摘要：智慧城市是当今信息化建设的重要领域，需要高速、泛在的无线通信网络提供支撑。5G具有更快速的数据传输能力、更低的通信延迟、更大的传输容量，将赋能智慧城市信息化，推动城市智慧应用创新发展。本文基于智慧城市概述及现状分析，介绍了5G网络技术特性，并对5G时代下的智慧城市建设思路进行了探讨。
关键词：5G；智慧城市建设
在信息科学技术迅猛发展和城镇化规模不断扩大的当前，我国迎来了智慧城市建设发展的新浪潮。各地纷纷出台智慧城市建设相关政策、规划，人们对智慧生活的追求也不断提升。在智慧城市建设中，需要良好的信息通信能力和网络传输能力作为支撑，而传统通信网络在一定程度上不能完全满足智慧城市的相关需求。5G网络具有速率高、时延低、容量大、可靠性高等特点，与传统移动通信网络相比，传输效率将提升10～100倍。随着5G步入商用，5G卓越的技术特性将为智慧城市的建设带来新的机遇和发展空间，对我国城市的进步和发展具有重要意义。
1. 智慧城市概述及现状分析
1.1 智慧城市概述
智慧城市是指将城市中部署的物联感知基础设施通过网络连接起来，实现海量数据的收集、存储和利用，并基于城市管理平台作出智能化决策和统一管理。其充分运用移动通信、物联网、云计算、大数据、移动互联网等信息通信技术，全面感知、传递、整合和分析公众、企业、政府及城市功能等各项信息，从而对公众出行、企业生产、政府服务、公共安全、节能环保、物流运输、医疗民生、商业贸易等多种城市需求做出智能响应，形成安全、便捷、高效、绿色的城市发展形态，实现对城市的智能化管理。
1.2 智慧城市发展现状
智慧城市是城市信息化发展的必然趋势，也是城市提升核心竞争力的必要手段。我国积极推动智慧城市建设及相关产业发展，自2016年起进入新型智慧城市发展阶段。截止至2020年4月初，我国智慧城市试点数量累计已达749个，但仍有一半以上的城市处于起步期和准备期。从现阶段来看，智慧城市的建设发展还存在以下几个方面的瓶颈：
一是数据采集范围不够广。智慧城市相关数据采集终端未形成大规模部署，各种数据信息采集范围不够广，且现有网络容量和覆盖范围有限，无法支撑大规模终端采集设备联网，难以形成城市感知基础。
二是数据传输效率不够高。现有的4G网络在数据传输效率方面存在一定的局限性，数据传输速率有限，且存在时延，对于一些大容量的数据传输及实时性要求高的数据难以支持。
三是信息碎片化。目前已建有的城市各领域数据信息条块分隔，难以进行集成和统一管理，在一定程度上制约了智慧城市各行业的大规模应用。
四是安全性存在一定的挑战。智慧城市数据传输、存储、处理等各环节易遭受信息泄露和攻击，现有通信网络安全性存在不足，城市大规模数据联网带来的安全性问题更为复杂和严峻。
2. 5G网络技术特性
对于智慧化城市的建设而言，其离不开大容量、高带宽、广覆盖以及高可靠性的通信网络。未来移动通信网络不仅需要提高已有的语音与数据宽带等能力，还应当强化人与物、物与物之间的信息交互，广泛涉及海量物联网连接以及垂直行业等，这也是智慧城市的建设目标与客观需要。
5G是第五代移动通信技术的简称，具有比4G更快的数据传输速率、更大的带宽、更高的数据容量、更低的时延、更可靠的服务、更好的用户体验，使得数据采集更加全面、数据传输更加高效、应用范围更加广泛。5G网络的技术特性将为交通、医疗、政务、工业、能源、教育、社区等带来新的变革和巨大的产业发展空间，开启万物互联的新时代。2019年10月，我国三大运营商正式启动5G商用，预计2020年，我国将建设超过100万个5G基站。5G基站的大规模部署将推动5G落地应用，有力带动我国智慧城市建设。
