周迪 徐愛華

一、5G的能量

隨著工信部5G商用牌照的發(fā)放，我國正式進入5G商用元年。相比4G，5G網(wǎng)絡(luò)作為第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)，其提升是全方位的：支持0.1～1Gbps的用戶體驗速率，每平方公里一百萬的連接數(shù)密度，毫秒級的端到端時延，每平方公里數(shù)十Tbps的流量密度，每小時500km以上的移動性能和數(shù)十Gbps的峰值速率；其中，用戶體驗速率、連接數(shù)密度和時延為5G最基本的三個性能指標。

5G背后的關(guān)鍵技術(shù)主要有毫米波、小基站、Massive MIMO、波束成形以及全雙工等。

1.毫米波

隨著連接到無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量的增加，頻譜資源稀缺的問題日漸突出。在極其狹窄的頻譜上共享有限的帶寬會極大地影響用戶的體驗。無線傳輸一般通過提高頻譜利用率或增加頻譜帶寬來提升傳輸速率，毫米波技術(shù)就是通過后者提升速率。

毫米波是指波長在1～10毫米的電磁波，其頻率大約在30GHz～300GHz之間。它位于微波與遠紅外波相交疊的波長范圍，因而兼具兩種波譜的特點。根據(jù)通信原理，載波頻率越高，其可實現(xiàn)的信號帶寬也就越大。在毫米波頻段中，28GHz與60GHz是最有望應(yīng)用在5G通信的兩個頻段。其中，28GHz的可用頻譜帶寬可達1GHz，60GHz每個信道的可用頻譜帶寬則可達2GHz。使用毫米波頻段，頻譜帶寬較4G可翻10倍，傳輸速率也將更快。

2.小基站

毫米波技術(shù)的缺陷是穿透力差、衰減大，因此毫米波頻段下的5G通信在高樓林立的環(huán)境下傳輸效果并不理想，而小基站可解決這一問題。大量的小基站可以覆蓋大基站無法觸及的末梢通信。小基站的覆蓋范圍是100米～300米，這樣運營商可以在每個城市中部署數(shù)千個小基站以形成密集網(wǎng)絡(luò)，每個基站可以從其它基站接收信號并向任何位置的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。

由于毫米波的頻率很高，波長很短，就意味著其天線尺寸可以做得很小，這是部署小基站的基礎(chǔ)。小基站不僅在規(guī)模上要遠遠小于大基站，功耗上也大大縮小。

圖 小基站

3.Massive MIMO

4G基站只有十幾根天線，但5G基站可以支持幾百根天線。這些天線通過Massive MIMO（大規(guī)模天線）技術(shù)形成大規(guī)模天線陣列，使得基站可以同時從更多用戶發(fā)送和接收信號，從而將移動網(wǎng)絡(luò)的容量提升數(shù)十倍或更大。

圖 Massive MIMO天線陣子數(shù)量與傳統(tǒng)2T2R天線的對比

4.波束成形

Massive MIMO技術(shù)為5G大幅增加容量的同時，其多天線特點也勢必會帶來更多的干擾，而波束成形就是解決這一問題的關(guān)鍵。通過有效控制這些天線，使其發(fā)出的每個電磁波在空間上互相抵消或者增強，就可以形成一個很窄的波束。有限的能量集中在特定方向上進行傳輸不僅距離更遠，也避免了信號的相互干擾。

波束成形還可以提升頻譜利用率，可同時從多個天線發(fā)送更多信息。對于大規(guī)模天線基站，我們甚至可以通過信號處理算法計算出信號傳輸?shù)淖罴崖窂胶鸵苿咏K端的位置。因此，波束成形可以解決毫米波信號被障礙物阻擋和遠距離衰減問題。

圖 波束傳輸不僅距離更遠，也避免了信號的相互干擾

5. 全雙工

全雙工技術(shù)是5G的另一大特色，設(shè)備的發(fā)射機和接收機占用相同的頻率資源同時工作，使得通信的雙向交互同時在上、下行使用相同的頻率，突破了現(xiàn)有的頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）模式下的半雙工缺陷。這是通信節(jié)點實現(xiàn)雙向通信的關(guān)鍵之一，也是5G所需高吞吐量和低延遲的關(guān)鍵技術(shù)。

二、提升高清和智能

在安防行業(yè)，對清晰度的追求是行業(yè)發(fā)展重要驅(qū)動力，從最初的標清（D1）、到目前高清（720P）、全高清（1080P），甚至于超高清（4K、8K甚至更高）。

