未來網絡技術的新征程：5G、物聯(lián)網與邊緣計算

來源：湖北國菱計算機科技有限公司-湖北國聯(lián)計算機科技有限公司-荊州網站建設-荊州軟件開發(fā)-政府網站建設公司 時間：2025-03-10

一、5G 網絡：引領未來通信新潮流

（一）5G 網絡的特點

高速率：5G 依托良好技術架構，提供更高的網絡速度，峰值要求不低于 20Gb/s，下載速度最高達 10Gbps。相比 4G 網絡，5G 的基站速度可以達到 10Gb/s，比 4G 的理論速度要快 100 倍。實際使用時，5G 的網速大概比 4G 快 10 倍。例如，5G 網絡下僅需要 33 秒就可完成一部電影的下載，每秒的速率達到 726Mbps，而 4G 的 LTE Cat.12 網絡下載速率僅 62.2Mbps，花掉了 6 分鐘 25 秒的時間。

泛在網：廣泛覆蓋和縱深覆蓋，不僅覆蓋生活各個地方，還能改善網絡品質不好的區(qū)域，如衛(wèi)生間、地下停車庫等。泛在網有兩個層面的含義，一是廣泛覆蓋，可大量部署傳感器，進行環(huán)境、空氣質量甚至地貌變化、地震的監(jiān)測等；二是縱深覆蓋，可把以前網絡品質不好的衛(wèi)生間、地下停車庫等都用很好的5G 網絡廣泛覆蓋。

低功耗：支持大規(guī)模物聯(lián)網應用，降低功耗，改善物聯(lián)網產品的用戶體驗。5G 要支持大規(guī)模物聯(lián)網應用，就必須要有功耗的要求。5G 能把功耗降下來，讓大部分物聯(lián)網產品一周充一次電，甚或一個月充一次電，大大改善用戶體驗，促進物聯(lián)網產品的快速普及。例如，低功耗物聯(lián)網設備的興起已成為蜂窩漫游擴展的強大催化劑，5G 物聯(lián)卡具備低功耗的特點，能夠在短時間內完成數(shù)據(jù)傳輸并進入休眠狀態(tài)，大大降低了設備的能耗，延長了物聯(lián)設備的續(xù)航時間。

低時延：最低要求1 毫秒，滿足無人駕駛、工業(yè)自動化等新領域應用。5G 對于時延的最低要求是 1 毫秒，甚至更低。這對網絡提出嚴酷的要求，而 5G 是這些新領域應用的必然要求。例如，在無人駕駛汽車中，一個制動，需要瞬間把信息送到車上做出反應，100 毫秒左右的時間，車就會沖出幾十米，5G 可在最短的時延中，把信息送到車上，進行制動與車控反應。在 5G 網絡下，遠程駕駛的時延僅有六七毫秒，一旦遇到緊急情況，遠程駕駛的剎車距離可能會比普通汽車多出 8 到 10 厘米，而 4G 信號剎車距離就有可能多出 1 到 2 米。

萬物互聯(lián)：讓更多不同類型的設備成為智能設備，實現(xiàn)實時管理和智能化功能。5G 的互聯(lián)性讓手機電腦等上網設備以及越來越多智能家電設備、可穿戴設備、共享汽車等更多不同類型的設備以及電燈等公共設施成為智能設備的可能。5G 除了人與人之間的通信，將提供使能 Internet of Things (IoT，物聯(lián)網) 的平臺，以用戶為中心構建全方位信息生態(tài)系統(tǒng)，提供各種可能和跨界整合。5G 技術將實現(xiàn)未來海量物聯(lián)網的連接，主要應用在智慧家居、智能城市，以及海量的工業(yè)物聯(lián)網等方面。很多權威的機構都做出預測，到 2020 年，社會中大概會有 500 億個設備通過人與物、物與物的連接方式實現(xiàn)海量物聯(lián)網。

（二）5G 網絡的潛在影響

移動信息安全挑戰(zhàn)：信息泄露多發(fā)，對抗網絡攻擊難度加大，大量物聯(lián)網設備接入存在DDOS 風險等。5G 日益普及，各種新技術、新應用也迎來爆發(fā)的契機。5G 技術的超高速率、超大連接、超低時延等特性，必然會涉及到更多的個人信息，甚至是個人敏感信息，由于個人信息被濫用，造成移動信息泄露事件層出不窮。同時，由于 5G 的應用場景比 4G 更加復雜化、多樣化，包括增強型移動寬帶場景、海量機器通信場景、超可靠低時延通信場景，這些新的通信場景對 5G 網絡提出了新的安全要求，5G 網絡自身的新安全機制也將給 5G 網絡帶來新的問題和新的安全挑戰(zhàn)，使得對抗移動網絡攻擊的難度增加。此外，大量物聯(lián)網設備接入存在 DDOS 風險、偽基站安全威脅依然存在、不同的場景有不同的安全要求、大量異構設備和多種接入方式對認證構成挑戰(zhàn)。