5G的技术特性主要包含下面四点：
1)极高的数据传输速率
5G网络可以提供极快的传输速度，其峰值速率可达到10~20Gbit/s，是4G网络的50～100倍，用户体验速率可达到1Gbit/s。5G将极大提升智慧城市中数据采集效率，大大缩短终端数据处理与回传时间，同时满足用户不断增长的流量需求，对于城市中视频监控等大容量数据传输、用户超高清视频下载、流量热点区域用户通信等具有重要意义。
2)极低的通信时延
5G网络传输时延可低至毫秒级，其端到端时延可控制在5~10ms，最低可降至1ms，为4G的十分之一。在自动驾驶、远程医疗、工业自动化等对时延有极高要求的垂直行业中，5G可提供强有力的支撑，满足毫秒级的端到端时延指标，保证接近100%的业务可靠性。
3)海量连接支持能力
智慧城市的建设离不开海量终端的部署，包括前端感知设备、用户联网设备、信息采集设备等，遍布在城市中的摄像头、井盖、电表、路灯、电线杆、消防栓、垃圾桶等均需联网，其数量可能达到上百万至上千万级别。5G的连接数密度可达100万个/km2，可满足更多的终端接入，仅有5G网络能支持智慧城市海量节点部署，提供更广的覆盖范围。
4)网络切片
5G可实现对不同应用的网络数据进行灵活切片管理。通过网络切片，将5G网络切割成多个逻辑独立的虚拟网络，分别对应不同的应用场景，从而提供智慧城市中不同场景下的多样化业务应用，提升网络响应和服务效率。
3. 5G时代智慧城市建设思路
3.1 5G+智慧城市总体框架
“5G+智慧城市”建设的总体框架如图1所示，自上而下依次为：用户层、展现层、智慧应用层、数据平台层、网络通信层、物联感知层，还包含建设标准、安全保障和运维管理等三大体系。其中，5G属于网络通信层，是支撑智慧城市建设的重要组成部分。
图1 “5G+智慧城市”总体框架
?物联感知层：主要指部署在城市中各处的感知设备和执行设备。
感知设备包括高清视频监控摄像头、各类传感器、GPS定位设备、车载终端等，用于采集城市各类基础数据；执行设备用以接收上层发来的指令消息并采取执行措施。物联感知层对城市状态信息进行感知、监测、识别、探测，是智慧城市建设的底层基础设施。
?网络通信层：用以实现城市中的网络接入和数据传输，主要有城市光纤专网、5G无线网络、Lora/NB-IoT物联网络、Internet网络等，为底层采集的城市数据信息提供及时、准确、安全、可靠的网络传送，实现数据信息的交互和传递，及城市全面的互联互通。
?数据平台层：底层采集的数据信息经过网络传输至数据平台层进行汇聚、存储和统一管理，借助大数据、云计算等技术对数据进行处理，并作出智能决策，为上层业务应用提供支撑。主要指城市的云计算中心、大数据平台、运营服务平台以及政府、行业的云平台等，提供计算、分析和存储能力，起到“城市大脑”的作用。
?智慧应用层：是在智慧城市中实现的各种智慧应用，将数据平台层的决策及指令传递给用户，为社会公众、企业用户、城市管理者提供业务应用和按需服务，属于智慧城市框架的上层。
?展现层：通过官网、微信公众号、手机APP等渠道，将业务信息展现给公众和用户，同时实时展示城市运行状态，为政府决策和市民互动提供可视化途径。
?用户层：即智慧城市应用的服务对象，包括政府、企业、公众。
?建设标准体系：包括智慧城市标准体系、技术参考模型等，为信息采集、传输、存储等提供标准规范。
?安全保障体系：指构建安全保障体系、建立安全策略和机制，用于保障城市中信息数据的安全。
