5G 無線通信技術概念及相關應用的思考

劉明陽

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，長沙 410126）

5G 移動通信系統的覆蓋廣、延時低、功耗小等多種優點促進了互聯網的發展。在5G 無線通信技術的應用中，需要從不同角度出發，采取有效的方法來完善相應的技術體系，調整互聯網組織結構，實現信息多層面控制的效果，有效提升互聯網的使用效率。

1 5G 無線通信技術概述

在云計算、大數據、5G 技術、物聯網等技術的推動下，互聯網進入了全新的發展時代，在市場經濟和相關的國家政策雙重作用下，互聯網迎來了新的發展熱潮。互聯網是機器、人、物料、信息系統之間連接的基礎性網絡，全面感知工業生產數據，并實現動態傳輸和實時分析，優化制造資源配置，對企業制定科學的決策和生產智能化控制起到了積極的推動作用，已經成為企業在激烈的競爭市場上立足的關鍵，使我國面向全球化發展，朝著國際化的制造大國努力。

5G 技術在國內外的研究均取得了巨大的突破，例如毫米波、自動駕駛機動車、無人機、接入單元等，我國從2009年就已經開始5G 技術的研究，并建立了5G 原型機基站。通過升級改造相關的基礎設施，使工業互聯網得到了穩步發展，不斷引入先進的通信技術，如低功耗廣域網、軟件定義網絡、5G 等，使工廠內部的網絡實現扁平化、IP 化和柔性化發展，外部網絡延時性更低、可靠性更高、覆蓋更廣。5G 技術除了連接著人與人之，還是物與物、人與物之間的聯系，根據發展趨勢來看，5G 系統需要滿足以下幾種技術要求：一是傳輸速率需要提高10至100倍，用戶體驗速率達到每秒鐘0.1 ～1Gb，用戶峰值速率達到每秒鐘10Gb；二是延時降低5 ～10倍，達到毫秒量級；三是設備連接密度要求提高10 ～100倍，達到每平方千米600萬個；四是流量密度要求提高100 ～1000倍，達到每平方千米20Tb/s；五是為了提高用戶體驗，移動性要求超過每小時500km。

2 5G 無線通信技術的應用

2.1 智能傳感器

互聯網通過射頻識別、傳感器等對全生命周期實現不同維度的信息監控和收集，包含人員、流程、設備、原料、生產環境等多種數據信息，在這個過程中成千上萬各傳感器和執行器，功能型號隨生產場景的不同而存在一定的差異，它們之間的聯系需要依靠5G 技術的支持。傳感器由轉換元件、敏感元件和轉換電路組成，分為內部和外部兩種傳感器類型，相當于人體的器官。一臺智能化機器人身上綜合應用了觸覺、視覺、力覺、超聲波、聽覺等多種傳感器，以便對生產過程中的參數實現全方位的監視及控制，從而確保生產出高質量的產品。當生產制造環節對環境敏感程度要去較高時，傳感器收集信息后需要進行極低延時的信息傳遞，信息快速到達執行器件進行高精度的生產制造，這個過程5G 技術能夠很好地實現低延時、高可靠的需求，有效提高網絡可靠性，為安全高效的生產提供保障。采用FPGA 為控制核心，以狀態機的形式，通過A/D 轉換芯片與FPGA 芯片之間的數據接口，編程設計采集單元的控制時序和讀寫時序，用于控制A/D的時序轉換及數據采集。然后再由光電轉換模塊將采樣結果發送至綜合監測單元。FPGA 控制整個采集單元的時序。系統功能結構框圖如圖1所示。

圖1 系統功能結構框圖

2.2 云AR/VR 與5G 相結合

智能化生產通過AR/VR 大大提升生產效率并減少安全隱患，例如：在進行工業裝配、工業維護的智能化制造時，進行虛擬裝配培訓，通過VR 技術實現圖紙向VR 工廠的轉化。這個過程要去輔助AR 設施具有極強的靈活性，使維護工作更加高效，僅要求AR 設備具有顯示和連接的功能，借助無線網絡將AR 設備與云端聯系，在云端實現設備信息的處理過程，有效減小硬件成本的投入。經過計算，無線網絡雙向傳輸的延時只有控制在10ms之內，才可以有較好的實時體驗效果，LTE 網絡無法達到這種延時要求，將5G 與VR/AR 相結合能夠拓展交互性，滿足相關要求，這種結合方式具有較強的通用型，被廣泛地應用在各個領域。

2.3 云端機器人

5G 環境下的機器人是純粹的執行器，智能處理功能都集中在云端，通過5G 網絡使機器人共享云端處理指令。阿爾法狗這一級別的需要176個GPU 和1202個CPU 才能實現相應的處理能力，在每個機器人上都裝入這些是不切實際的，而5G 技術將這種復雜的處理轉移到云端，將機器人獲取的信息發送至云端，然后將云端處理結果反饋到機器人本體，有效控制新增硬件的成本并提高處理效率。為了整個處理過程高質、高效地完成，對網絡的要求較為嚴格，首先要求網絡傳送時間和遠端處理時間相加在100ms 以內，其次，為了實現3D 視覺，機器人需要安裝兩個以上的高清攝像頭，5G 網絡的帶寬應不低于10Gb/s。

2.4 遠程操控

在危險系數較高的生產環節，通過精準操控實現使智能設備代替人為活動，大大降低安全風險，最典型的當屬煤礦、油田的開采，開采設備采集現場情景，輸送到后端設備，實現操作大型裝備的遠程管理和操作。5G 網絡的低延時、高可靠的特性大大提升了操控系統的精準度，遠程控制管線閥門，精細控制開度。

2.5 資產跟蹤

在線購購物增長速度越來越快，實現資產跟蹤十分重要，預計到2025年，全球狀態監測連接將達到8800萬個。從物流角度來講，自倉儲管理開始到物流配送，覆蓋既要深入又要廣泛，且需要有效控制成本和功耗，5G 環境下，這種連接成本得到有效降低，資產定位跟蹤效率也顯著提升。

3 結束語

總之，5G 無線通信技術的應用能夠實現資源的共享，相關的工作人員要對實際問題進行及時的分析，提升技術的應用效果，進而提升我國的綜合實力，提升網絡穩定、快速的發展。