5G通信系統應用場景與消費物聯網、工業物聯網應用場景綜合分析
一、5G通信系統應用場景
5G的到來意味着什麼？高速率(增強型移動寬帶，eMBB)、大容量(大規模機器通信，mMTC)、低時延(高可靠低時延通信，URLLC)是5G網絡的基礎特性，並可實現在每平方公里內百萬級設備的接入，同時傳輸延時上有巨大的技術突破，能成功做到“毫秒級的延時”。正因此，5G將大大加速各類智能技術新應用的落地，開啓移動通信發展的新時代，促成一種全移動、全連接社會的構建。
回顧移動通信的發展歷程，每一代移動通信系統都可以通過標誌性能力指標和核心關鍵技術來定義，其中，1G只能提供模擬語音業務；2G可提供數字語音和低速數據業務；3G用戶峯值速率達到2Mbps至數10Mbps，可以支持多媒體數據業務；4G能夠支持各種移動寬帶數據業務。而5G的高連接速率、大容量高密度和低時延構成其最基本的三個性能指標。
從5G的這些關鍵能力中，可以預見5G使得萬物互聯或將成爲現實，智慧城市、智能家居、車聯網、自動駕駛、VR、AR等應用場景得到網絡環境支持，給人們生活乃至各行業帶來影響，推進業務升級。技術的關鍵能力往往決定着其應用的範圍。在國際電信聯盟（ITU）制定的5G標準（IMT-2020）中，即從5G的這三大關鍵性指標爲依據，劃分了5G未來的應用場景。
其中增強型移動寬帶，就是以人爲中心的應用場景，集中表現爲超高的傳輸數據速率，廣覆蓋下的移動性保證等。簡而言之，5G的這一項關鍵能力最強勁的服務於人與人和人與物的連接，移動通訊和社交場景將成爲主要應用的陣地。4G時代，讓用戶在移動端觀看視頻、消費文娛內容成爲習慣。而增強移動寬帶的5G時代，很可能再次顛覆以往的內容創造模式、社交互動方式與產業生態。4K高清電視、VR、AR、3D視頻、雲化的辦公等場景，也就正迫切地期待着5G在這個層面的連接帶來的改變。
在需求高可靠低時延連接的場景中，毫秒級的連接時延和高速移動（500KM/H）情況下的高可靠性（99.999%）連接，讓車聯網、工業物聯網、遠程醫療、智能製造等特殊應用更現實。有研究稱，車聯網市場潛力巨大，5G時代這塊蛋糕將達到6000億美元，而通信模塊在其中佔比超過10%，這些應用的安全性要求極高。
圖1 IMT-2020 5G業務模型
而大規模機器通信，也可理解爲海量的物聯。這使得5G強大的連接能力可以快速促進各垂直行業，如智慧城市、智能家居、環境監測等，與垂直領域深度融合。在萬物互聯的未來，人們的生活方式也將發生顛覆性的變化。這一場景下，數據速率較低且時延不敏感，連接覆蓋生活的方方面面，終端成本更低，電池壽命更長且可靠性更高。
綜合來看，與前幾代移動網絡相比，5G的關鍵能力突破使得應用場景的豐富性上也將有飛躍發展。此外，5G爲移動運營商及其客戶提供了極具吸引力的商業模式。爲了支撐這些商業模式，未來網絡必須能夠針對不同服務等級和性能要求，高效地提供各種新服務。有研究機構總結了5G時代最具市場潛力的十大應用場景，也無外乎是由於5G在移動通訊上的關鍵能力所解決的連接速率和質量的所帶來的改變。
圖2 5G時代最具市場潛力的十大場景
二、5G通信系統與消費物聯網
物聯網（Internet of Things，IoT），是互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能行使獨立功能的普通物體實現互聯互通的網絡。在物聯網上，每個人都可以應用電子標籤將真實的物體上網聯結，在物聯網上都可以查出它們的具體位置。通過物聯網可以用中心計算機對機器、設備、人員進行集中管理、控制。目前，物聯網中的大部分投資和應用集中於產業物聯網，其中包括製造業、物流業、醫療保健業、農業、汽車工業等行業。消費物聯網(CIoT)則是消費應用類中的物聯網，是我們平常最常接觸到的程序、用例和設備集合的統稱。據研究公司稱，智能家居是消費物聯網用例最主要的消費級產品。
對於消費物聯網來說，最大的問題還在於體驗，目前智能終端數量太少，很難體驗到智能家居的優勢，根據報告，2018年平均每個中國家庭智能家居設備數量僅爲0.9臺，2022年預計可達2.8臺，到2025年則有望達到6.8臺。
