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开启创新:5G与智慧城市的未来
下一代网路和物联网技术如何改变我们的城市
[作者 Craig Thomson]   2023年11月20日 星期一 浏览人次: [1582]

媒体上充斥着关於5G带来巨变的预测:未来是无线的,而且速度极快。5G资料网路强烈地改变我们的生活,更甚於网际网路诞生以来所出现的任何技术变革,我们可以从智慧手机上高速下载电影,甚至可以使用单一装置来控制我们的住所、车辆以及几??所有的事物。


这是因为5G将催生一个由互联装置组成的智慧生态系统,它能够收集巨量资料来改变我们的工作、生活和娱乐方式。5G将与物联网(IoT)、人工智慧(AI)、延展实境(XR)和区块链等新兴技术相互结合,可??使我们的生活过得更安全、更智慧,并且能更迅速地反应。


相较於3G,4G大大提升了行动网际网路能力,而5G则有??为通讯带来更重大的变革。它将如同道路、火车和电网构成工业基础设施一样,成为通讯的基础设施。


定量未来主义者Amy Webb也是Future Today Institute创始人,她表示5G技术将形成「城市规模的网路和城市规模的空间运算,不仅仅是与居家环境相关的物联网,而且是让整个城市的各种装置、感测器和所有的事物都实现互联。」


在这个高度互联的新世界里,「智慧城市」的概念终将成为现实。摄影机和感测器可追踪车辆和行人交通、监控环境因素、改善紧急和市政服务,并从整体上实现完善的城市营运,造福市民的生活。


5G的经济潜力如此巨大,我们很可能还未完全得知它可能带来的许多潜在优势。在4G刚出现时,没有人预料到行动宽频会出现新的商业模式,例如Uber、Air BnB和Facebook。同样地,5G也可以创造出我们尚未想像得到的崭新服务。


虽然有一些人表示这项技术被过分吹捧,但确实我们距离5G在全国各地实现商用化还有数年。一部分的分析家预测,直至2022年或2023年,我们才会看到强大的5G服务在美国广泛部署。从5G的基础设施到实现未来智慧城市的应用、实例和各种装置,电子开关将在推动这个变化过程中扮演关键角色。


甚麽是5G?

要转换到5G蜂巢式网路不仅仅牵涉到智慧手机的使用,它也会对很多其他装置产生影响,例如工业机器人、无人机、监控摄影机和能相互传送交通资料的车辆。


严格来说,5G是一套技术的基础规则,它定义了蜂巢式网路如何运作,包括5G采用的无线频率,以及电脑晶片和天线等各种组件如何处理无线电讯号和交换资料。


这里的G指的是无线技术的「世代」(Generation)。每一世代的无线技术都为用户和企业带来独特的性能和优势。1980年代出现的1G是第一个大规模手机通讯的模式,它实现了手机之间的简单通话。与类比讯号相比,1990年代出现的2G通过数位加密带来了更好的安全性,实现了诸如短信类的资料服务。2003年出现的3G终於为智慧手机的革命开拓了道路,提供了更快的速度并建立了行动装置和网路的连接。2012年出现的4G则带来了更快的速度和串流媒体的行动内容。


5G在行动技术上进一步实现巨大飞跃,它具有三项新特性:更快的速度(传送更多的资料)、更低的迟滞(反应更快),以及可同时连接更多装置的能力(用於感测器和智慧装置)。整体来说,5G的应用案例大致上能区分成三种主要类型的连接服务:


增强型行动宽频:5G将提供更快的速度、更统一的资料速率,以及更低的迟滞性和更低的单位位元成本来支援沉浸式体验,例如虚拟实境(VR)和扩增实境(AR),并使得我们的智慧手机如虎添翼。


