周迪 徐愛華

一、5G的能量

隨著工信部5G商用牌照的發放，我國正式進入5G商用元年。相比4G，5G網絡作為第五代移動通信網絡，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密度，毫秒級的端到端時延，每平方公里數十Tbps的流量密度，每小時500km以上的移動性能和數十Gbps的峰值速率；其中，用戶體驗速率、連接數密度和時延為5G最基本的三個性能指標。

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

1.毫米波

隨著連接到無線網絡的設備數量的增加，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。根據通信原理，載波頻率越高，其可實現的信號帶寬也就越大。在毫米波頻段中，28GHz與60GHz是最有望應用在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千個小基站以形成密集網絡，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送數據。

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。小基站不僅在規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（大規模天線）技術形成大規模天線陣列，使得基站可以同時從更多用戶發送和接收信號，從而將移動網絡的容量提升數十倍或更大。

圖 Massive MIMO天線陣子數量與傳統2T2R天線的對比

4.波束成形

Massive MIMO技術為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鍵。通過有效控制這些天線，使其發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送更多信息。對于大規模天線基站，我們甚至可以通過信號處理算法計算出信號傳輸的最佳路徑和移動終端的位置。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

全雙工技術是5G的另一大特色，設備的發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。這是通信節點實現雙向通信的關鍵之一，也是5G所需高吞吐量和低延遲的關鍵技術。

二、提升高清和智能

在安防行業，對清晰度的追求是行業發展重要驅動力，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，記錄著視頻安防監控從“看得見”到“看得清”再到“看得懂”的時代轉變。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域表現非常突出，尤其是涉及到視頻圖像的結構化處理、分析方面，人工智能可以發揮其獨特的優勢。而圖像清晰度是決定人工智能能否在行業中發揮優勢的關鍵。這其中除了前端采集設備、后端顯示設備的不斷變革，傳輸系統的優化是另外一個難題。

就網絡攝像機而言，畫面傳輸的質量取決于網絡的帶寬和穩定性。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。

受限于網絡帶寬的影響，安防工程師們不得不調節視頻碼流的碼率、幀率、分辨率和圖像質量等參數，以實現圖象質量和傳輸質量的兼顧。例如普遍采用的雙碼流技術讓用戶可以根據網絡帶寬靈活選擇碼流格式，達到本地高清存儲、遠程低碼流傳輸的目的，這成為了對視頻清晰度要求較高的行業的無奈選擇。

如今隨著網絡帶寬的提高，尤其是5G時代的來臨，超高速的傳輸速率可讓安防技術人員如釋重負。5G對于視頻監控數據傳輸的效率提升，就如同高鐵對于交通運輸的效率提升，將推動質的飛躍，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，將帶動整個視頻監控行業的升級，讓超高清安防監控真正走進行業應用中。

首先是遠程安防監控。如戶外現場實時監控，尤其是春運、國慶等節假日期間，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超清高視頻監控終端，將有利于預防或及時處置人員傷亡事件。結合4K/8K超高清視頻監控畫面，還可以開展高準確性的智能識別、車牌識別等應用。

其次是VR超清直播。VR賦予了安防行業巨大的創新能力，使視頻系統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技術可以通過前端攝像機將視頻本身的“現實”與數字化計算后的“增強”信息結合起來，使用戶在監控實時視頻畫面的同時，同步獲得目標對象的其他重要數據信息；再次，VR可使監控后端的操控獲得入境體驗，以往的監控布控，觀察者以第三視覺審視整個系統的布局，容易產生偏差，使用VR技術，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，各大轉播機構采用8K和VR技術，精彩呈現了美輪美奐的雪景，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。

再次是遠程超清醫療。采用5G網絡傳輸超清視頻在醫療領域將造福廣大患者。比如，在救護車上安裝4K攝像機拍攝車內患者的高清視頻，有助于醫療專家遠程掌握患者的情況，指導車內醫護人員進行急救，并根據患者實際情況提前在醫院內準備手術方案和手術器材。

此外，還有商業性遠程現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；宇視的城市地圖網站的街景采集采用5G網絡傳輸城市的實時超清街景，會起到更好的指引效果。5G網絡和超清視頻的結合，將帶來更多新的商業模式。

三、擴大多維物聯

智慧安防是物聯網最為重要的應用領域。物聯網中的傳感技術可以監測各種人為或環境指數，提示不穩定因素，及時發出預警，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的損害。

應用物聯網技術加強對重點地區、重點部位的視頻監控及預警，可增強數據分析能力，實現公共安全事件監測。例如，利用電子標簽、視頻監控、紅外感應等手段，可加強對危險物品監控、垃圾監測處理、可燃物排放、有毒氣體排放、醫療廢物、疾病預防控制等的全流程過程監測和控制。

5G具有的多維連接的特性擴大了安防監控的范圍，能夠為IT系統上智慧安防云端提供更多維、更全面的參考數據，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網絡架構在軟件層面更是采用了大量的云和網絡虛擬化技術，可有效解決多層感知節點連接的系列問題。

可以說，5G技術是天然為物聯網場景應用而生。

圖 安防IT化發展（宇視朱兵制圖）

四、促進迅捷交互

車聯網技術的基礎和關鍵技術是智能網聯汽車技術(V2X)，主要包括汽車與汽車(V2V)、汽車與基礎設施(V2I)以及汽車與行人(V2P)等多種應用場景。車聯網通信數據的密集使用和頻繁交換對實時性的要求非常高，受4G無線通信技術的限制，通信時延通常達不到毫秒級，不能支持安全互聯的需求。

5G的時延達到了毫秒級，滿足了低延時和高可靠性需求，成為車聯網發展的最大突破口。利用5G網絡的低時延特性，道路使用者和路邊基礎設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。智能交通監測系統和基于AI技術的車載電腦將通過這些信息來為司機提供指導。例如，幫助司機們避免意外交通事故，或者是動態規劃前往目的地的最佳路線。

5G車聯網不局限于V2X的信息交互，還可應用于商業領域以及自然災害等場景。在商業領域，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，可以根據車主的需求快速地與這些商業機構建立ad hoc網絡，實現終端之間高效快捷的通信，從而可以快速訂餐、訂房、選擇性地接收優惠信息等，且在通信過程中不需要連接互聯網。這將取代目前商業機構中藍牙或者Wi-Fi通信方式，也將帶動一個新的大型商業運營模式的產生與發展。在地震、泥石流等自然災害發生地區，當通信基礎設施被破壞、無法為車載單元提供通信服務時，有相當數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設施協助的情況下，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，信息孤島將不復存在。另一方面，MEC、微云、霧計算等邊緣計算架構越來越完善，計算負載在海量節點之間的快速分割、調度和遷移變得越來越頻繁。

5G技術的超高帶寬、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域的應用快速落地。