DFN）封裝的40 V電源軌工作，但在降低功耗的情況下，可在低于40 V至低至20 V VDD的電壓下工作同時保持高增益和高效率。

除了頻段外，還在開發(fā)不同頻段的信道模型。歐洲METIS和METIS-II工作組的八個組織一直致力于預期的5G頻譜的信道模型，其模型分別為2.3 GHz，2.6 GHz，5.25 GHz，26.4 GHz和58.68 GHz。

圖3：METIS和METIS-II歐洲項目正在開發(fā)適用于各種5G應用的通道模型。資料來源：METIS

延遲

5G的一個新考慮因素是能夠支持大規(guī)模機器網(wǎng)絡，其中包括各種不同的傳感器和無線連接的執(zhí)行器。

可以通過“毛細管網(wǎng)絡”添加新節(jié)點，而不是提供直接連接。這些將使用短距離無線技術，如Wi-Fi，藍牙或802.15.4 6LowPAN或ZigBee，以及連接到5G蜂窩網(wǎng)絡的網(wǎng)關節(jié)點。

用于交通控制，關鍵基礎設施等應用工業(yè)過程控制需要非常高的可靠性和可用性，但也需要非常低的延遲，并且引入必須在不同協(xié)議之間轉換數(shù)據(jù)的網(wǎng)關可以顯著增加延遲。

因此有很多研究使用毛細管網(wǎng)絡和網(wǎng)關時實現(xiàn)1 ms端到端延遲的不同方法。

圖4：不同的要求5G規(guī)范中的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡和時間關鍵網(wǎng)絡。來源：愛立信

容量

與使用稀疏碼多址（SCMA）方法的4G網(wǎng)絡相比，5G的當前技術提案可支持三倍的物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量。這是一種新的頻譜方案，它結合了現(xiàn)有的碼分CDMA和正交頻分OFDM方法。

使用SCMA，不同的輸入數(shù)據(jù)流直接映射到代碼字，每個代碼字代表擴展傳輸層，以便多個層共享OFDMA的相同時頻資源。用戶配對，功率共享，速率調整和調度算法都用于提高重負載網(wǎng)絡的下行吞吐量。

直接連接

5G規(guī)范還包括該功能用于無線M2M設備直接連接。這已被引入作為4G LTE標準的擴展，但5G旨在使這種對等通信顯著提高效率。這將用于節(jié)點之間的臨時鏈接，以及提供直接數(shù)據(jù)鏈接回5G智能手機，允許用戶直接詢問節(jié)點，而無需像今天實施藍牙一樣通過蜂窩網(wǎng)絡在一些工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中。

但是，這會引發(fā)安全問題，5G規(guī)范要求這些直接M2M鏈路受網(wǎng)絡控制以提供授權。這可能會增加無線網(wǎng)絡軟件的復雜性。

這些是世界上最大的學術性5G創(chuàng)新中心（5GIC）的重點關注領域，它匯集了英國四大移動運營商和來自24個國家的70名研究人員。公司。

英國吉爾福德薩里大學耗資7000萬英鎊的中心不僅關注2020年5G網(wǎng)絡的直接規(guī)范，還關注這些網(wǎng)絡將如何發(fā)展到2040年。作為這項研究的一部分，它已經證明移動鏈路上的數(shù)據(jù)速率超過1 Tbit/s，是5G規(guī)范的10倍。

該中心的合作伙伴計劃到2018年在該中心建立一個完整的5G系統(tǒng)使用當今的技術，包括也可用于物聯(lián)網(wǎng)的完整核心網(wǎng)絡。在此之前，標準也將在2016年底完成，以允許開發(fā)人員實施芯片和子系統(tǒng)設計。

結論

5G網(wǎng)絡的發(fā)展正在加速，為未來的物聯(lián)網(wǎng)和M2M網(wǎng)絡帶來顯著優(yōu)勢。通過諸如SCMA之類的頻譜方案，具有顯著更低延遲和更高容量的新頻帶直接針對需要可靠響應的大容量工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接網(wǎng)絡。憑借超低功耗和超長電池壽命，無線節(jié)點可輕松實施且經濟高效地部署，但直接連接等新功能將增加網(wǎng)絡軟件的復雜性。

隨著標準在2016年底結束，2018年的試驗網(wǎng)絡和到2020年的全面商業(yè)推廣，硅，板和模塊制造商將能夠為開發(fā)人員提供強大的新技術，以進一步推廣工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。