关键任务通讯:5G将提供新的服务,通过超高的可靠性和可用性、以及超低迟滞性的连接来实现工业转型,例如远端控制交通工具、远端基础设施和医疗程序。


大规模的物联网:5G将通过降低资料速率、功率和行动性来连接大规模数据的内嵌式感测器和其他基础设施,以提供极低成本的解决方案。


由於更快的网路有助於推广人工智慧和其他尖端技术的应用,因此很多国家将5G视为一种竞争优势。


根据IHT的一份研究报告,随着5G的发展,将行动通讯技术从连接人到连接人与资讯、再到连接人与万物,经济学家们估计到2035年,5G对新商品和新服务的全球经济效益将可高达12兆美元。



图一 : 5G的扩展终将释放智慧城市的真正潜力,为一系列新的连接服务提供重要基础。(source:ScienceSoft)
图一 : 5G的扩展终将释放智慧城市的真正潜力,为一系列新的连接服务提供重要基础。(source:ScienceSoft)

5G架构

5G正在进行测试,并预计今年稍晚在一些市场中推出。支援加强型行动宽频、物联网以及要求网路效能在所有网路叁数(例如迟滞性、吞吐量、可靠性和规模)中均要较现在提升十倍的关键任务应用。为达到这一点,行动营运商需要对所有的网路领域进行投资,包括频谱、无线存取网路(RAN)基础设施、传输及核心网路。


这项投资最初集中在一些关键领域,例如资料中心、边缘运算、网路变换、5G网路协定(也称为5G IP)和数据机。研究机构Moor Insight & Strategy指出,预计到2025年,这些投资的金额将超过3,260亿美元,而电子开关和元件将在其中占有极高比重。


其他应用於5G的开关技术将支援基础设施装置的射频(RF)调变,例如天线和基地站,以及在工业物联网(IIoT)中用来驱动其他物体,例如断路器、灯柱、机器人手臂或空调通风系统,而这些连接、感测器和处理器都是低耗能的。


5G技术的许多要素是基於4G网路,而不是全新的,这就意味着行动营运商可以采取渐进式的方法来投资基础设施。投资5G无线功率将有助於节省成本,其他替代方案例如网路分享,以及通过物联网、工业物联网和智慧城市所形成新的收益模型,这些都将有利於实现5G的最大效益,并使5G的推广不会过於昂贵或太慢。


5G的扩展最终将释放智慧城市的真正潜力,为一系列新的连接服务提供重要基础。无论是帮助缓解交通堵塞、改进城市监控和管理重要服务的方式,还是实现自动驾驶服务,5G将成为未来城市越来越重要的工具。


根据Grand View Research的数据显示,至2025年,从医疗、交通到能源安全等智慧城市服务,其全球市场预计可达到2.57兆美元。这样规模的投资将很大程度上取决於网路供应商在其连接的装置和系统之间近??即时地传输巨量资料的能力。


建设智慧城市的基础

在公共安全、交通、公用事业、公共Wi-Fi接取和紧急救助方面,具有5G连接的城市将会更有优势。根据联合国经济与社会事务部预测,至2050年,全球68%的人囗将居住在城市里。


开始建设智慧城市基础的有新加坡、伦敦、巴塞隆纳、杜拜、东京、中国的几个城市、纽约、加州沙加缅度市、哥伦布等。


在亚洲,新加坡提早推出了5G服务,将经营5G许可牌照数量从两家增至四家,努力实现产业转型,并为新加坡在亚太地区提供独特的竞争优势。新加坡已经证明了其作为智慧城市的领先地位,并且因其对技术和连接基础设施的投资,曾经在2018年智慧城市展览全球论坛(Smart City World Congress)中获奖,这些投资将有助於推动城市服务朝向电子政府转变。


美国加州的沙加缅度市准备通过首次大规模的商用5G服务,因而一跃成为智慧城市,它是世界上首批采用固定式无线5G技术规范的城市之一。计画内容包括公共安全和行人监控、交通堵塞监控和公园里的免费公共Wi-Fi接取。


