今天世界上55%的人口生活在城市裡，而隨著城市化進程的發展，在未來的30年裡，城市人口將增加25億，加劇城市已有的交通擁擠、環境污染等問題。為了實現可持續的城市發展，「智慧城市」成為世界各大城市追求的發展目標。本文將從高帶寬、大連接和低延時高可靠三方面闡述5G對智慧城市建設的影響，尤其是對香港打造智慧城市的影響。
為了實現可持續的城市發展，「智慧城市」成為世界各大城市追求的發展目標。圖為5G信號設備已在香港市區實測
智慧城市旨在通過各種資訊技術，實現對城市整體、智能、精細的管理，提升城市效率和市民生活品質。新加坡、巴塞隆拿、芝加哥等城市都在致力於推進城市的智能化進程。巴塞隆拿通過物聯網對城市的水、電、停車位等資源進行自動化管理，僅在2014年節省的資金就超過7,500萬歐元。在推動可持續發展之餘，智慧城市的建設將對城市經濟產生直接影響。最新報告顯示，預計到2026年，智慧城市將為全球帶來20萬億美元的經濟效益。
作為亞洲金融中心，香港是一座人口密集的城市，人口密度居世界第三。為了實現科學合理、可持續的城市發展，香港特區政府2017年公布《香港智慧城市藍圖》，致力於把香港構建成為一個世界級的智慧城市。打造智慧城市依賴廣泛部署的物聯網設備對物理世界進行感知和數字表示，並借助人工智慧對設備產生的海量數據進行挖掘分析。因此，可以將物聯網比喻為城市的神經網路，而人工智慧則是城市大腦。
作為感知物理世界的城市神經網路，物聯網意味著無處不在的連接和通信需求，已有的2G/3G/4G蜂窩網路、Wi-Fi、ZigBee等技術無法滿足海量連接和廣泛覆蓋的要求。隨著5G時代的到來，5G的商業推廣為物聯網設備的廣泛部署帶來機遇。5G網絡具有極高的速率（enhanced mobile broadband，eMBB﹚，極低的時延（Ultra Reliable Low LatencyCommunications，URLLC﹚和極大的容量（MassiveMachine Type Communication，mMTC﹚。通過5G網絡，可以將城市中的物體連接在一起，實現真正的萬物互聯。物聯網的感知能力將為一座城市帶來精準、立體的畫像，結合人工智慧，管理者可以優化城市資源配置，更好地進行城市規劃和建設。
5G的商業推廣為物聯網設備的廣泛部署帶來機遇。圖為香港某5G科技嘉年華
結合毫米波、大規模天線陣列、超密集組網等技術， 5G用戶體驗速率可達10Gbps，是4G網絡的100倍。高速的網路意味著更快的上傳下載速度、流暢的觀影體驗，可以和有線傳輸相媲美的傳輸速率將給很多行業帶來技術革新。下文我們著重討論5G對虛擬現實和視頻傳輸兩大應用帶來的變革。
虛擬現實（VR）: VR在娛樂、教育、醫療、零售、工業等領域上應用前景廣闊。為了提供優質的用戶體驗，現有的VR設備多採用有線傳輸來實現Gbps的傳輸速率。然而，有線連接束縛用戶的移動，不能給用戶帶來沉浸式體驗。5G的高速傳輸可以替代有線電纜，讓用戶擺脫線纜、擁有自由自在的感覺。另一方面，傳統的VR方案需要在VR的終端或控制台進行圖像渲染和場景重建。5G和雲計算、邊緣計算的結合將改變VR的實現方式。邊緣計算節點將按用戶需求把計算好的VR場景傳輸給用戶，VR終端不再需要強大的計算存儲能力，VR設備可以變得小巧輕便、價格親民。場景重現的VR技術可以改變城市生活的方方面面，醫生可以遠程對病人進行問診，學生可以「身臨其境」地在虛擬環境中與物體互動，消費者在商場中可以利用VR來模擬試穿衣服，應用場景數不勝數。
高清視頻傳輸：在智慧城市中，高清攝像頭應用在監察交通情況、記錄違章車輛等方面。為了實現高清視頻傳輸，目前的主導技術是採用專用的網絡將視頻數據傳輸至後台。例如，香港運輸署部署了183個閉路電視監控攝像頭用於即時了解交通情況。在5G時代，5G高速率大帶寬的性能可以實現高清視頻的無損傳輸，無需為攝像頭部署專門網絡，有助於降低成本、提高靈活性。採用5G無線傳輸代替有線傳輸還可以提供更好的移動性。支持5G連接的無人機可以在城市上空盤旋並傳回高清視頻，可以應用在森林防火、新聞採集和設施巡檢等領域，大大降低人工成本並提高處理效率。