2017年AI熱潮席卷而來，記錄著視頻安防監(jiān)控從“看得見”到“看得清”再到“看得懂”的時代轉(zhuǎn)變。人工智能在圖像分類、圖像語義分析、智能識別、光學字符識別等計算機視覺領(lǐng)域表現(xiàn)非常突出，尤其是涉及到視頻圖像的結(jié)構(gòu)化處理、分析方面，人工智能可以發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢。而圖像清晰度是決定人工智能能否在行業(yè)中發(fā)揮優(yōu)勢的關(guān)鍵。這其中除了前端采集設(shè)備、后端顯示設(shè)備的不斷變革，傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化是另外一個難題。

就網(wǎng)絡(luò)攝像機而言，畫面?zhèn)鬏數(shù)馁|(zhì)量取決于網(wǎng)絡(luò)的帶寬和穩(wěn)定性。一路720P的高清視頻傳輸基本要求寬帶1～2Mbps，1080P的高清視頻要求帶寬2～4Mbps，更別論4K和8K。但實際的無線傳輸帶寬一直是個瓶頸，這就導(dǎo)致了丟包、延遲、抖動等一系列問題，嚴重影響了視頻的流暢度和清晰度。

受限于網(wǎng)絡(luò)帶寬的影響，安防工程師們不得不調(diào)節(jié)視頻碼流的碼率、幀率、分辨率和圖像質(zhì)量等參數(shù)，以實現(xiàn)圖象質(zhì)量和傳輸質(zhì)量的兼顧。例如普遍采用的雙碼流技術(shù)讓用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬靈活選擇碼流格式，達到本地高清存儲、遠程低碼流傳輸?shù)哪康模@成為了對視頻清晰度要求較高的行業(yè)的無奈選擇。

如今隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的提高，尤其是5G時代的來臨，超高速的傳輸速率可讓安防技術(shù)人員如釋重負。5G對于視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)男侍嵘?，就如同高鐵對于交通運輸?shù)男侍嵘?，將推動質(zhì)的飛躍，視頻圖像的畫面效果將越來越精細，智能處理的效果將越來精準。

5G的到來，將帶動整個視頻監(jiān)控行業(yè)的升級，讓超高清安防監(jiān)控真正走進行業(yè)應(yīng)用中。

首先是遠程安防監(jiān)控。如戶外現(xiàn)場實時監(jiān)控，尤其是春運、國慶等節(jié)假日期間，火車站、著名景點等場所人員密集，極易造成人員傷亡事故。在此部署4K/8K超清高視頻監(jiān)控終端，將有利于預(yù)防或及時處置人員傷亡事件。結(jié)合4K/8K超高清視頻監(jiān)控畫面，還可以開展高準確性的智能識別、車牌識別等應(yīng)用。

其次是VR超清直播。VR賦予了安防行業(yè)巨大的創(chuàng)新能力，使視頻系統(tǒng)的前后端都將獲得嶄新能力。首先，VR場景可以由前端的全景攝像機拼接合成，獲得4K甚至更高的超精細畫面，通過配套軟件的后期處理讓用戶不僅可以進行傳統(tǒng)的變倍、變焦等操控，還能夠隨時變換角度，獲得更好的沉浸感；其次，VR技術(shù)可以通過前端攝像機將視頻本身的“現(xiàn)實”與數(shù)字化計算后的“增強”信息結(jié)合起來，使用戶在監(jiān)控實時視頻畫面的同時，同步獲得目標對象的其他重要數(shù)據(jù)信息；再次，VR可使監(jiān)控后端的操控獲得入境體驗，以往的監(jiān)控布控，觀察者以第三視覺審視整個系統(tǒng)的布局，容易產(chǎn)生偏差，使用VR技術(shù)，觀察角度不再是布局者，而是局中人，例如2018年第23屆的韓國平昌冬奧會，各大轉(zhuǎn)播機構(gòu)采用8K和VR技術(shù)，精彩呈現(xiàn)了美輪美奐的雪景，如實記錄了開閉幕式和大量比賽，為觀眾提供了沉浸式和交互式的360°畫面。

再次是遠程超清醫(yī)療。采用5G網(wǎng)絡(luò)傳輸超清視頻在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)⒃旄V大患者。比如，在救護車上安裝4K攝像機拍攝車內(nèi)患者的高清視頻，有助于醫(yī)療專家遠程掌握患者的情況，指導(dǎo)車內(nèi)醫(yī)護人員進行急救，并根據(jù)患者實際情況提前在醫(yī)院內(nèi)準備手術(shù)方案和手術(shù)器材。