在欧洲,伦敦为了实现成为世界上最智慧的城市这一目标,伦敦市长鼓励政府部门和私有事业部门都积极叁与建设。伦敦提出超过二十项规划来应对城市挑战,各地可使用5G将整个伦敦连接起来就是其中的一环,而市长的规划是在公共区域提供免费的Wi-Fi服务。


智慧城市的应用实例


图二 : 从生活在城市中获取资讯,处理来自道路、车辆和建筑物等感测器所得的资料,改善所有人的生活品质。
图二 : 从生活在城市中获取资讯,处理来自道路、车辆和建筑物等感测器所得的资料,改善所有人的生活品质。

想像一下城市与周围世界的互动,从生活在其中的人们那里获取资讯,处理来自道路、车辆和建筑物等感测器得到的资料,还有其他更多的事情可以改善永续性和所有人的生活品质。这一切都因为5G而成为可能,而且可能性是无穷的。以下是一些应用实例,其中一些已在世界各地的智慧城市中实现或正在尝试。


● 交通

自动驾驶车辆将成为现实,帮助人们更有效地工作,并为无法驾驶车辆的人解决社交问题。车内环境包括娱乐系统和商务通讯工具的升级,都将大幅改善乘客体验。


车辆通讯系统通过无线连接的方式连接车辆与道路装置,提供即时的交通预警和安全警告,这将有利於驾驶人更得心应手地获知交通状况;而通过即时智慧定位技术改善整个城市的交通流量,将可缩短公共交通的等待时间。


假以时日,自动驾驶将逐渐成为新常态。拥有汽车的人会越来越少,上班族、旅客和观光客通过利用网上的app呼叫厂商提供的交通服务则将取而代之。网路互连、自动驾驶、共享和电动化将改变汽车的概念,并在未来提供更丰富的交通运输服务。


车辆资讯服务和车队管理工具所带来的优势,将对航运和物流公司十分有利,这些工具结合了视讯、机器视觉技术和车辆资料,可以确保零售商和企业在城市各处实现高效、及时和准确的交货服务。


● 市政服务

每当垃圾箱装满时,垃圾桶中的感测器就会触发自动警报,然後自动收集垃圾。物流软体、行动app和车载监控装置将使得垃圾管理过程变得更便捷,同时也保证驾驶人的安全。


停车位管理人员利用车辆侦测感测器、智慧停车表,以及具有自动车辆牌照识别功能的摄影机,就能够利用智慧停车技术即时远端,并且自动监测停车位的利用率。正确解读获取的资料将有助於城市规划者完善地调整交通流量,降低拥挤堵塞的情况。


智慧自行车和电动滑板车有助於减少污染,并使出门在外行走的上班族更为健康且行动有效率。装配GPRS功能的自行车锁和智慧支付系统,可实现流畅的用户体验。人工智慧平台则有助於共享单车的营运商在用户有需要时,於多个城市之间重新配置自行车。


● 公共安全

新的通讯网路使监控摄影机与警察局和员警可互相连线。智慧视讯分析平台会管理视讯资料,并且满足各种服务需求,包括即时监控、视讯浏览、资料共享和证据收集。这个领域的最新应用,例如门铃上的摄影机,就能为全国的警察部门提供可起诉犯罪的情报,协助捉拿犯罪嫌疑人。


利用装配在建筑物、灯柱和公用设施上的感测器,可以实现对周围环境和公用设施的监控,再搭配市民提供的气候和污染资料,就能更有效地控制污染,降低成本和对环境的影响。


紧急服务也将变得更加完备,能够准确定位求助者的位置和最隹路线来进行救助。无人机能共同叁与行动,在事故发生地周围或发生自然灾害地区等难以接近的区域或壅塞地段,提供救命的情报资讯。


在实现互联装置和智慧城市中扮演要角

智慧城市和5G中运用的大部分技术重点都在於改进无线通讯、拓展感测器技术和能量效率,包含那些完全无电池的装置。然而,如果没有合适的开关,5G技术的基础设施、物联网和智慧城市等应用,就不会像我们今天所知的如此存在,也无法在未来发挥它们的潜力。



