5G深度变革大安防

周迪 徐爱华

一、5G的能量

随着工信部5G商用牌照的发放，我国正式进入5G商用元年。相比4G，5G网络作为第五代移动通信网络，其提升是全方位的：支持0.1～1Gbps的用户体验速率，每平方公里一百万的连接数密度，毫秒级的端到端时延，每平方公里数十Tbps的流量密度，每小时500km以上的移动性能和数十Gbps的峰值速率；其中，用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。

5G背后的关键技术主要有毫米波、小基站、Massive MIMO、波束成形以及全双工等。

1.毫米波

随着连接到无线网络的设备数量的增加，频谱资源稀缺的问题日渐突出。在极其狭窄的频谱上共享有限的带宽会极大地影响用户的体验。无线传输一般通过提高频谱利用率或增加频谱带宽来提升传输速率，毫米波技术就是通过后者提升速率。

毫米波是指波长在1～10毫米的电磁波，其频率大约在30GHz～300GHz之间。它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼具两种波谱的特点。根据通信原理，载波频率越高，其可实现的信号带宽也就越大。在毫米波频段中，28GHz与60GHz是最有望应用在5G通信的两个频段。其中，28GHz的可用频谱带宽可达1GHz，60GHz每个信道的可用频谱带宽则可达2GHz。使用毫米波频段，频谱带宽较4G可翻10倍，传输速率也将更快。

2.小基站

毫米波技术的缺陷是穿透力差、衰减大，因此毫米波频段下的5G通信在高楼林立的环境下传输效果并不理想，而小基站可解决这一问题。大量的小基站可以覆盖大基站无法触及的末梢通信。小基站的覆盖范围是100米～300米，这样运营商可以在每个城市中部署数千个小基站以形成密集网络，每个基站可以从其它基站接收信号并向任何位置的用户发送数据。

由于毫米波的频率很高，波长很短，就意味着其天线尺寸可以做得很小，这是部署小基站的基础。小基站不仅在规模上要远远小于大基站，功耗上也大大缩小。

图 小基站

3.Massive MIMO

4G基站只有十几根天线，但5G基站可以支持几百根天线。这些天线通过Massive MIMO（大规模天线）技术形成大规模天线阵列，使得基站可以同时从更多用户发送和接收信号，从而将移动网络的容量提升数十倍或更大。

图 Massive MIMO天线阵子数量与传统2T2R天线的对比

4.波束成形

Massive MIMO技术为5G大幅增加容量的同时，其多天线特点也势必会带来更多的干扰，而波束成形就是解决这一问题的关键。通过有效控制这些天线，使其发出的每个电磁波在空间上互相抵消或者增强，就可以形成一个很窄的波束。有限的能量集中在特定方向上进行传输不仅距离更远，也避免了信号的相互干扰。

波束成形还可以提升频谱利用率，可同时从多个天线发送更多信息。对于大规模天线基站，我们甚至可以通过信号处理算法计算出信号传输的最佳路径和移动终端的位置。因此，波束成形可以解决毫米波信号被障碍物阻挡和远距离衰减问题。

图 波束传输不仅距离更远，也避免了信号的相互干扰

5. 全双工

全双工技术是5G的另一大特色，设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时工作，使得通信的双向交互同时在上、下行使用相同的频率，突破了现有的频分双工（FDD）和时分双工（TDD）模式下的半双工缺陷。这是通信节点实现双向通信的关键之一，也是5G所需高吞吐量和低延迟的关键技术。

二、提升高清和智能

在安防行业，对清晰度的追求是行业发展重要驱动力，从最初的标清（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热潮席卷而来，记录着视频安防监控从“看得见”到“看得清”再到“看得懂”的时代转变。人工智能在图像分类、图像语义分析、人脸识别、光学字符识别等计算机视觉领域表现非常突出，尤其是涉及到视频图像的结构化处理、分析方面，人工智能可以发挥其独特的优势。而图像清晰度是决定人工智能能否在行业中发挥优势的关键。这其中除了前端采集设备、后端显示设备的不断变革，传输系统的优化是另外一个难题。

就网络摄像机而言，画面传输的质量取决于网络的带宽和稳定性。一路720P的高清视频传输基本要求宽带1～2Mbps，1080P的高清视频要求带宽2～4Mbps，更别论4K和8K。但实际的无线传输带宽一直是个瓶颈，这就导致了丢包、延迟、抖动等一系列问题，严重影响了视频的流畅度和清晰度。

受限于网络带宽的影响，安防工程师们不得不调节视频码流的码率、帧率、分辨率和图像质量等参数，以实现图象质量和传输质量的兼顾。例如普遍采用的双码流技术让用户可以根据网络带宽灵活选择码流格式，达到本地高清存储、远程低码流传输的目的，这成为了对视频清晰度要求较高的行业的无奈选择。

如今随着网络带宽的提高，尤其是5G时代的来临，超高速的传输速率可让安防技术人员如释重负。5G对于视频监控数据传输的效率提升，就如同高铁对于交通运输的效率提升，将推动质的飞跃，视频图像的画面效果将越来越精细，智能处理的效果将越来精准。

