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開啟創新:5G與智慧城市的未來
下一代網路和物聯網技術如何改變我們的城市
[作者 Craig Thomson]   2023年11月20日 星期一 瀏覽人次: [1581]

媒體上充斥著關於5G帶來巨變的預測:未來是無線的,而且速度極快。5G資料網路強烈地改變我們的生活,更甚於網際網路誕生以來所出現的任何技術變革,我們可以從智慧手機上高速下載電影,甚至可以使用單一裝置來控制我們的住所、車輛以及幾乎所有的事物。


這是因為5G將催生一個由互聯裝置組成的智慧生態系統,它能夠收集巨量資料來改變我們的工作、生活和娛樂方式。5G將與物聯網(IoT)、人工智慧(AI)、延展實境(XR)和區塊鏈等新興技術相互結合,可望使我們的生活過得更安全、更智慧,並且能更迅速地反應。


相較於3G,4G大大提升了行動網際網路能力,而5G則有望為通訊帶來更重大的變革。它將如同道路、火車和電網構成工業基礎設施一樣,成為通訊的基礎設施。


定量未來主義者Amy Webb也是Future Today Institute創始人,她表示5G技術將形成「城市規模的網路和城市規模的空間運算,不僅僅是與居家環境相關的物聯網,而且是讓整個城市的各種裝置、感測器和所有的事物都實現互聯。」


在這個高度互聯的新世界裡,「智慧城市」的概念終將成為現實。攝影機和感測器可追蹤車輛和行人交通、監控環境因素、改善緊急和市政服務,並從整體上實現完善的城市營運,造福市民的生活。


5G的經濟潛力如此巨大,我們很可能還未完全得知它可能帶來的許多潛在優勢。在4G剛出現時,沒有人預料到行動寬頻會出現新的商業模式,例如Uber、Air BnB和Facebook。同樣地,5G也可以創造出我們尚未想像得到的嶄新服務。


雖然有一些人表示這項技術被過分吹捧,但確實我們距離5G在全國各地實現商用化還有數年。一部分的分析家預測,直至2022年或2023年,我們才會看到強大的5G服務在美國廣泛部署。從5G的基礎設施到實現未來智慧城市的應用、實例和各種裝置,電子開關將在推動這個變化過程中扮演關鍵角色。


甚麼是5G?

要轉換到5G蜂巢式網路不僅僅牽涉到智慧手機的使用,它也會對很多其他裝置產生影響,例如工業機器人、無人機、監控攝影機和能相互傳送交通資料的車輛。


嚴格來說,5G是一套技術的基礎規則,它定義了蜂巢式網路如何運作,包括5G採用的無線頻率,以及電腦晶片和天線等各種組件如何處理無線電訊號和交換資料。


這裡的G指的是無線技術的「世代」(Generation)。每一世代的無線技術都為用戶和企業帶來獨特的性能和優勢。1980年代出現的1G是第一個大規模手機通訊的模式,它實現了手機之間的簡單通話。與類比訊號相比,1990年代出現的2G通過數位加密帶來了更好的安全性,實現了諸如短信類的資料服務。2003年出現的3G終於為智慧手機的革命開拓了道路,提供了更快的速度並建立了行動裝置和網路的連接。2012年出現的4G則帶來了更快的速度和串流媒體的行動內容。


5G在行動技術上進一步實現巨大飛躍,它具有三項新特性:更快的速度(傳送更多的資料)、更低的遲滯(反應更快),以及可同時連接更多裝置的能力(用於感測器和智慧裝置)。整體來說,5G的應用案例大致上能區分成三種主要類型的連接服務:


增強型行動寬頻:5G將提供更快的速度、更統一的資料速率,以及更低的遲滯性和更低的單位位元成本來支援沉浸式體驗,例如虛擬實境(VR)和擴增實境(AR),並使得我們的智慧手機如虎添翼。