此外，還有商業(yè)性遠程現(xiàn)場實時展示及街景采集。例如旅游景點可以進行旅游景點風景的遠程實時展示，以便推廣旅游項目；宇視的城市地圖網(wǎng)站的街景采集采用5G網(wǎng)絡(luò)傳輸城市的實時超清街景，會起到更好的指引效果。5G網(wǎng)絡(luò)和超清視頻的結(jié)合，將帶來更多新的商業(yè)模式。

三、擴大多維物聯(lián)

智慧安防是物聯(lián)網(wǎng)最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)中的傳感技術(shù)可以監(jiān)測各種人為或環(huán)境指數(shù)，提示不穩(wěn)定因素，及時發(fā)出預(yù)警，達到快速控制事件或有效撤離的目的，降低事故對生命和財產(chǎn)的損害。

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加強對重點地區(qū)、重點部位的視頻監(jiān)控及預(yù)警，可增強數(shù)據(jù)分析能力，實現(xiàn)公共安全事件監(jiān)測。例如，利用電子標簽、視頻監(jiān)控、紅外感應(yīng)等手段，可加強對危險物品監(jiān)控、垃圾監(jiān)測處理、可燃物排放、有毒氣體排放、醫(yī)療廢物、疾病預(yù)防控制等的全流程過程監(jiān)測和控制。

5G具有的多維連接的特性擴大了安防監(jiān)控的范圍，能夠為IT系統(tǒng)上智慧安防云端提供更多維、更全面的參考數(shù)據(jù)，從而助力安防云端做出更精確、更有效、更快速的安全防范決策。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在軟件層面更是采用了大量的云和網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，可有效解決多層感知節(jié)點連接的系列問題。

可以說，5G技術(shù)是天然為物聯(lián)網(wǎng)場景應(yīng)用而生。

圖 安防IT化發(fā)展（宇視朱兵制圖）

四、促進迅捷交互

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)(V2X)，主要包括汽車與汽車(V2V)、汽車與基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)以及汽車與行人(V2P)等多種應(yīng)用場景。車聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的密集使用和頻繁交換對實時性的要求非常高，受4G無線通信技術(shù)的限制，通信時延通常達不到毫秒級，不能支持安全互聯(lián)的需求。

5G的時延達到了毫秒級，滿足了低延時和高可靠性需求，成為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最大突破口。利用5G網(wǎng)絡(luò)的低時延特性，道路使用者和路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間可以收集并分享豐富的實時信息。例如，汽車的位置和速度，路上的自行車和行人，天氣和路面條件，交通擁堵情況和其它道路障礙等。智能交通監(jiān)測系統(tǒng)和基于AI技術(shù)的車載電腦將通過這些信息來為司機提供指導(dǎo)。例如，幫助司機們避免意外交通事故，或者是動態(tài)規(guī)劃前往目的地的最佳路線。

5G車聯(lián)網(wǎng)不局限于V2X的信息交互，還可應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域以及自然災(zāi)害等場景。在商業(yè)領(lǐng)域，商店、快餐廳、酒店、加油站、4S店等場所將會部署5G通信終端，當車輛接近這些場所的有效通信范圍時，可以根據(jù)車主的需求快速地與這些商業(yè)機構(gòu)建立ad hoc網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)終端之間高效快捷的通信，從而可以快速訂餐、訂房、選擇性地接收優(yōu)惠信息等，且在通信過程中不需要連接互聯(lián)網(wǎng)。這將取代目前商業(yè)機構(gòu)中藍牙或者Wi-Fi通信方式，也將帶動一個新的大型商業(yè)運營模式的產(chǎn)生與發(fā)展。在地震、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生地區(qū)，當通信基礎(chǔ)設(shè)施被破壞、無法為車載單元提供通信服務(wù)時，有相當數(shù)量的人可能是正在車輛上或正準備駕乘車輛離開，5G車載單元可以在沒有基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助的情況下，通過基于單跳或多跳的D2D方式與其他5G車載單元通信。另外，5G車載終端也可以作為通信中繼，協(xié)助周邊的5G移動終端進行信息交互。

五、賦能智慧城市大安防

隨著5G到來，每個物品都可以加裝芯片，信息的采集和交互變得越來越容易，信息孤島將不復(fù)存在。另一方面，MEC、微云、霧計算等邊緣計算架構(gòu)越來越完善，計算負載在海量節(jié)點之間的快速分割、調(diào)度和遷移變得越來越頻繁。

5G技術(shù)的超高帶寬、超多連接、超低時延的典型特性恰到好處的滿足了時代的需求，正在助推以大安防為核心的智慧城市各細分領(lǐng)域的應(yīng)用快速落地。