環(huán)境和社會影響：5G 需要更多基站和天線，可能增加無線電頻率輻射，更耗能，但也能降低能源消耗和污染，對溫室氣體排放和氣候變化有積極影響，還可能影響水資源和海洋生態(tài)系統(tǒng)等。5G 技術的出現(xiàn)有可能徹底改變我們的生活和工作方式。從技術角度來看，與前幾代無線技術相比，5G 將需要更多的基站和天線，這可能導致人口密集地區(qū)的無線電頻率輻射增加。預計 5G 網絡比現(xiàn)有網絡更耗能，這可能會對環(huán)境產生影響。然而，5G 技術也有積極的一面，其能源效率可達 4G 技術的十倍，意味著 5G 技術可以減少高達 90% 的溫室氣體排放，降低高達 70% 的能源消耗，從而降低電費。5G 技術帶來的節(jié)能也可以對氣候變化產生積極影響，減少對化石燃料的依賴，減少空氣污染和數(shù)據(jù)中心的碳足跡。同時，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的報告指出，5G 基站使用大量的水來冷卻其組件，這些水通常被排入大?；蚱渌w，可能會對當?shù)睾Ｑ笊镌斐蓢乐睾蠊?G 網絡使用的額外無線電頻率可能會干擾水生生物的功能，這可能對海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康產生長期影響。

二、物聯(lián)網：連接萬物的新挑戰(zhàn)

（一）物聯(lián)網的網絡需求

低延遲：物聯(lián)網中的一些應用對延遲非常敏感，比如生產線或油氣開采等場景需要低延遲的網絡來確保實時控制和高效運作。而像停車計價器這類設備則可以接受較高的延遲，因為它們不需要即時響應。聯(lián)網的停車計價器可能不需要每分鐘報告一次以上，所以像LoRaWAN 這樣的延遲感應無線選項可能是完全可以接受的。對于不耐延遲的應用程序，應使用工業(yè)以太網或特別是低延遲的無線鏈路。

低數(shù)據(jù)吞吐量：很多物聯(lián)網設備的數(shù)據(jù)傳輸需求非常低，只需每秒幾KB 甚至更少的數(shù)據(jù)量。具有低帶寬要求的設備包括智能建筑設備，例如連接的門鎖和燈開關，其大多數(shù)表示 “打開” 或 “關閉”。低功耗 WAN 和 Sigfox 可能沒有足夠的帶寬來處理大量流量，但它們非常適合不需要首先移動大量數(shù)據(jù)的連接，并且它們可以覆蓋重要區(qū)域。

適度處理能力：物聯(lián)網設備自身的處理能力會影響網絡。如果一個設備不斷地將原始數(shù)據(jù)流到網絡上，而不進行任何有意義的分析或對其本身進行塑造，那么它所帶來的流量負擔，可能會比至少完成部分工作的設備更大。在邊緣設置中，部分或全部數(shù)據(jù)分析在靠近端點的設備上完成，這樣可以減少網絡上的流量。

（二）物聯(lián)網面臨的挑戰(zhàn)

安全問題：物聯(lián)網設備擴大了網絡攻擊面，存在安全漏洞。網絡犯罪分子可以利用物聯(lián)網設備中的眾多安全漏洞進行攻擊，例如2017 年一家賭場的數(shù)據(jù)遭到黑客通過其中一個魚缸中的物聯(lián)網恒溫器訪問其網絡的攻擊，還有父母報告陌生人通過互聯(lián)網訪問他們的物聯(lián)網嬰兒監(jiān)視器并用它們與孩子交談。解決此問題的大部分負擔落在物聯(lián)網設備用戶身上，他們需像保護手機電腦一樣保護物聯(lián)網設備，比如使用好的密碼管理器，創(chuàng)建密碼策略并強制執(zhí)行，讓設備保持最新狀態(tài)等。

