5G及后5G时代：万物互联到万物智能的黄金时代

日前，天津大学智能与计算学部 王晓飞 教授应《人民论坛·学术前沿》邀请，发表《智慧边缘计算：万物互联到万物赋能的桥梁》万字长文，边缘计算社区经过和王晓飞教授沟通讨论，为了方便大家阅读，将论文整理成几篇。字字珠玑，愿大家有收获，对论文有不同观点和意见看法的，可以通过文末邮箱联系王晓飞教授。

本文为第一篇《5G及后5G时代：万物互联到万物智能的黄金时代》。

万物互联的发展历程

创造是专属于人类的生产方式，科技则是人们在实践过程中产生的观念。

马克思曾说过，这一观念包含着人与自然、人与人、人与自身的全部关系。网络信息技术的发展无疑改变着这些关系，即时通讯、扫码支付、日推歌单、共享单车、智能定位……人们是客体也是主体，以数据的方式得到确认，又将享受着数据和算法带来的便捷与智能。

从十九世纪八十年代诞生的仅支持语音信号传输的第一代通讯技术，到现在已成熟并广泛应用的第四代通讯技术，以及正在建设的第五代通讯技术，无线通信技术已成为构建智能世界的主要趋势之一，成为了维系人与人、设备与设备、人与设备之间的纽带，打破了“数据（Data）困境”的壁垒，形成各种各样的信息（Information），万物互联正是科技发展驱动下的必然产物。

万物互联使得人们无需对每一个物品下指令就能够获得贴心的服务，对于工业和经济的发展更是一大推动力。报告显示，未来的无线通信系统将必须容纳约1000亿个连接设备，其中包括人类和机器通信设备。其主要目标是建立一个互联的社会，在这个社会中，无人机、汽车、传感器、医疗和可穿戴设备都将通过蜂窝网络相互连接，与终端用户交互，提供不同的创新型服务，如智能城市、智能家居、智能汽车、先进的安全和远程手术。

但实现这个全面互联的目标所必需的多设备连接、高速率、低延迟、少干扰也对网络提出了更高的要求。需求催生进步，5G技术带着颠覆世界的使命向我们走来，它具有超高速率（峰值速率大于每秒20Gbit，相当于4G的20倍）、低时延（网络时延从4G的50ms缩减到1ms）、海量设备连接（满足1000亿量级的连接）、低功耗的特点。

万物互联的发展离不开物联网的支撑，5G技术则为其提供了良好的保障。2019年9月，在世界物联网博览会上，中国经济信息社发布《2018-2019中国物联网发展年度报告》，指出了我国对物联网发展的政策支持力度不断加大，阐述了我国物联网应用领域和产业规模。正是由于国家政策导向和支持，我国物联网技术取得了很大的进步，万物互联的时代正式形成。

万物智能时代到来：

人工智能技术发展催化物联网应用落地

万物互联加速了信息的融合与联动，以物联网等技术作为载体，加持人类行为的驱动，不同维度下的信息边界正在消失，形成了具有时空性（Spatial-temporal）的知识（Knowledge），而第四次工业革命作为人类文明的一个新时代出现，不仅带来了5G技术，还促进了以人工智能为基础的技术领域不断地快速发展。如果说5G是物联网发展的坚实基础，人工智能则是物联网广泛应用的催化剂，成为了推动人类进入万物智能时代的决定性力量。人工智能在医疗、交通、教育、商业和信息安全等领域的发展已经影响到人们日常生活的许多方面。信息的高度互联，也受到了人工智能技术的加持。

人工智能技术、云计算和5G等各项技术的融入，赋予了机器“思考”的能力，打破了各类应用场景的边界，将万物互联推向了万物智能时代。

智能物联网落地应用越来越多，进入我们生活的方方面面。例如，2017年阿里巴巴推出了阿里云Link互联网平台，宣布正式进军物联网领域，预计未来5年实现100亿台设备的接入，这些产品涉及智慧城市、智慧物流、智能医疗等领域。其中包括：在外卖服务方面，阿里云对饿了么的配送流程进行优化，餐厅的厨师做好饭之后，点击一个集成IoTSDK的按钮，后台管理系统可以选择距离餐厅最近的配送员进行取餐，大大减少配送人员等餐时间，提高送餐效率；在城市管理方面，阿里云Link为无锡鸿山的每一个路灯、煤气管道、河流配备了传感器，使其可以互联互通，小镇的管理者可以轻松实现城市治理智能化。

此外，很多公司在物联网应用方面也有很好的成就。例如，英特尔和福建升腾资讯合作完成的自助终端和金融服务机器人，提高了无人银行的客户体验；在事故预防方面，英特尔推出了互联消防员，他将Quark处理器连接到消防员的呼吸面罩中，根据消防员的氧气剩余含量和所处环境作出最优的决策；在人际交往方面，IBM公司推出了一个物联网应用——智能泰迪熊，它可以长时间追踪孩子的情绪并向父母发送相应的文本消息，父母可以根据追踪得到的结果实时了解孩子的心情，并及时进行回复。

物联网使得原本冷冰冰的物体成为人类意识的另一种显现方式，甚至能进行思维、判断，倾听和感知，如果说智慧是人类永远的向往，智能则是物联网的追求目标。

设备的爆炸式增长也为数字孪生的发展奠定了基础。所谓数字孪生，就是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。简而言之就是再创造一个系统或设备的数字版的“克隆体”。

