5G通信技術應用場景及關鍵技術探討

瞿 謹

（中國移動通信集團設計院有限公司重慶分公司，重慶 401121）

進入21世紀以來，互聯網技術、信息化技術以及移動通信技術的不斷發展和進步，為社會大眾的工作和生活帶來極大的便利。同時，移動通信設備的不斷發展，尤其是智能手機的出現，使得移動通信用戶迅速海量增加，這給移動通信網絡的承載能力帶來巨大的壓力。短短十年的時間，移動通信技術就從2G升級到3G乃至4G，而目前4G通信技術已經無法滿足廣大用戶的實際需要。面對這種情況，科研人員開發出了5G通信技術，以期提高通信網絡的整體效能。

1 5G通信技術的關鍵技術

（1）多天線傳輸

5G通信技術的應用要將頻譜利用效率提高到現階段的10倍以上，這也是其目前面臨的主要任務。在應用過程中，采用大量的天線能夠避免各個用戶不受各種因素的影響，從而增強無線信號的影響。5G通信技術不僅要實現環境保護的目的，還必須擴大網絡覆蓋范圍。3D多天線技術的持續進步，就是為了有效解決頻譜利用效率不高的問題。由于有源技術的廣泛應用，目前可同時使用128根點天，由此促使3D-MIMO的技術的形成，能夠充分滿足各個用戶的實際需要，并將無線信號的覆蓋面積進一步擴大。

（2）高頻段傳輸

現階段普遍使用3GHz以下的移動通信系統的頻段，而隨著移動通信用戶的不斷增加，社會大眾對流量的需求也在不斷增大，所以目前面臨著頻譜資源不足的形勢。在高頻段之內，例如毫米波頻率的范圍通常在28GHz左右，能夠通過64根天線來充分發揮波束賦技術的作用，在兩千米范圍內可達到每秒1G的下載速度[1]。高頻段是5G通信技術應用時必然要采用的技術，其優勢是具有足夠數量天線和設備，并且能夠有效滿足社會大眾對頻譜資源的實際需要。不過，高頻段技術也存在不足之處，就是其傳輸距離相對較短，并且會受到天氣等環境因素的干擾。因此，在高頻段傳輸技術設計過程中應高度重視這些方面。

（3）直接通信

5G通信技術的應用能夠實現各個通信設備之間的直接通信目標，從而降低能量消耗以及時間延遲，并進一步發揮頻譜資源的作用，進而促進5G通信效果的有效增強，以及通信質量的不斷提高。若利用5G通信技術將相應網絡流量速度提升1000倍，就一定要通過密集網絡技術來達成這個目標。將5G網絡數據流量分布在熱點區域以及室內空間，能夠有效增強用戶的使用效果，并擴大網絡覆蓋面積。現階段，各種先進智能設備已經在各個行業領域內廣泛應用，廣大用戶們的數據流量需求不斷增加，因此必須積極采用超密集網絡技術來大幅度提高5G通信網絡的數據流量。密集網絡技術能夠有效擴大網絡覆蓋面積，并能夠大幅度增加系統容量。不過，該技術也存在一定的不足，就是在較小范圍內使用時，會受到一定的干擾，從而影響網絡性能的發揮。

（4）同時同頻全雙工

5G通信技術采用同時同頻全雙工技術，這種技術能夠大大增加頻譜利用效率，打破了以往頻譜資源不足的限制，以最大程度地發揮頻譜資源的作用。不過，該技術在實際應用時必須避免其他因素的影響。同時同頻全雙工技術的應用，有效改進了過去應用中的TDD與FDD雙工技術，從理論角度來講，能夠將頻譜效率提升一倍左右。不過在具體應用過程中，該技術不適用于多天線環境。