關鍵任務通訊:5G將提供新的服務,通過超高的可靠性和可用性、以及超低遲滯性的連接來實現工業轉型,例如遠端控制交通工具、遠端基礎設施和醫療程序。


大規模的物聯網:5G將通過降低資料速率、功率和行動性來連接大規模數據的內嵌式感測器和其他基礎設施,以提供極低成本的解決方案。


由於更快的網路有助於推廣人工智慧和其他尖端技術的應用,因此很多國家將5G視為一種競爭優勢。


根據IHT的一份研究報告,隨著5G的發展,將行動通訊技術從連接人到連接人與資訊、再到連接人與萬物,經濟學家們估計到2035年,5G對新商品和新服務的全球經濟效益將可高達12兆美元。



圖一 : 5G的擴展終將釋放智慧城市的真正潛力,為一系列新的連接服務提供重要基礎。(source:ScienceSoft)
圖一 : 5G的擴展終將釋放智慧城市的真正潛力,為一系列新的連接服務提供重要基礎。(source:ScienceSoft)

5G架構

5G正在進行測試,並預計今年稍晚在一些市場中推出。支援加強型行動寬頻、物聯網以及要求網路效能在所有網路參數(例如遲滯性、吞吐量、可靠性和規模)中均要較現在提升十倍的關鍵任務應用。為達到這一點,行動營運商需要對所有的網路領域進行投資,包括頻譜、無線存取網路(RAN)基礎設施、傳輸及核心網路。


這項投資最初集中在一些關鍵領域,例如資料中心、邊緣運算、網路變換、5G網路協定(也稱為5G IP)和數據機。研究機構Moor Insight & Strategy指出,預計到2025年,這些投資的金額將超過3,260億美元,而電子開關和元件將在其中占有極高比重。


其他應用於5G的開關技術將支援基礎設施裝置的射頻(RF)調變,例如天線和基地站,以及在工業物聯網(IIoT)中用來驅動其他物體,例如斷路器、燈柱、機器人手臂或空調通風系統,而這些連接、感測器和處理器都是低耗能的。


5G技術的許多要素是基於4G網路,而不是全新的,這就意味著行動營運商可以採取漸進式的方法來投資基礎設施。投資5G無線功率將有助於節省成本,其他替代方案例如網路分享,以及通過物聯網、工業物聯網和智慧城市所形成新的收益模型,這些都將有利於實現5G的最大效益,並使5G的推廣不會過於昂貴或太慢。


5G的擴展最終將釋放智慧城市的真正潛力,為一系列新的連接服務提供重要基礎。無論是幫助緩解交通堵塞、改進城市監控和管理重要服務的方式,還是實現自動駕駛服務,5G將成為未來城市越來越重要的工具。


根據Grand View Research的數據顯示,至2025年,從醫療、交通到能源安全等智慧城市服務,其全球市場預計可達到2.57兆美元。這樣規模的投資將很大程度上取決於網路供應商在其連接的裝置和系統之間近乎即時地傳輸巨量資料的能力。


建設智慧城市的基礎

在公共安全、交通、公用事業、公共Wi-Fi接取和緊急救助方面,具有5G連接的城市將會更有優勢。根據聯合國經濟與社會事務部預測,至2050年,全球68%的人口將居住在城市裡。


開始建設智慧城市基礎的有新加坡、倫敦、巴塞隆納、杜拜、東京、中國的幾個城市、紐約、加州沙加緬度市、哥倫布等。


在亞洲,新加坡提早推出了5G服務,將經營5G許可牌照數量從兩家增至四家,努力實現產業轉型,並為新加坡在亞太地區提供獨特的競爭優勢。新加坡已經證明了其作為智慧城市的領先地位,並且因其對技術和連接基礎設施的投資,曾經在2018年智慧城市展覽全球論壇(Smart City World Congress)中獲獎,這些投資將有助於推動城市服務朝向電子政府轉變。


美國加州的沙加緬度市準備通過首次大規模的商用5G服務,因而一躍成為智慧城市,它是世界上首批採用固定式無線5G技術規範的城市之一。計畫內容包括公共安全和行人監控、交通堵塞監控和公園裡的免費公共Wi-Fi接取。