智慧城市旨在通過各種資訊技術，實現對城市整體、智能、精細的管理，提升城市效率和市民生活品質。圖為香港特區政府推出的智慧燈柱
為了實現萬物互聯，5G定義了大規模物聯網場景（mMTC﹚，支持每平方公里1百萬節點的海量連接，相比4G提升了100倍。有了5G對海量連接的支持，物聯網可以滲透到城市空間中的方方面面，建築、井蓋、路燈等城市設施都可以變得智能，成為城市的「神經網路」，即時地感知城市的運作狀態，描繪出一座城市全面、精確的畫像。經過城市大腦（人工智慧）對物聯網感知數據的分析處理，可以提高城市的運作效率，實現可持續發展；另一方面，對城市的即時感知可以提高城市的防災能力，降低災害帶來的損失。
可持續的城市發展：城市承載著龐大的人口數量，而人們對生活品質的追求加劇了城市的環境污染和資源消耗。智慧城市希望能消除居民對生活品質的追求和城市發展的矛盾，構建宜居又可持續發展的城市。交通堵塞是在各大城市普遍存在的問題。香港登記的車輛已超過80萬輛且每年以3%的速度在增加，令交通量加大，導致道路交通日益擁擠，然而其中三成是來自於尋找停車位帶來的交通流量。智慧停車項目可通過在各個停車位部署監測感測器，即時監測停車位的佔用情況，引導司機高效地找到最接近的停車位，打破司機和停車位之間的信息不對稱，提高停車位利用效率。綠色建築可以根據室外的光照強度、室內外溫差來調整玻璃的透光率，讓照明和空調系統的綜合能耗最低。智慧水務可以根據用戶的用水量來判斷是否存在漏水現象，如果用戶的用水量在夜晚也維持在一個恒定的水平，可以大概率推測家庭中存在漏水設備，提醒用戶排查。
災害預防：香港的自然災害主要來自暴雨、洪水和野外山火。通過無處不在的感測器不斷檢測環境參數，可以提高香港對自然災害的抵禦能力。在災害發生之前，我們可以對災害進行提前預警，降低災害的影響。森林裡的感測器可以即時監測環境溫度、二氧化碳濃度，當某個參數到達危險水平時，及時發出山火預警；斜坡上的感測器不斷監測降雨量、斜坡傾角來預測泥石流發生的可能性及嚴重程度，在災害發生之前對受影響的居民發出撤離警告。在災難發生之後，無處不在的感測器可以即時監測災情的變化，有助於災後救援和重建。根據感測器提供的城市畫像結合人工智慧，城市管理者可以制定最優的疏散、救援、交通策略，降低災害給城市和民眾帶來的損失。除了對自然災害的預防，部署在建築、橋樑上的感測器可以對城市中的建築結構進行監控，為建築的管理和維修提供數據支持，消除建築老化過程中存在的安全隱患。
5G網絡的另一個應用場景是高可靠低時延的通信。 5G的可靠性要求用戶面時延在1ms內，傳送32位元組包的可靠性為99.999%，低時延高可靠的5G網路可以應用在智慧交通和工業自動化的場景中。
智慧交通：車聯網連接車輛、行人、道路、基礎設施和雲端平台，匯集車輛和環境資訊，依賴強大的計算能力和通信能力將最新的路況資訊及時推送到各個車輛上，如人行道上行走的路人和前方施工的道路工程，以輔助駕駛員決策或實現無人駕駛。當車輛在道路上高速行駛時，網路延時對行車安全有著重大影響。假設車輛以120km/h行駛，在100ms的網路延時中車輛將前進3.3m。在4G網絡下，LTE-V2X是為車聯網而設計的，然而LTE-V2X的時延為幾十毫秒到100毫秒，難以滿足車聯網的應用需求。5G可以在極短的時間內可靠地向車輛傳輸信息，這對於交通安全至關重要。通過車與車、車與基礎設施、車與雲端平台的連接，車輛將收集豐富的路況信息，結合人工智慧的決策能力，無人駕駛將成為現實。