5G的到來，可以說給物聯網“插上了翅膀”，特別是無人駕駛、遠程醫療、工業自動化這些對於網絡要求較高的應用形態來說，5G讓這些有望成爲現實。5G相比4G，具有更高的速率、更寬的帶寬、更高的可靠性、更低的時延等特徵，能夠滿足未來虛擬現實、超高清視頻、智能製造、自動駕駛等用戶和行業的應用需求。5G能夠靈活地支持各種不同的設備，此外，IPv6（Internet Protocol Version 6）的使用，不僅能解決網絡地址資源數量的問題，而且也解決了多種接入設備連入互聯網的障礙。這些都讓比爾·蓋茨在上世紀90年代所設想的“未來之屋”有可能“飛入尋常百姓家”。
G是時代的跨越，“PC時代，是人和人的隨時連接，移動設備是人和人的隨時隨地連接，WIFI時代是人和人，物和物的連接，5G時代會實現人與物，物與物的隨時隨地連接。”在消費物聯網的情景下，家電盈利模式將會改變，傳統家電產品或被重新定義。
三、5G通信系統與工業物聯網
3.1 5G對工業物聯網的影響
對於普通消費者來說，5G的概念可能就是更高的網速，5G大帶寬帶來的上網體驗提升是最直觀的，用手機可以實時觀看清晰度更高的視頻。
而更低的時延與更高的可靠性對C端用戶帶來的體驗改善，相對來說就小很多，打開網頁的時延從50ms降低到10ms，消費者基本是感知不到差異的。
在工業領域，很多年前，工業互聯網的概念就已提出，但直到移動互聯網如此普及的現在，工業領域設備聯網的比例還是很小，聯網設備涉及的應用也都還很淺。主要原因在於，目前互聯網在時延和可靠性方面還達不到要求。
在工業物聯網領域，情況並不一樣。工業各垂直領域行業特性迥異 ，知識壁壘很高，而且工業製造流程對可靠性和穩定性要求非常高，目前的運營商網絡還很難滿足工業物聯網對性能方面要求。因此物聯網在工業領域的進展一直比較緩慢，還沒有產生比較成熟的商業模式和相對大體量的公司。
工業領域包括衆多垂直行業，比較大的行業有製造業、運輸業、能源、建築業、採掘業等，每個行業的特性差異巨大，物聯網與每個行業的結合，也都要根據行業自身特性來調整。
工業物聯網的目的就是能對工業過程實施精準控制。基於前述傳感器數據的採集、展示、建模、分析、應用等過程，在雲端形成決策，並轉換成工業設備可以理解的控制指令，對工業設備進行操作，實現工業設備資源之間的精準的信息交互和高效協作。
當前大部分場景的工業控制系統還需要部署在本地，受通信技術和處理能力的限制，工業雲平臺涉及工業控制的的深度還不夠。5G技術可以滿足工業系統對通對於工業領域來說，高可靠低時延的通信系統可以說是至關重要。
一直以來工業物聯網的應用只能停留在表層的數據採集展示和由此延伸出來的一些管理功能，很難涉及到工業系統的控制等核心領域，其中通信系統的穩定性和延時達不到要求是其中主要的制約因素。信能力的要求，實現工業控制的目標。
當前的移動通信系統在工業物聯網領域的應用涉及並不深入，雖然4G在網速上已經有很大的提升，能滿足用戶隨時觀看視頻的需求，但網絡的可靠性和時延都還有很大的提升空間，並不能滿足工業場景的要求。工業領域對通信系統的這些需求，5G的技術標準可以很好的滿足，極低的時延，保證了工業領域實時監測和控制的要求；高可靠的網絡質量，確保了工業系統對穩定性的要求；大帶寬則可以實現高清3D視頻，甚至AR的傳輸，在遠程操控領域大幅提高了操作精度。
3.2 5G在工業物聯網的應用
1）一臺遠在石家莊工地上的挖掘機，通過5G技術與設在現場的駕駛室相連，不僅可在惡劣環境下作業，甚至可以打造無人工地。
2）參觀者可以在現場駕駛室真人駕駛，同步實時控制位於石家莊的挖掘機，進行挖掘機前後、旋轉運動以及大臂、小臂、挖鬥配合挖掘裝車等操作，操作檯對面的大屏幕通過現場實時高清視頻同步傳遞真實場景及全景視頻效果。
3）愛立信和德國弗勞恩霍夫生產技術研究院（Fraunhofer IPT）共同合作研究新的方法來改進工業控制流程，實時檢測生產製造過程中的缺陷。其中有一個應用領域就是葉盤的生產製造領域，葉盤是噴氣式航空發動機中渦輪的重要組成部分，由輪盤和圍繞輪盤邊緣的衆多葉片組成，葉盤製造是金屬加工典型的應用。
如果通過引入5G與物聯網技術實現自動化後，返工率可以降低10%，就相當於減少了單位產品的加工時間。換算成機器成本的話，單葉盤成本可以降低3600歐元，全球葉盤的產量大概一年10萬片，這就意味着，通過5G技術實現實時監控，一年可以節省3.6億歐元的成本。