原创深度:5G基础设施让突破性新型应用成为可能

作者: M. Tim Jones

新的第五代(5G)无线基础设施不仅为新应用打开了大门,而且还将极大地改善当今针对4G和更早世代无线技术而存在的应用。借助5G网络的增强性能,通信将更加快速,并且随着延迟显著降低,无线通信的交互性也将得到改善。这对于消费者体验以及机器对机器(M2M)通信大有裨益。

5G将包括三类服务,它们都通过单一移动网络提供:

  • 增强型移动宽带(eMBB)人类访问的内容和服务
  • 大规模机器类通信(mMTC)对服务水平要求较宽松的低功率设备之间进行的数据交换
  • 超可靠低延迟通信(URLLC)对服务水平要求较严格的设备之间进行的数据交换

本文将探讨5G带来的增强如何改善现有应用,并为更多创新应用构建起平台。

5G无线与应用

5G通信是一种设备间通信手段,更是一种改进现有应用的真正的使能技术。让我们来探索一下5G无线网络对现有应用和新兴应用的意义。

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互联网使能

5G网络最早也是最大规模的实施将专注于为智能手机和平板电脑等消费设备带来互联网连接,但凭借其高速、低延迟无线连接的能力,5G还将作为家居(固定无线访问)的互联网接入通道出现在消费者眼前。波束成形(将信号聚焦成束,指向用户而不是向所有方向广播)等技术将改善用户信号的完整性,同时尽可能减少对其他用户的信号干扰。

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虚拟现实和增强现实

在虚拟现实(VR)中,头戴式设备构建了用户可以与之交互的合成(由计算机生成)世界。VR头戴式设备具有实时头部追踪功能,可以根据用户的控制来改变对这个世界的视角。增强现实(AR)并不构造合成世界,而是通过头戴式设备或智能手机将合成的物体叠加到用户所见的真实世界中。

这两种技术都将受益于5G网络先进的能力:5G的速度将会支持在远程云构建合成世界并传输(称为“云渲染”)到VR设备。借助5G低延迟通信,头部运动可以迅速得到响应,因而只需渲染用户当前的世界视野所需的内容。

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物联网

物联网(IoT)是指与日常物品(例如洗碗机、门铃)的互联网连接。5G可提供的速度和容量将促使新的物联网设备和服务呈现爆炸式增长,但这要等到成本降低后才能实现。这种扩张在一定程度上缘于5G网络能够连接到小范围内的大量设备(例如:一平方米区域内的一百万个端点设备)。5G可以支持与区域中大量设备通信的一种方式是通过所谓的多输入多输出(MIMO)。MIMO可能涉及增加基站的天线数量以扩展其网络容量;它也可以指使用多径传播在同一无线电信道上发送和接收多个数据信号。不管是哪种情况,这都意味着无需额外的无线电频谱便能与更多设备进行通信的更强大能力。

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自动驾驶汽车

自动驾驶汽车(AV)是无需人类参与即可巡航的汽车,例如无人驾驶汽车。当今的AV还只能在没有5G无线基础设施的情况下工作,但是借助速度更快、延迟更低的5G通信,新兴AV技术将有能力提供新的服务。这种改进的通信可以为司机和乘客提供一系列服务,包括娱乐(如视频、音乐)和宽带访问。通过集成的事故或交通拥堵情况更新,司机可得益于自动调整的导航和路线,也可获益于通过车辆到车辆(V2V)通信来优化交通流量,例如在车辆之间小范围地协调变道行为。

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监控

监控,或者基于视频和音频的活动或行为监视,将因5G技术而产生显著改变。如今,大多数监控解决方案都依赖互联网协议(IP)网络,通过Wi-Fi®连接到提供有限带宽的Internet服务提供商(ISP)。许多此类解决方案允许双向通信,但是这种通信可能会受制于非对称IP网络(即下载速度较快但上载速度较慢)。