在歐洲,倫敦為了實現成為世界上最智慧的城市這一目標,倫敦市長鼓勵政府部門和私有事業部門都積極參與建設。倫敦提出超過二十項規劃來應對城市挑戰,各地可使用5G將整個倫敦連接起來就是其中的一環,而市長的規劃是在公共區域提供免費的Wi-Fi服務。


智慧城市的應用實例


圖二 : 從生活在城市中獲取資訊,處理來自道路、車輛和建築物等感測器所得的資料,改善所有人的生活品質。
圖二 : 從生活在城市中獲取資訊,處理來自道路、車輛和建築物等感測器所得的資料,改善所有人的生活品質。

想像一下城市與周圍世界的互動,從生活在其中的人們那裡獲取資訊,處理來自道路、車輛和建築物等感測器得到的資料,還有其他更多的事情可以改善永續性和所有人的生活品質。這一切都因為5G而成為可能,而且可能性是無窮的。以下是一些應用實例,其中一些已在世界各地的智慧城市中實現或正在嘗試。


● 交通

自動駕駛車輛將成為現實,幫助人們更有效地工作,並為無法駕駛車輛的人解決社交問題。車內環境包括娛樂系統和商務通訊工具的升級,都將大幅改善乘客體驗。


車輛通訊系統通過無線連接的方式連接車輛與道路裝置,提供即時的交通預警和安全警告,這將有利於駕駛人更得心應手地獲知交通狀況;而通過即時智慧定位技術改善整個城市的交通流量,將可縮短公共交通的等待時間。


假以時日,自動駕駛將逐漸成為新常態。擁有汽車的人會越來越少,上班族、旅客和觀光客通過利用網上的app呼叫廠商提供的交通服務則將取而代之。網路互連、自動駕駛、共享和電動化將改變汽車的概念,並在未來提供更豐富的交通運輸服務。


車輛資訊服務和車隊管理工具所帶來的優勢,將對航運和物流公司十分有利,這些工具結合了視訊、機器視覺技術和車輛資料,可以確保零售商和企業在城市各處實現高效、及時和準確的交貨服務。


● 市政服務

每當垃圾箱裝滿時,垃圾桶中的感測器就會觸發自動警報,然後自動收集垃圾。物流軟體、行動app和車載監控裝置將使得垃圾管理過程變得更便捷,同時也保證駕駛人的安全。


停車位管理人員利用車輛偵測感測器、智慧停車表,以及具有自動車輛牌照識別功能的攝影機,就能夠利用智慧停車技術即時遠端,並且自動監測停車位的利用率。正確解讀獲取的資料將有助於城市規劃者完善地調整交通流量,降低擁擠堵塞的情況。


智慧自行車和電動滑板車有助於減少污染,並使出門在外行走的上班族更為健康且行動有效率。裝配GPRS功能的自行車鎖和智慧支付系統,可實現流暢的用戶體驗。人工智慧平台則有助於共享單車的營運商在用戶有需要時,於多個城市之間重新配置自行車。


● 公共安全

新的通訊網路使監控攝影機與警察局和員警可互相連線。智慧視訊分析平台會管理視訊資料,並且滿足各種服務需求,包括即時監控、視訊瀏覽、資料共享和證據收集。這個領域的最新應用,例如門鈴上的攝影機,就能為全國的警察部門提供可起訴犯罪的情報,協助捉拿犯罪嫌疑人。


利用裝配在建築物、燈柱和公用設施上的感測器,可以實現對周圍環境和公用設施的監控,再搭配市民提供的氣候和污染資料,就能更有效地控制污染,降低成本和對環境的影響。


緊急服務也將變得更加完備,能夠準確定位求助者的位置和最佳路線來進行救助。無人機能共同參與行動,在事故發生地周圍或發生自然災害地區等難以接近的區域或壅塞地段,提供救命的情報資訊。


在實現互聯裝置和智慧城市中扮演要角

智慧城市和5G中運用的大部分技術重點都在於改進無線通訊、拓展感測器技術和能量效率,包含那些完全無電池的裝置。然而,如果沒有合適的開關,5G技術的基礎設施、物聯網和智慧城市等應用,就不會像我們今天所知的如此存在,也無法在未來發揮它們的潛力。



