邬贺铨深度解构5G赋能物联网
2月10日，2022(第七届)世界物联网大会在京举行。中国工程院院士邬贺铨出席并作《5G赋能IoT》主题报告。邬贺铨表示，5G推动物联网发展为大带宽物联网和大连接物联网等，而且拓展了物联网的应用。邬贺铨从物联网的基本概念入手，深入浅出地介绍了5G上行物联网、5G大连接物联网、中速低时延物联网、无源物联网、物链网、智联网、工业物联网和5G基站融合通感物联网和车联网等技术和应用。
中国工程院院士邬贺铨作《5G赋能IoT》主题报告，介绍5G赋能物联网的九个方面
中国蜂窝IoT年增53%
物联网分为蜂窝物联网和非蜂窝物联网，蜂窝物联网包括NBIoT、4G的Cat1、5GIoT;非蜂窝物联网有蓝牙、Zigbee、WiFi、LoRa。二者带宽、覆盖距离、对应的传感器，以及连接规模、采用的协议，频率是否授权，网络的主体，是否直接跟公网连接都有区别。应用领域，非蜂窝物联网一般是短距离;蜂窝物联网一般是广域网。根据统计，全球物联网设备联网数，2025年可以达到271亿，比2020年增加了158亿台，相当于年增33%。根据中国国内咨询公司的报告，到2021年底，全球非蜂窝物联网连接数大概是115亿，现在非蜂窝物联网的连接数是蜂窝物联网的三倍，但是增速以蜂窝物联网为主。而在非蜂窝物联网的无线物联网连接数里，中国占到全球的37.5%。全球非蜂窝物联网的2017-2022年增速约为6%， 中国的非蜂窝物联网的增速达到32.5%，比全球的增速还是要高的多。全球蜂窝物联网的年增速大概是14%，中国2017-2022年增53%。中国的物联网占全球30%，蜂窝物联网占全球75%。去年9月，中国的蜂窝物联网的连接数，超过了手机用户的连接数，开始了物超人的时代，预测到2030年，蜂窝物联网的连接数要超过100亿，目前只有18亿，还有很大的增长空间，而且蜂窝物联网从传统的2G、3G扩展到4G、5G，尤其是5G会加快蜂窝物联网的发展。
5G拓展蜂窝物联网的应用
蜂窝物联网主要应用是四个方面，公共服务、车联网、智慧零售、智慧家居，四类应用比分别占我国蜂窝物联网应用的26%、20%、13%和10%。邬贺铨表示，将来通过5G上云，我们可以直接利用人工智能，可以使物联网发展为智联网AIoT。5G推动物联网发展为大带宽物联网和大连接物联网等，而且拓展了物联网的应用。物联网经过这么多年发展，已经形成了一个体系。从千亿级的无源物联网，到百亿级的窄带物联网，到10亿级的中低速物联网，现在包括了宽带的物联网。邬贺铨详细介绍了5G赋能物联网的九个方面。这九个方面分别为：5G上行物联网、5G大连接物联网、中速低时延物联网、无源物联网、物链网、智联网、工业物联网、5G基站融合通感物联网和车联网等。
大上行物联网
邬贺铨表示，5G面向公众通信，下行的带宽多， 5G上行峰值因TDD主流时隙配比为8D2U和7D3U，在100MHz/3.5GHz仅350Mbps，这样就限制了回传的带宽。对于需要大上行的大量物联网应用，如何增加回传带宽，邬贺铨表示，可以通过上行载波聚合CA，例如在3.5GHz基础上增开低频通道作上行，让高+低频段同时承载流量;上下行解耦SUL，在上行无覆盖的地方增开低频补充上行，高频段传5G下行;超级上行，将TDD和FDD协同、高低频互补、时域和频域聚合，带宽提升20%。大上行物联网的好处，邬贺铨举例称，可以用激光扫描一个物体，一个生产的工件或物件，不论这一物体多复杂，通过激光可以将整个三维参数取出来，通过5G以千兆的带宽送到云端，把这些数据合成一个三维模型，可以发现有没有偏差，实现机器视觉的质量检测。