5G网络提供的可用带宽将使高分辨率视频(例如1080p高清(HD)视频)能够流畅串流,这是第三代(3G)或第四代(4G)无线网络无法轻松支持的。

5G通信的速度还将支持云端实时人脸检测和识别。在捕获高分辨率视频帧时,摄像头将能够上传每一个帧到云端进行处理。这个过程还可以进一步优化,即通过在摄像头上执行面部检测,然后将检测到的人脸(每个给定人脸的框定区域)分发到云中互相独立的多个服务器。这个步骤将促进对5G基础设施更好的利用,这是因为发送到云端的图像将会更小,因此可以在接收时进行处理,将复杂的识别过程并行处理。

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智能城市

智能城市部署了各种类型的物联网传感器(包括计量表、控制器、照明设备、屏幕等),并且以一种有效管理城市及其资源的方式使用这些传感器所产生的数据,包括交通、电力、水、废物、犯罪和几乎所有可能在城市中产生数据的领域。例如,垃圾车收集可回收物时可以计算质量,预测出垃圾进入垃圾处理设施的流量,然后确定垃圾设施处理垃圾的能力。

智能城市的概念已经存在了十多年,但一直缺少一种与城市中存在的大量传感器进行有效通信的方法:例如,城市中在某个区域周围也许就分布有可以检测到洪水(包括深度和流量)的传感器。5G技术提供了一个平台,让所有这些传感器都可以通过该平台共存,并在传感器自身和中央云端基础设施之间进行通信。只有5G无线网络可以支持物联网传感器在整个城市的规模上产生和聚集的数据规模,其中管理这种弹性的处理需求集所必需的可伸缩处理能力由云计算提供。

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娱乐

4G网络的应用通常发生在向终端(例如电话或平板电脑)传送内容的过程中:如用户在设备上观看视频。实时传送的某些类型的数据(例如体育赛事或音乐会)会引起一些问题。即使许多用户正在流式传输相同的内容,网络也需要将其独立地传递给每个用户。多媒体广播/多播服务(MBMS)使用户可以共享通过一个流传递的内容,从而减少数据使用的带宽。这种功能已通过MBMS按需操作(MOOD)进行了扩展,当访问相同内容的设备数量超过定义的某个阈值时,便可以通过该功能动态地从单播切换到多播分发。随着通过5G网络传播的内容越来越多,MOOD将会使数字电视改头换面。

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云游戏

云游戏(又称游戏点播)让用户可以通过对等设备(如智能手机、计算机或智能电视)玩云端托管的游戏,其中游戏视频会以和其他视频串流相同的方式串流至对等设备。不久前由Google开发并发布的云游戏平台Stadia™可能会是5G功能的重要受益者。该平台通过对等设备(例如平板电脑)将游戏和视频渲染的高级计算放到云中进行,以流媒体方式传回游戏视频,同时将用户输入获取到云中以进行游戏控制。5G的高带宽和低延迟使其成为云游戏的理想选择。

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云存储

这种新型、快速5G渠道的另一项值得关注的应用即所谓存储即服务,其通过在云基础架构中采用弹性存储来扩展设备的存储功能。为设备配备基于云的存储可确保您的数据安全,而不必绑定到特定的设备,其最终结果就是不同设备之间的数据共享,以及通过基于云的数据保护来提高数据的可靠性和可用性。它还让用户得以建立自己的完整内容库,并且不会受制于某台终端设备的存储能力。5G网络可以提供支持这项应用所需的带宽和延迟。

总结

随着技术的发展,我们实现新事物的能力终会触碰到某些限制。于是,产品开发人员便尝试避开这些限制,以便所需的功能可以通过现有技术来实现。新的5G无线基础设施提供了平台和技术上的飞跃,大大提升了通信的限制,为各种产品和服务打开了新的前沿阵地。无论这些限制是由带宽、延迟还是密度造成的,5G网络都将成为新产品和消费者新体验的催化剂。5G技术还为物联网等混合计算环境提供了新的结构,其中的设备将继续依赖基于云的基础设施。

“作者:M.
作者:M. Tim Jones

M. Tim Jones是一位经验丰富的嵌入式固件架构师,拥有超过30年的架构师和开发经验,撰写过有关软件和固件开发的多本数据和多篇文章,其工程背景涵盖从地球同步航天器的内核开发到嵌入式系统的架构和协议开发等诸多领域。

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