5G的到来，将带动整个视频监控行业的升级，让超高清安防监控真正走进行业应用中。

首先是远程安防监控。如户外现场实时监控，尤其是春运、国庆等节假日期间，火车站、著名景点等场所人员密集，极易造成人员伤亡事故。在此部署4K/8K超清高视频监控终端，将有利于预防或及时处置人员伤亡事件。结合4K/8K超高清视频监控画面，还可以开展高准确性的人脸识别、车牌识别等应用。

其次是VR超清直播。VR赋予了安防行业巨大的创新能力，使视频系统的前后端都将获得崭新能力。首先，VR场景可以由前端的全景摄像机拼接合成，获得4K甚至更高的超精细画面，通过配套软件的后期处理让用户不仅可以进行传统的变倍、变焦等操控，还能够随时变换角度，获得更好的沉浸感；其次，VR技术可以通过前端摄像机将视频本身的“现实”与数字化计算后的“增强”信息结合起来，使用户在监控实时视频画面的同时，同步获得目标对象的其他重要数据信息；再次，VR可使监控后端的操控获得入境体验，以往的监控布控，观察者以第三视觉审视整个系统的布局，容易产生偏差，使用VR技术，观察角度不再是布局者，而是局中人，例如2018年第23届的韩国平昌冬奥会，各大转播机构采用8K和VR技术，精彩呈现了美轮美奂的雪景，如实记录了开闭幕式和大量比赛，为观众提供了沉浸式和交互式的360°画面。

再次是远程超清医疗。采用5G网络传输超清视频在医疗领域将造福广大患者。比如，在救护车上安装4K摄像机拍摄车内患者的高清视频，有助于医疗专家远程掌握患者的情况，指导车内医护人员进行急救，并根据患者实际情况提前在医院内准备手术方案和手术器材。

此外，还有商业性远程现场实时展示及街景采集。例如旅游景点可以进行旅游景点风景的远程实时展示，以便推广旅游项目；博亚的城市地图网站的街景采集采用5G网络传输城市的实时超清街景，会起到更好的指引效果。5G网络和超清视频的结合，将带来更多新的商业模式。

三、扩大多维物联

智慧安防是物联网最为重要的应用领域。物联网中的传感技术可以监测各种人为或环境指数，提示不稳定因素，及时发出预警，达到快速控制事件或有效撤离的目的，降低事故对生命和财产的损害。

应用物联网技术加强对重点地区、重点部位的视频监控及预警，可增强数据分析能力，实现公共安全事件监测。例如，利用电子标签、视频监控、红外感应等手段，可加强对危险物品监控、垃圾监测处理、可燃物排放、有毒气体排放、医疗废物、疾病预防控制等的全流程过程监测和控制。

5G具有的多维连接的特性扩大了安防监控的范围，能够为IT系统上智慧安防云端提供更多维、更全面的参考数据，从而助力安防云端做出更精确、更有效、更快速的安全防范决策。5G网络架构在软件层面更是采用了大量的云和网络虚拟化技术，可有效解决多层感知节点连接的系列问题。

可以说，5G技术是天然为物联网场景应用而生。

图 安防IT化发展（博亚朱兵制图）

四、促进迅捷交互

车联网技术的基础和关键技术是智能网联汽车技术(V2X)，主要包括汽车与汽车(V2V)、汽车与基础设施(V2I)以及汽车与行人(V2P)等多种应用场景。车联网通信数据的密集使用和频繁交换对实时性的要求非常高，受4G无线通信技术的限制，通信时延通常达不到毫秒级，不能支持安全互联的需求。

5G的时延达到了毫秒级，满足了低延时和高可靠性需求，成为车联网发展的最大突破口。利用5G网络的低时延特性，道路使用者和路边基础设施之间可以收集并分享丰富的实时信息。例如，汽车的位置和速度，路上的自行车和行人，天气和路面条件，交通拥堵情况和其它道路障碍等。智能交通监测系统和基于AI技术的车载电脑将通过这些信息来为司机提供指导。例如，帮助司机们避免意外交通事故，或者是动态规划前往目的地的最佳路线。

5G车联网不局限于V2X的信息交互，还可应用于商业领域以及自然灾害等场景。在商业领域，商店、快餐厅、酒店、加油站、4S店等场所将会部署5G通信终端，当车辆接近这些场所的有效通信范围时，可以根据车主的需求快速地与这些商业机构建立ad hoc网络，实现终端之间高效快捷的通信，从而可以快速订餐、订房、选择性地接收优惠信息等，且在通信过程中不需要连接互联网。这将取代目前商业机构中蓝牙或者Wi-Fi通信方式，也将带动一个新的大型商业运营模式的产生与发展。在地震、泥石流等自然灾害发生地区，当通信基础设施被破坏、无法为车载单元提供通信服务时，有相当数量的人可能是正在车辆上或正准备驾乘车辆离开，5G车载单元可以在没有基础设施协助的情况下，通过基于单跳或多跳的D2D方式与其他5G车载单元通信。另外，5G车载终端也可以作为通信中继，协助周边的5G移动终端进行信息交互。

五、赋能智慧城市大安防

随着5G到来，每个物品都可以加装芯片，信息的采集和交互变得越来越容易，信息孤岛将不复存在。另一方面，MEC、微云、雾计算等边缘计算架构越来越完善，计算负载在海量节点之间的快速分割、调度和迁移变得越来越频繁。

5G技术的超高带宽、超多连接、超低时延的典型特性恰到好处的满足了时代的需求，正在助推以大安防为核心的智慧城市各细分领域的应用快速落地。