缺乏監(jiān)管：政府監(jiān)管往往跟不上物聯(lián)網發(fā)展速度。目前，大量物聯(lián)網設備從中國等質量和安全標準不同的國家進口，缺乏強有力的物聯(lián)網法規(guī)是物聯(lián)網仍然存在嚴重安全風險的一個重要原因。不同國家質量和安全標準不同，需制定通用安全標準，以應對潛在的攻擊場景，如當醫(yī)療設備、汽車和兒童玩具都連接到互聯(lián)網時可能出現(xiàn)的問題。

兼容性挑戰(zhàn)：新的技術浪潮帶來大量競爭對手，不同協(xié)議和標準存在兼容性問題。家庭網狀網絡是兼容性問題迫在眉睫的領域之一，藍牙長期以來一直是物聯(lián)網設備的兼容性標準，但現(xiàn)在有Zigbee 和 Z-Wave 等協(xié)議挑戰(zhàn)藍牙的網狀網絡產品。市場可能需要數(shù)年時間才能穩(wěn)定下來，為家庭物聯(lián)網制定一個統(tǒng)一的標準。此外，物聯(lián)網設備的持續(xù)兼容性還取決于用戶不斷更新和修補其設備，當必須相互通信的物聯(lián)網設備運行不同的軟件版本時，可能會導致各種性能問題和安全漏洞。

連接性有限：帶寬密集型物聯(lián)網應用可能在當前服務器- 客戶端模型上爭奪空間。隨著物聯(lián)網市場規(guī)模呈指數(shù)級增長，一些專家擔心視頻流等帶寬密集型物聯(lián)網應用很快就會在物聯(lián)網當前的服務器 - 客戶端模型上爭奪空間，因為服務器 - 客戶端模型使用集中式服務器來驗證和引導物聯(lián)網網絡上的流量，而隨著越來越多的設備開始連接到這些網絡，它們往往難以承受負載。因此，對于物聯(lián)網公司來說，需選擇可靠的連接提供商，如具有智能切換等功能的移動網絡運營商。

客戶期望高：物聯(lián)網市場競爭激烈，客戶期望與產品實際不匹配可能導致系統(tǒng)故障等問題。當客戶期望與產品實際不匹配時，結果可能是系統(tǒng)故障、孤立技術和生產力損失。由于物聯(lián)網市場競爭如此激烈，如果客戶的期望沒有得到滿足，他們會毫不猶豫地轉向其他地方。想要進入這個充滿競爭和創(chuàng)新的領域的企業(yè)應該為永遠不會停滯不前的市場和總是想要更流暢、更先進的體驗的客戶做好準備。

三、邊緣計算：網絡邊緣的新力量

（一）邊緣計算的概念

起源于傳媒領域，在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側提供服務，滿足實時業(yè)務、應用智能等需求。

邊緣計算最早可以追溯到1998 年 Akamai 公司提出的內容分發(fā)網絡（content delivery network，CDN），其目的是為了降低網絡擁塞，提高用戶訪問響應速度和命中率。邊緣計算處于物理實體和工業(yè)連接之間，或處于物理實體的頂端，其應用程序在邊緣側發(fā)起，產生更快的網絡服務響應，滿足行業(yè)在實時業(yè)務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。

  2.與云計算相輔相成，可在本地完成數(shù)據(jù)處理，減輕云端負荷，提高處理效率。

邊緣計算與云計算作為兩種重要的計算方式，各自承載著不同的使命與優(yōu)勢，同時也在相互協(xié)作中推動著數(shù)字化轉型的進程。云計算能夠處理大量數(shù)據(jù)并提供強大的計算能力，但在實時性和數(shù)據(jù)傳輸速度方面可能存在不足。而邊緣計算則能夠在網絡邊緣對數(shù)據(jù)進行實時處理和分析，彌補云計算在這些方面的短板。兩者相互協(xié)作，可以構建出更加高效、靈活的計算體系。例如，在實際應用中，邊緣計算可以處理一些簡單的請求和實時性要求高的數(shù)據(jù)，而復雜的請求和大數(shù)據(jù)分析則可以傳遞給云計算系統(tǒng)進行處理。這種協(xié)同工作模式不僅提高了系統(tǒng)的整體性能，還降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀竞脱舆t。