圖三 : 當設計工程師、技術人員和城市規劃人員在構思各種可能性時,5G新功能的前景仍然令人感到興奮。
圖三 : 當設計工程師、技術人員和城市規劃人員在構思各種可能性時,5G新功能的前景仍然令人感到興奮。

以下是一些採用C&K開關的智慧城市應用實例和設計考量,設計工程師可以在開發下一代新興技術時加以參考。


智慧交通領域的開關應用

智慧交通通常包括車載資訊服務和車隊管理解決方案,在後視鏡安裝安全攝影機。它們結合了視訊、機器視覺技術和車輛資料,確保零售商和企業在城市各地高效、及時且準確的交貨。這些解決方案還能記錄車輛的突發事件,例如突然的減速或撞擊,從而確保駕駛員和貨物的安全。


使用者要通過耐用堅固的輕觸按鈕開關來決定表單上的選項,並記錄所發生的事件。考慮到車輛的空間有限,C&K的KMR系列產品經常受到採用,它們具有優異的觸感,並可提供四級操作力度,而其尺寸僅為4.6mm x 2.8mm。


用於智慧運輸貨櫃箱的開關

智慧貨櫃箱通過無線通訊節點利用GPS實現追蹤和監控,蜂巢式網路需要SIM卡連接器提供連接服務。C&K的CCMO3 Mk2型SIM/SAM卡座連接器有6個或8個觸點,以及固定式或鉸接式蓋板的選擇,機械壽命最高達到50,000次循環。另外,應用於篡改檢測裝置,例如C&K的ZMA和ZMS系列微動開關,能夠在追蹤裝置從貨櫃箱移除時提醒用戶。


用於智慧市政服務的開關

短期租賃自行車逐漸成為智慧城市的標誌。這些自行車放置在主要地段,用戶能通過智慧型手機上的app來進行解鎖(以及開始計費程序)。


智慧鎖有賴於開關技術,例如C&K的ZMS系列。這些微型微動開關能檢測鎖是否已經打開,在鎖內空間有限的情況中,其袖珍尺寸使其成為理想選擇。它具有高過載和低過載兩種選項,這些耐用裝置的使用壽命可達100,000次,並採用IP65密封方式,可防止濕氣入侵。


用於智慧家庭的開關

在家中,與物聯網連接的電器將自動實現更多功能,並通過攝影機和遠端門鎖控制來監控安全。隨著能源成本不斷攀升,物聯網增加對照明以及加熱或製冷方面的控制,以確保能源的高效利用和最大便利性。


物聯網的節點通常都很小,因此能準確安置在需要的位置上。這造成了空間限制,意味著開關也要同樣小型化而且耐用。即使尺寸如此之小,開關仍然可以進行程式設計、設置並使用物聯網服務,開關如果故障就表示節點失效。C&K的開關經歷嚴格的測驗,使用壽命可超過五十萬次,因此可多年長期使用。


鑒於很多物聯網設備都具備高度的可攜性,設備中的開關很可能會在戶外操作,面臨承受潮濕和觸點腐蝕的影響。針對這些應用,C&K的開關可以進行鍍金來抵禦腐蝕,並提供IP67等級的防潮標準。


開關在操作時發出的聲音與手感(觸感)在確認其操作時極為重要,同時也傳達了高品質產品的形象。C&K的標準產品在常規應用中具有優異的觸感,而且還有專門的實驗室能為任何特定的應用來客製化開關產品的觸感。


結論

5G引領我們迅速進入由幾十億個小型裝置進行控制,並且越來越先進和自動化的時代,這些裝置無時無刻都在產生巨量的資料。這些裝置存在於我們的家中、辦公室、工廠、醫院,以及我們的智慧城市基礎設施裡。十年前這塊市場可以說幾乎不存在,但如今已經是每年可達到幾千億美元產值的市場。


而這些令人難以置信的裝置及其應用都有一個共同點:它們都將有賴於一個或更多個開關來實現其功能。


(本文作者Craig Thomson為Littelfuse旗下C&K全球產品與市場總監)


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