图三 : 当设计工程师、技术人员和城市规划人员在构思各种可能性时,5G新功能的前景仍然令人感到兴奋。
图三 : 当设计工程师、技术人员和城市规划人员在构思各种可能性时,5G新功能的前景仍然令人感到兴奋。

以下是一些采用C&K开关的智慧城市应用实例和设计考量,设计工程师可以在开发下一代新兴技术时加以叁考。


智慧交通领域的开关应用

智慧交通通常包括车载资讯服务和车队管理解决方案,在後视镜安装安全摄影机。它们结合了视讯、机器视觉技术和车辆资料,确保零售商和企业在城市各地高效、及时且准确的交货。这些解决方案还能记录车辆的突发事件,例如突然的减速或撞击,从而确保驾驶员和货物的安全。


使用者要通过耐用坚固的轻触按钮开关来决定表单上的选项,并记录所发生的事件。考虑到车辆的空间有限,C&K的KMR系列产品经常受到采用,它们具有优异的触感,并可提供四级操作力度,而其尺寸仅为4.6mm x 2.8mm。


用於智慧运输货柜箱的开关

智慧货柜箱通过无线通讯节点利用GPS实现追踪和监控,蜂巢式网路需要SIM卡连接器提供连接服务。C&K的CCMO3 Mk2型SIM/SAM卡座连接器有6个或8个触点,以及固定式或铰接式盖板的选择,机械寿命最高达到50,000次循环。另外,应用於篡改检测装置,例如C&K的ZMA和ZMS系列微动开关,能够在追踪装置从货柜箱移除时提醒用户。


用於智慧市政服务的开关

短期租赁自行车逐渐成为智慧城市的标志。这些自行车放置在主要地段,用户能通过智慧型手机上的app来进行解锁(以及开始计费程序)。


智慧锁有赖於开关技术,例如C&K的ZMS系列。这些微型微动开关能检测锁是否已经打开,在锁内空间有限的情况中,其袖珍尺寸使其成为理想选择。它具有高过载和低过载两种选项,这些耐用装置的使用寿命可达100,000次,并采用IP65密封方式,可防止湿气入侵。


用於智慧家庭的开关

在家中,与物联网连接的电器将自动实现更多功能,并通过摄影机和远端门锁控制来监控安全。随着能源成本不断攀升,物联网增加对照明以及加热或制冷方面的控制,以确保能源的高效利用和最大便利性。


物联网的节点通常都很小,因此能准确安置在需要的位置上。这造成了空间限制,意味着开关也要同样小型化而且耐用。即使尺寸如此之小,开关仍然可以进行程式设计、设置并使用物联网服务,开关如果故障就表示节点失效。C&K的开关经历严格的测验,使用寿命可超过五十万次,因此可多年长期使用。


鉴於很多物联网设备都具备高度的可携性,设备中的开关很可能会在户外操作,面临承受潮湿和触点腐蚀的影响。针对这些应用,C&K的开关可以进行镀金来抵御腐蚀,并提供IP67等级的防潮标准。


开关在操作时发出的声音与手感(触感)在确认其操作时极为重要,同时也传达了高品质产品的形象。C&K的标准产品在常规应用中具有优异的触感,而且还有专门的实验室能为任何特定的应用来客制化开关产品的触感。


结论

5G引领我们迅速进入由几十亿个小型装置进行控制,并且越来越先进和自动化的时代,这些装置无时无刻都在产生巨量的资料。这些装置存在於我们的家中、办公室、工厂、医院,以及我们的智慧城市基础设施里。十年前这块市场可以说几??不存在,但如今已经是每年可达到几千亿美元产值的市场。


而这些令人难以置信的装置及其应用都有一个共同点:它们都将有赖於一个或更多个开关来实现其功能。


(本文作者Craig Thomson为Littelfuse旗下C&K全球产品与市场总监)


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