（二）邊緣計算在網絡中的應用

智能制造：實現(xiàn)生產過程實時監(jiān)控和智能控制，提高生產效率和產品質量。

在智能制造領域，邊緣計算技術為實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理和實時決策提供了重要的支持。邊緣計算網關可以通過實時監(jiān)測設備的運行數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、振動等，對設備進行故障預測和異常診斷，及時發(fā)現(xiàn)設備故障并進行維護，保證生產過程的穩(wěn)定性和持續(xù)性。同時，邊緣計算網關能夠實現(xiàn)生產過程的精細化管理，可以收集生產過程中的各種數(shù)據(jù)，如物料消耗、能源消耗、產品合格率等，為生產管理提供更精確的數(shù)據(jù)支持，通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化算法，發(fā)現(xiàn)生產過程中的瓶頸和問題，提出優(yōu)化建議和改進措施，提高生產效率和產品質量。

2.智能交通：實現(xiàn)路況預測、車輛識別等功能，提高交通系統(tǒng)運行效率和安全性。

邊緣計算在智慧交通中的作用將主要體現(xiàn)在以下三個方面：第一，提升本地處理能力。邊緣計算的應用將明顯提升交通管制方式的智能化和人性化，因為邊緣計算能夠更快捷的完成數(shù)據(jù)處理任務，從而應對交通領域對于實時性的高要求。第二，降低網絡和云計算平臺的負擔。邊緣計算可以把本地的數(shù)據(jù)進行本地處理，而把最終的處理結果發(fā)送到云計算平臺，這樣一方面降低了網絡傳輸?shù)呢摀?，另一方面也加速了?shù)據(jù)的處理速度。第三，數(shù)據(jù)邊界化。邊緣計算在智慧交通當中起到的另一個重要作用就是數(shù)據(jù)的邊界化，由于交通環(huán)境下產生的大量數(shù)據(jù)在處理之后就沒有存儲的價值了，此時邊緣計算在完成數(shù)據(jù)處理之后就可以直接把這些數(shù)據(jù)丟棄掉，這樣就能夠保障數(shù)據(jù)處理的邊界化。

例如，在車路協(xié)同中，AI 邊緣計算網關主要負責收集和分析車輛、道路基礎設施等設備產生的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出決策，為車輛提供更好的行駛環(huán)境。當車輛接近一個交叉口時，AI 邊緣計算網關可以根據(jù)車輛的行駛速度、方向等信息，實時計算出車輛是否有必要減速、變道或者等待。同時，它還可以根據(jù)道路的交通密度、車流量等信息，調整路口的信號燈時序，以最優(yōu)化的方式疏導交通。

3.智能家居：實現(xiàn)設備互聯(lián)互通和智能化控制，提高家居生活便利性和舒適度。

邊緣計算在智能家居中的應用可以實現(xiàn)更加智能化的家居控制。通過將傳感器和智能設備連接到邊緣計算節(jié)點，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制家居設備。例如，當溫度傳感器檢測到室內溫度過高時，邊緣計算節(jié)點可以自動控制空調降溫。同時，通過人工智能算法的優(yōu)化，可以實現(xiàn)更加個性化的家居控制，例如自動學習用戶的生活習慣，提供更加智能化的服務。

此外，邊緣計算和人工智能的結合應用還可以實現(xiàn)更加智能化的家居安全控制。例如，通過將智能門鎖連接到邊緣計算節(jié)點，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測家門的開關狀態(tài)，并通過人工智能算法的優(yōu)化，實現(xiàn)更加智能化的門鎖控制，例如自動識別家庭成員的身份，提供更加安全的門鎖控制方案。

4.智能城市：實現(xiàn)城市設施智能化管理和能源節(jié)約利用，推動城市可持續(xù)發(fā)展。

邊緣計算在智能城市中的應用可以實現(xiàn)城市設施的智能化管理和能源節(jié)約利用。例如，通過將城市中的傳感器和智能設備連接到邊緣計算節(jié)點，可以實現(xiàn)對城市環(huán)境、交通流量、能源消耗等方面的實時監(jiān)測和控制。邊緣計算可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行分析和決策，優(yōu)化城市設施的運行效率，提高能源利用效率，推動城市的可持續(xù)發(fā)展。

5.物聯(lián)網：實現(xiàn)設備自組織和協(xié)同工作，提高物聯(lián)網系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性。

物聯(lián)網的許多應用實現(xiàn)不完全依賴于云平臺，邊緣計算技術可以實現(xiàn)物聯(lián)網應用產生更快速的網絡響應，滿足行業(yè)應用在實時業(yè)務、應用智能、安全與隱私保護等方面的需求。邊緣計算可以為設備提供多種協(xié)議的接入能力，提供統(tǒng)一的接入框架，消除私有協(xié)議和數(shù)據(jù)模型的差異，在云端和邊緣側統(tǒng)一定義，減低了系統(tǒng)集成成本，提高設備接入效率。同時，邊緣計算還可以實現(xiàn)設備的自組織和協(xié)同工作，提高物聯(lián)網系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