2 5G通信技術的主要應用場景

（1）宏覆蓋增強應用場景

宏覆蓋增強應用場景中大部頻段屬于低頻頻段，宏小區的覆蓋能力能夠達到半徑為若干千米的范圍。在該應用場景中，各個用戶到基站的路損量存在較大差異，從而導致信噪比也不盡相同。宏站上通常可布設較多天線，所以在此應用場景下可使用非正交傳輸、新型調制編碼以及大規模天線等技術。這幾類技術之間通常能夠有效共存，也就是綜合使用效果較為理想，其綜合使用效果要高于單個技術分別使用效果的總和。

（2）超密集部署

5G通信技術的應用場景大都與密集部署有很大關系，例如在購物商場、會議大廳以及辦公室等場所。此類環境中要求用戶體驗速率應當達到1G以上。顯而易見，通信網絡用戶的密度在室內外等典型空間內非常大。超密集應用場景下，根據其應用范圍可將通信網絡劃分為宏小區、微小區以及毫微小區等，這些小區的拓撲形狀呈現出較強的多樣性與異構性，并且各個小區的天線高度與增益、信號發射功率等方面也存在較大差異[2]。在超密集應用場景中，可采用虛擬小區技術、無線回傳技術以及新型調制編碼技術等。對于室內應用場景的部署方面，可通過高頻通信的應用來提高用戶體驗速率，以減小小區之間的干擾影響。在大規模天線陣列的布設中，高頻的短波長屬性為其提供了極大便利。

（3）機器間通信場景

物聯網應用場景的所面臨的最大問題在于對巨量終端數的支持能力方面，這就要求各個機器終端成本應比普通的手機終端還要低出很多。同時該應用場景還要求必須具有相當低的功耗，要確保電池能量至少足夠使用若干年。同時物聯網應用場景的覆蓋還要非常魯棒，并可覆蓋到地下室范圍。在物聯網應用場景中可采用控制信令優化技術、非正交傳輸技術以及窄帶傳輸技術等。非正交傳輸技能夠對多個終端在同一時間共同使用無線資源提供有效支持，并且該技術的接入可采用競爭形式，以促使控制信令開銷的有效減少。窄帶傳輸技術可將設備成本大幅度降低，并能將覆蓋范圍進一步擴大。控制信令優化技術能夠量控制信道的開銷大大減少。

（4）低時延和高可靠場景

低延時與高可靠應用場景是若干中應用的共同需要，比如在超精密機械制造中不同機器之間的通信方面，即使存在毫秒級別的延時也會對產品的質量造成極其嚴重的影響。在智能交通系統運行過程中，強制要求延時不得超過毫秒級別，并且其檢測率也幾乎低至零，不然將會導致交通事故的發生。在這種應用場景中，可采用終端直通技術、鏈路自適應技術等。

3 5G通信技術的市場應用前景

第一，AR/VR方面。相關研究表明，七年之后，AR/VR（增強現實/虛擬現實）技術的市場應用規模將達到近2000億美元。為進一步實現最佳效果，ARⅣR單用戶的寬帶速率應超過每秒200M。同時為了將使用人員的眩暈感有效消除，網絡延時必須低于20微秒，所以必須通過5G通信技術才能實現VR圖形的高負載數據傳輸功能，從而進一步擴大VR技術的商業應用規模。

第二，車聯網與自動駕駛方面。現階段，車聯網技術正在高速移動通信技術應用的基礎上，逐步邁進自動駕駛時代。從多個國家汽車行業的戰略發展規劃得知，將具有超低延時、超快傳輸速率的5G通信技術應用在汽車制造領域，可在七年后量產自動駕駛汽車，并能實現上萬億美元的市場規模。

4 結束語

總之，5G通信技術的出現就是為了充分滿足各個行業領域對通信網絡的更高要求，它的應用使得通信網絡的速率及其覆蓋范圍等方面性能都遠超4G技術。但在5G通信技術的實際應用過程中，涉及到繁多復雜的各種先進技術，因此，必須對5G通信技術中的關鍵技術有充分了解并熟練掌握，同時應根據不同應用場景的特點，選用相應的技術來促使應用效果最優化。