工業物聯網：在工業自動化中，生產過程依賴於設備與設備之間的協作，高可靠低時延的通信具有重大意義。不可靠的通信系統將會使設備之間的數據傳輸丟失，導致生產線中斷，破壞生產過程中的可控性，影響效率；在工藝要求高的工序環節，通信的延時將會降低工藝精度，從而影響產品品質；在高速運轉的生產線上，低延時的網路可以及時匯報設備的運行狀況，預測設備故障，採取預警方案降低損失。低延時高可靠的通信系統還能實現遠程操作。在惡劣的生產環境中，通過低延時的網路，工人不必親臨生產現場，可以遠程操作機器，提高了生產過程中的安全系數。
VR技術可讓行動不便的用者安在家中，腳踏單車「環遊世界」
5G時代讓世界連接得更加緊密，也將讓很多行業產生翻天覆地的變化。在5G重塑我們熟悉的世界時，潛在的安全隱患將是全社會共同面臨的挑戰。如果攻擊者干擾通信系統，使得無人駕駛的汽車丟失重要信息，將導致汽車做出錯誤判斷，引發交通事故；用於防止盜賊入室行竊的無線監控攝像頭如果被黑客入侵，個人隱私將毫無保障；萬物互聯無形中擴大了網絡攻擊範圍，一個惡意的設備將有可能導致整個網路的數據被竊取、篡改。當物聯網與人工智慧相結合，城市居民的隱私可能在無形中受到侵犯。下面簡單談談筆者在智慧城市安全方面的相關研究。
第一，安全在醫療領域尤為重要。通過研究我們發現，對心電信號施加微小的電磁干擾導致信號發生肉眼不可見的形變，可以誤導深度學習模型對心電信號做出誤判，從而導致病人正常的心電信號被誤判為異常，反之亦可。在遠程醫療中，當被污染的心電信號上傳到雲端伺服器，模型將給出錯誤的判斷結果從而導致誤診。由此說明，當我們將機器學習模型應用於醫療領域中，須警惕可能存在的安全隱患，過於依賴演算法可能給犯罪分子帶來可乘之機。
第二，可穿戴的物聯網設備主要用於監測用戶的健康狀況，包括運動、睡眠、心率等生理指標。為了保護這些設備免受攻擊，我們利用了信號的傳播特性來識別信號來源。當信號是來自身上的可穿戴設備時，信號會有沿著身體表面傳播的分量，這個分量受環境影響小而受身體運動影響大，和來自體外設備的信號有明顯區別。基於這個特徵，我們可以識別信號是來自於用戶身上的可穿戴設備還是來自於附近的攻擊者，從而拒絕非法連接或DOS攻擊。
第三，物聯網設備依賴無線通信模組和天線與外界進行數據傳輸。當這個模組處於打開和關閉狀態時，天線會對周圍的電磁信號有不同的散射作用。通過打開/關閉這個模組，天線可以調製電磁信號，成為設備向外界傳遞資訊的方式。然而，通過研究我們發現，在Android系統中，對無線通信模組開關狀態的控制不需要用戶授權，任意的軟件和應用都可以在後台通過開關網卡來向附近潛在的竊聽者傳遞資訊，如智能手錶可以偷偷傳遞移動支付的密碼，智能家居中的溫度感測器可以偷偷傳遞家庭Wi-Fi的接入密碼。我們希望這個安全隱患可以得到重視，漏洞儘快得到修復。
第四，為了防止惡意偽造、篡改物聯網數據，我們在物聯網中引入區塊鏈技術。區塊鏈具有去中心化、資訊不可篡改等特點，將區塊鏈技術應用在物聯網中可以保障物聯網數據的安全。然而，現有的區塊鏈可拓展性差、吞吐量低，不適用於擁有海量節點、數據量龐大的物聯網。為了解決存在的問題，我們引入了基於節點信譽的分片技術，將全網路分割成較小的分片，在每個分片中我們選擇聲譽良好的節點作為委員會，各分片可以並行處理交易以提高併發量。物聯網節點的硬體能力有限，為了鼓勵物聯網節點參與到數據分發中，我們在區塊鏈中引入了激勵機制，積極參與P2P數據分發的節點可以得到更好的信譽，從而提高區塊生產速率。
5G網絡高速率、大連接、低延時的特點將促進智慧城市的發展，然而，僅僅依靠5G難以實現智慧城市的各個組成部分。5G網絡為一座城市提供了信息高速公路，而各個垂直行業的發展都有自身面臨的挑戰，例如，物聯網海量數據的管理、存儲問題，無人駕駛相關法律法規的制定等。打造一座智慧城市，信息技術應用是主線，各行各業的發展則是在探索中尋求解決方案。香港擁有雄厚的經濟實力、完善的基礎設施，具備成為一座智慧城市的獨特優勢。《香港智慧城市藍圖》為我們描繪了美好的願景，在政府的大力投入下，科技的發展將讓願景成為現實，讓香港煥發新的活力！
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