大连接物联网
5G的大连接物联网，可以做到每平方公里100万个物联网连接，尽管每个物联网连接可能只有160个比特/秒。5G大连接物联网主要应用于共享单车、AGV、环境监测等应用。在5G新增空口带宽切片功能，将100MHz载波分割可同时支持大连接窄带物联网，还可与eMBB和URLLC同频组网。另外，对于物联网而言，还可以接入5G的IAB(接入回传一体化)技术，采用同频和空口资源同时提供接入和回传能力，支持D2D应用，以云端大脑通过5G的低时延来管理大量机器人、AGV和无人机等，实现低成本的协同作业。邬贺铨表示，通过大连接，终端与终端间的通信，以及云端的通信，我们可以做到把无人机、物料小车，作为一个小机器人，它的大脑放在云端，可以遥控它进行集中的控制作业。
中速低时延物联网
中速低时延物联网，称为5G轻型新空口(NR-Light)和5G RedCap，在10~20MHz带宽中提供上下行速率50/100Mbps，时延5~10ms。邬贺铨表示，中速低时延物联网介于大连接和窄带物联网之间，填补了物联网应用其中一个领域。虽然速率降下来了，但是同样要求终端和基站得到相应简化，通过技术，可以大大简化性能成本。成本预计可比5G模组降低60~70%，可支持工业传感器、监控摄像头、可穿戴设备、医疗监控设备等联网应用。例如，工人戴上5GAR眼镜，拿起产品，通过目测，马上将测出来的照片视频送到云端，就可以进行质量检测了。
5G无源物联网
除了以上的物联网应用以外，快消品、物流包裹、产品外包装、仓库货物盘点和智能水表等海量物理终端每年有千亿件之多，但由于本身条件和成本限制不具备小型电池供电，无法使用NB-IoT。而如果应用RFID，需要读写器来读写和供电，读写器会产生收发自干扰，传输距离很短，存储数据量小，无NFC难与手机互动，而且无法用在仓储等密集空间中，5G无源物联网应运而生。5G无源物联网由基站信号赋能，但由于5G每一个赋形波束朝着一个狭小的方向并且持续移动，极难准确采集5G波束的能量，所以，可用罗特曼透镜同时采集与汇聚多波束能量，并利用高响应度金属—半导体—金属MSM二极管，提升能量转换效率。同时，它的数据是靠天线的阻抗匹配的改变，通过反射来提供数据。传输距离可以到200米。同时，5G标准化演进中通过精简射频、DSP、协议栈、同步性、覆盖性增强技术、新的干扰管理技术等来实现低成本广覆盖及规模化。
5G物链网
5G物链网、智联网、车联网以及工业互联网都诠释了从万物互联到万物智联的趋势。5G物链网相对于一般的物联网增加了物链网的P2P的能力，也增加了物联网的支撑能力，可以支撑跟区块链有关的应用。通过区块链从上网到上云到上链，从物联网到智联网到信联网，从万物互联到万物智联到万物信联。例如，家庭摄像头、智能路灯等IoT终端容易被劫持并成为DDoS的跳板，需要升级IoT网关使之能发现并禁止被劫持的IoT终端访问目标服务器，而多个IoT网关本身的安全性通过区块链连接起来保证。邬贺铨以车联网为例称，车联网的车辆需要收集和共享数据，以保证安全驾驶。区块链可以避免集中式的管理架构中的单点故障以及数据被控制的问题，通过智能合约，解决路侧单元跟汽车之间的安全访问，依托区块链技术，多维来源的数据和保密性能得到保障。
5G智连网