?运维管理体系：涉及智慧城市的管理制度、运维模式等，保障智慧城市平稳有序运行。
3.2 5G+智慧城市典型应用场景
智慧城市涉及的应用场景十分广泛，下面仅以几个典型应用场景为例，介绍5G支撑下的智慧城市应用模式。
3.2.1 5G+智慧交通
交通是城市的重要组成部分。5G高速率、低时延、大容量连接的性能优势将与智慧交通应用场景深度融合，车联网是其中最为重要的应用之一。5G网络能在毫秒级别实现各种事务的响应，是车联网达到极致安全和100%可靠性的必要手段，使人、车、路之间进行实时信息交互，为车路协同、远程驾驶、自动驾驶提供可靠保障，保证车辆在高速行驶中的安全。同时，5G能使大量终端和车辆进行联网，支持交通数据全面精细化采集。5G将成为城市交通领域的重要连接技术，有效提高交通运行效率，提升用户出行体验，减少道路交通拥堵。
3.2.2 5G+智慧市政
城市建设离不开庞大的市政设施。5G的海量连接性能将支持大规模的市政传感设备联网，如智慧灯杆、智能井盖、智能消防栓、智能抄表、智能环保等感知设施，并将采集到的数据信息通过5G网络上传到城市大脑平台，从而实现对城市环境、市政信息的全面采集管理，构成智慧城市建设的基础。
3.2.3 5G+智能制造
智能制造中的无人工厂、工业自动化、远程操控等需要高可靠低时延的通信网络，5G可以满足这样的需求。5G将广泛深入应用于工业领域的工业生产、远程设备控制、产品全生命周期追踪等各环节，利用智能联网机器人、AGV运送小车、AR智能眼镜等辅助设备，有效提高生产效率，使智能制造成为可能。
3.2.4 5G+智慧医疗
5G将为智慧医疗提供低时延高可靠的网络连接，4K/8K高清摄像头、显示和触觉感应设备、机械手等接入大带宽的5G网络，进行实时远程多方会诊、远程手术、远程超声波，医生可以不受地域限制为病人进行诊疗、手术。医疗领域对网络的可靠性和实时性有较为严苛的要求，且海量医疗监护设备、可穿戴终端需要联网，仅有5G网络可以支持。
3.2.4 5G+智能安防
公共安全也是智慧城市建设中的一个重要领域。智能安防指在城市中全面部署高清视频监控摄像头，5G网络的大带宽接入能力和高速率特性能够支持4K高清视频实时传输，提升监控视频的回传质量和效率。基于5G的智慧城市安防系统，不仅可以为城市海量监控视频数据的传输和分析处理提供更先进的网络，实现对城市各种安全事件的及时响应，并进行智能预警或自动报警，还可以实现精准的人脸识别和人员追踪，提升城市安防能力。
4. 结束语
5G网络是智慧城市建设的关键所在，智慧城市的发展离不开5G网络的加持。5G时代终端设备指数级增长、海量数据不断产生、应用场景丰富多样，智慧城市的建设将迎来全新的发展机遇。5G为智慧城市的建设提供了高速、稳定、可靠的网络通信基础，与物联网、大数据、云计算、边缘计算等新一代信息技术融合，将促进城市新应用、新产业发展，在交通出行、市政设施、工业生产、医疗健康、安防监控等领域产生颠覆性的效果，使城市治理更加高效、市民生活更加便捷。在5G实现全面大规模商用以后，5G将助力智慧城市建设迈上新台阶，促进城市全面信息化、智慧化，有力提升城市管理效能。
参考文献：
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作者简介：温倪（1995-），女，硕士研究生学历，毕业于英国伦敦大学学院，主要从事“5G+”咨询规划及物联网新兴技术研究工作。
通讯作者：路嘉扬（1992-），男，硕士研究生学历，毕业于澳大利亚悉尼大学，主要从事信息化建设及无线通信技术研究工作。