数字孪生主要运用于工业的产品设计、生产、维护及维修等环节中，如美国GE公司为每个引擎、核磁共振等创造了数字孪生体，利用仿真技术，在数字空间完成对机器的调试。除了在工业领域内的应用，数字栾生技术还可以应用于医疗行业和“智慧城市”的建设。如通过5G等传输技术，成功完成了全国首例远程人体手术——帕金森病“脑起搏器”植入手术和将雄安新区定位于绿色、智能的数字孪生城市，实现了物理空间与虚拟数字空间的融合共生等。

万物智能中的变化和挑战

随着移动设备的普及，网络环境中的每个用户都已经从互联网内容的消费者成为了内容的创造者，实现人人智联。随着互联网技术和电子设备的发展，移动设备的多样性增加，不仅仅是移动电话､个人电脑，其他现有的智能对象，如智能电表､传感器、识别阅读器和家用电器等也是物联网中的重要组成部分。能够介入到互联网中的设备将越来越多，数量呈指数级增长，呈现出了一个多方合一的新局面，形成网络､设备､人工智能等各专业领域的知识融合，但在带来巨大变化的同时，也面临着更多的挑战。

首先，物与物的直接连接需要更多样稳定的接入方式。万物互联涉及到以太网、电力线通讯等多种通信方式，大部分被连接的设备还是会利用无线通信来传输传感器和执行器的信息。无线网络的接入方式是多种多样的，比如，WiFi､蓝牙､LoRa（一种长距离无线通信技术）等。多网络的异构性与不同的接入网络和连接能力有关，随着网络技术和人类社会的发展，大部分区域将会出现多种无线通信方式共存的情况，所以寻找更优的网络接入策略、解决物联网无线网络的接入问题将成为挑战之一。

其次，多领域多元素的网络框架，就像一个要同时处理多种事物的综合办公室。在这个框架中，用户､信息､过程和事务将被同时考虑，并允许其通过互联网技术进行扩展，实现智能管理、监控､定位､识别等功能，以一个更有效的方式满足人们的日常需求。在这个过程中，物联网既是环境也是桥梁，应推进所有内容的集成，并填补由内容演变带来的需求空白，让人与人、人与物之间的信息沟通更加通畅便捷，做到随时感知、随时共享、随时控制，以达到更深程度的人人互联、服务互联和最终市场所期望的万物互联。

再次，如何优化频谱资源的利用率是未来需要解决的问题之一。不同的传感器拥有不同的感知､处理和通信能力，在异构的无线环境需要可靠的通信链路来实现更高效的通信。与4G相比，5G应达到1000倍的系统吞吐量，10倍的频谱效率，以及更高的数据速率和更大的数据传输量，对频谱资源的利用也因此有了更高的要求，同时，在真实的物联网场景中，存在着多种类型的传感器，来自于不同的制造商，并且涵盖多种协议，因而，许多问题解决方案的设计需要独立于设备类型和配置，以应对复杂多变的感知与传输环境。

最后，设备及基建设施面临巨大的能耗也是亟待解决的挑战。截至2019年底，我国已有超过13万个5G基站，而5G基站的耗电量是现有4G基站的数十倍甚至百倍，其中80%用于物联网，同时，考虑设备电池的寿命，它取决于设备如何有效地利用各种空闲和休眠模式，在设计中需要合理地对这些模式进行安排。然而，物联网并不仅仅是建立多方的联系，而是进一步实现从连接到智能，除了设备的连接，设备的计算能力才是让这张网能够活起来的关键。

无论是自然界还是在人类的生产生活中，需求和进化都是相辅相成的，随着技术的进步，需求也在不断升级。每一次技术的革新都影响着人类生活。高速无线通信互联网连接和更高的数据率在社会中有着很高的需求，是智能经济发展和社会与世界的数字化的一个重要因素，4G在很多时候可以满足当前大部分用户的上网需求，但在物理层和网络层的设计及其应用领域依然存在着无法满足当前许多需求的问题。

5G时代的到来，在提供新机遇的同时，也有着更高的技术要求，海量设备的接入，对数据流量和服务的需求大大增加，与此同时，也需要更大的稳定性和更加广泛的覆盖性，这些需求无疑呼唤着更加成熟灵活的架构与算法。

边缘计算应运而生

随着移动通信技术的快速发展，边缘计算理论和技术越来越引起关注，在这个数据爆炸的时代，边缘计算就也是一种应对数据压力的有效方法。

设备的智能化和数据量的增加，对带宽､功率､延迟､隐私等方面的需求逐渐加深，将所有数据传送到云中是不现实的，因此，利用网络“边缘”对云端分流，能够有效减小云端的流量与计算压力。人工智能促使边缘不仅仅是连接而是变得智能的同时，边缘端多种多样的应用场景，如车联网、智慧家居等，不断产生着大量的数据，边缘计算中的丰富数据可以支持人工智能。边缘计算与人工智能是互补的，也是相辅相成的，与传统的算法相比，具有更加灵活的、可扩展的分布式计算的特性。

边缘生态系统通过为人工智能带来海量的信息，将为人工智能提供许多新的应用场景，边缘计算与智能相结合，推动着物联网的持续蓬勃发展，也预示着万物赋能的基本趋势。每个人都被裹挟在时代进步的潮流中，无论你是享受着技术带来的便利，还是早早将目光聚焦于未来，都已经与之融为一体。未来的变化和挑战，是从万物互联到万物赋能必须要面对和经历的，但迎接它的更多是一片又一片“蓝海”。

关于作者：

王晓飞，天津大学智能与计算学部教授、博导，国家青年千人，北洋青年学者。研究方向为智能网络、5G移动网络、移动边缘计算。主要著作有《Edge AI》等。

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