物联网还可以跟云计算、人工智能结合。在5G智联网方面，邬贺铨院士表示，过去，物联网采集数据通过通信网络传输到云计算和人工智能，但因为通信网络带宽不足、时延较大，导致人工智能决策不能第一时间反馈到物联网层面去执行。而5G的高带宽、低时延打通了数据从采集到决策的全过程，将物联网与云计算和人工智能无缝融合。同时，人工智能芯片与操作系统可以直接嵌入5G物联网模块形成智联网的终端。以家庭的扫地机为例，如果扫地机能够语音控制，把语音识别、自然语言理解和自然语言生成集成，就可以实现智联网的的扫地机。很多IoT终端是视频的，通过边缘计算，连到云端，可以实现对视频的预处理，减轻了物联网终端对视频处理的计算能力的高要求。
工业物联网
工业物联网也是物联网的典型应用，在工业物联网里，5G的物联网模块，可以跟5G的CPE，或者5G的无线路由器结合，并且把它转成WiFi或者转成工业以太网，连接PLC，再控制生产装备。邬贺铨介绍了5G技术在工业物联网终端的应用。5G的工业模组实际上是5G物联网的模组，也是5G客户前端设备，它介于基站和5G控制终端之间，起到各种连接设备以及移动路由器的功能。有了工业物联网终端，不管是企业自建的5G系统，还是租用运营商的系统，利用5G的核心网控制面跟用户面分离的特性，用户面可以下沉到企业网里，而且用户面具能识别业务流的走向，确保企业的数据安全。5G的工业物联网终端，是可以集成计算和PLC能力，并且5G可以通过修改用户的数据库，指定某一组物联网终端，组成一个5G的局域网，可以提供本地的第二层包的转发，相对WiFi而言，有更好的覆盖和业务隔离。
5G基站融合通感物联网
邬贺铨对5G基站融合通感物联网进行了说明。他表示，现在5G基站也可以发展成为一个物联网的终端，基站本身就有天线，原来是管通信的，现在可以把天线再增加一些能力，感知能力。感知能力在初期，可能使用不同的波形、频谱、天线和射频前端处理器等，共存在一个天线铁塔上，这是一种模式。未来真正的通信感知融合，希望两者可以共用波形、频谱、天线系统软硬件，通过感知来提升通信的能力，更精准的实现波速的定位和追踪。也通过通信，来帮助感知增强它的定位精度、分辨率等等。通感融合，需要一些技术上的措施，采用一体化的空口和硬件设计、站间的智能协同、轻量化灵活的感知架构，结合高频波束与多天线原理，使基站能起到一个“雷达”的功能。目前已经可以做到感知距离突破800米，通信感知融合基站相比雷达在探测距离、分辨率、测角精度等方面，性能提升了3-5倍，像车联网、机场、无人机及低空安防监测、高铁的周边检测、危化品的运输监测这些领域，都存在通信跟感知的双重需求。
车联网
5G技术赋能的物联网具有云网边端融合的特点，围绕5G+边缘云平台可以聚合物联网产品与应用，解决传统物联网产品类型多难以规模化的问题。车联网、汽车本身就是一个大型的物联网节点，一个汽车有十多个CPU，几百G的存储器，两百多个传感器，里边的软件系统也很复杂，5G的低时延、高带宽，可以实现车到车、车到人、车到路边、车到停车场、车到红绿灯的通信。与现有无线技术相比，5G更适合车联网应用。L5级别的自动驾驶要求时延不超过5毫秒，可靠性达到99.999% 。邬贺铨表示，安全方面，5G技术通过和区块链结合，在一个物联网基本构成上增加了区块链的一些功能，区块链可以避免集中式的管理架构中的单点故障以及数据被控制的问题，通过智能合约，解决路侧单元跟汽车之间的安全访问，依托区块链技术，多维来源的数据和保密性能得到保障，以保证安全驾驶。同时，物联网借助5G的高带宽、低时延传到云计算，打通了数据，从采集到决策的全过程，将物联网和云计算、人工智能的无缝融合，让汽车形成了智联网的终端。在报告最后，邬贺铨表示，物联网本身是一个新的应用，它当然会集成很多互联网的技术，但是它有它的特殊性，所以有很多特殊的要求。所谓工业互联网首先是工业物联网，通过这个能使得我们实体经济更好的融入到数字经济的大环境里发展。