四、5G、物聯(lián)網和邊緣計算的經典代碼案例

以下是分別圍繞5G、物聯(lián)網和邊緣計算的 3 個經典代碼案例，涵蓋 Python、Java 等常用編程語言，旨在幫助你更直觀地理解這些前沿技術在實際編程場景中的應用。

案例一：基于Python 的 5G 網絡性能測試腳本

在5G 網絡部署與優(yōu)化過程中，精準測試網絡性能指標至關重要。此 Python 腳本借助 speedtest-cli 庫來測試 5G 網絡的下載速度、上傳速度以及網絡延遲，為網絡運維人員快速評估網絡質量提供便利。

運行這段代碼，它將連接到附近的SpeedTest 服務器，模擬網絡數(shù)據(jù)傳輸，進而獲取并展示當前 5G 網絡連接的關鍵性能指標。網絡工程師可依據(jù)這些結果，排查網絡故障、對比不同區(qū)域的 5G 信號質量，助力運營商優(yōu)化網絡布局。

案例二：Java 實現(xiàn)物聯(lián)網設備（智能溫濕度傳感器）數(shù)據(jù)采集與上傳

物聯(lián)網設備常需采集環(huán)境數(shù)據(jù)并上傳至云端服務器，以供后續(xù)分析與監(jiān)控。下面這段Java 代碼模擬一個智能溫濕度傳感器，定時采集溫濕度數(shù)據(jù)，通過 HTTP 協(xié)議發(fā)送至指定的服務器 API 端點。

這段代碼構建了一個簡易的物聯(lián)網設備數(shù)據(jù)采集與上傳機制。在實際應用中，SERVER_URL 需替換為真實的服務器地址，并且代碼可進一步優(yōu)化，比如加入設備認證、數(shù)據(jù)加密等安全機制。它展現(xiàn)了物聯(lián)網設備如何融入網絡生態(tài)，源源不斷為云端提供關鍵環(huán)境數(shù)據(jù)。

案例三：使用Python 與邊緣計算框架（如 EdgeX Foundry）實現(xiàn)邊緣設備數(shù)據(jù)預處理

邊緣計算強調在靠近數(shù)據(jù)源的位置處理數(shù)據(jù)，減輕云端負擔。假設我們有一組邊緣設備采集的工業(yè)生產數(shù)據(jù)，需在邊緣端進行初步清洗與均值計算，再選擇性上傳至云端。這里借助Python 結合 EdgeX Foundry 框架的示例代碼如下：

上述代碼先從本地邊緣設備獲取原始生產數(shù)據(jù)，利用preprocess_data 函數(shù)剔除異常值、計算均值，完成初步數(shù)據(jù)清洗。隨后將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端指定端點，達成邊緣端數(shù)據(jù)精簡與高效上傳。實際部署時，要依據(jù) EdgeX Foundry 具體版本與環(huán)境適配代碼細節(jié)，且完善云端交互的安全及可靠性保障。這套流程契合邊緣計算核心理念，讓數(shù)據(jù)在源頭附近 “瘦身”，優(yōu)化整體網絡數(shù)據(jù)流轉效率。

五、文章總結和學習資源分享

（一）文章總結

本文深度剖析了未來網絡技術三駕馬車——5G、物聯(lián)網與邊緣計算。5G 以其超高速率、泛在覆蓋、低時延、低功耗及萬物互聯(lián)特性，重塑通信格局，雖面臨移動信息安全、環(huán)境能耗挑戰(zhàn)，但潛力無限；物聯(lián)網勾勒萬物智聯(lián)愿景，卻受困于安全、監(jiān)管、兼容、連接及客戶期望難題；邊緣計算則于網絡邊緣發(fā)力，就近處理數(shù)據(jù)，賦能多元場景，與云計算協(xié)同增效，為實時性、本地化業(yè)務開辟新徑。三者相互交織、彼此促進，共同勾勒未來網絡智能、高效、便捷的宏偉藍圖，雖征途漫漫、挑戰(zhàn)重重，但前景璀璨，必將顛覆生產生活方式，引領數(shù)字經濟新潮流。

                           (版權聲明：本文為博主原創(chuàng)文章，遵循CC 4.0 BY-SA 版權協(xié)議，轉載請附上原文出處鏈接和本聲明。原文鏈接：

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