5G通信應用場景和關鍵技術研究

侯瑞東

（南京廣播電視系統集成有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

5G通信系統具有高帶寬、低延時以及低功耗的特點，對通信技術發展具有顯著潛力，尤其是在大數據和人工智能等方面具有基礎支持作用，同時作為信息時代的基石，為大數據、人工智能、通信、計算機及互聯網為基礎的萬物互聯和智慧生態的建設提供引擎和動力。因此加強對5G技術的理論技術研究和應用場景領域研究顯得極為重要，對此本文從技術層面和應用層面進行了探討，旨在為5G通信技術發展縷清脈絡，促進其發展。

1 5G通信技術內涵

5G通信系統涵蓋MIMO技術、空時編碼技術、自組織網絡SON技術、M2M通信技術、非正交多址技術以及超寬帶技術等關鍵技術，具有極高的頻帶寬度，以及高容量和高速通信的效能。其使用了較高的波段，傳輸能力相比前代系統顯著降低，大規模MIMO技術的應用成為推動這一缺陷彌合的關鍵，但是大規模的天線陣列的應用將會占用大量的場景空間，這樣會對整體環境布局有所影響，此外中繼基站的設置成為最大問題，網絡系統的安全維護難度也會有所增加，因此短期內這一項新技術的應用將面臨很多不確定的問題。

2 5G通信關鍵技術概述

5G通信技術作為新一代通信技術，具有如下特點及優勢。一是注重用戶體驗，技術創新發展提速，二是點對點通信傳輸轉變為多點傳輸、多用戶、多天線以及多小區組合成為技術發展關鍵，三是使用更高的通信波段，這樣雖然會削減傳輸能力，但是使用的頻帶資源會更多，四是具備較好的軟配置能力，這樣運營方可以根據客戶需求對網絡資源進行優化配置，從而削減成本，提升用戶體驗。

2.1 MIMO技術

對于無線通信網絡而言，當進行收發信息的過程中采用多個天線來傳輸信號的方式被稱作為MIMO無線通信，具體如圖1所示。MIMO技術的核心環節就是采用了多天線技術手段實現了信道容量的顯著擴大，其中一般采用分布式天線技術，這種方式的天線布置能夠顯著增大各個天線之間的距離，由此使得獲取的信號保持近似的相對獨立。另外還會采用空時編碼技術，這一技術主的作用在于調整來自各個天線信號的融合等，由此提升信號的增益或者通量。

圖1 MIMO傳輸系統示意圖

根據上述的分析可知，MIMO技術的本質在于為當前的通信系統提供足夠的空間分集增益和空間復用增益。前者可以有效改善信號傳輸的可靠度，并有效降低誤碼率，而后者的作用則是提升信息傳輸速率。

2.2 空時編碼技術

空時編碼（Space Time Coding，STC）技術對提升天線分集對應的通信容量有著開創性意義，其作為一種高效數據傳輸的編碼技術，實現了信號傳輸在空間和時間上的結合，依托多天線技術實現了空間分集，而且在時間上實現了時分復用，極大地提升了分集和編碼增益，傳輸速率也顯著提升?？諘r編碼在不同天線所發送的信號中引入了時間和空間的相關性，從而能夠在不增加帶寬使用量的基礎上在接收端獲得不同編碼條件下的分集和編碼增益。從其表現特征上看，空時編碼技術可以根據發射機和接收機是否需要獲取信道狀態信息分為兩個兩大類別，第一類是需要知曉信道狀態信息，其可以進一步分為分層空時編碼（LSTC）、空時格型編碼（STTC）以及空時分組碼（STBC），第二類編碼為不需要知曉信道狀態信息的編碼，其可以進一步分為酉空時編碼（USTC）和差分空時編碼（DSTBC）。

2.3 自組織網絡SON技術

SON作為重要的網絡技術，為了改善無線通信中的自主性問題，通過自治方式實現網絡共享，從而減低人工干預，降低運營成本。對于該網絡架構而言，主要功能可以概括為自配置、自優化以及自愈3個方面。對于自配置而言，主要涉及設備在安裝上電到用戶設備正接入業務過程中，網絡自動完成配置，減少安全調試過程，實現即插即用功效。自優化是調整用戶終端和基站之間的網絡運行狀態，參數優化均通過網絡自適應優化以實現性能改善。自愈是指整個網絡能夠進行自我故障修復、網絡故障預警及定位，并能夠自動消除部分問題，從而以最小化影響網絡用戶使用程度[1,2]。

2.4 M2M通信技術

M2M是指數據從一個用戶終端轉移到另一個用戶終端，實現機器與機器之間的對話，這種方式目前在物聯網領域應用較為普遍，具體技術形式見圖2。從當前發展來看，該技術已經應用多個領域，具體包括智能化機器設備、M2M硬件設備、通信網絡以及中間結構等。其中智能化機器就是讓機器具有一定的分析能力，進行一定領域上對人的取代，M2M硬件是使機器可具備聯網能力和遠程通信的部件，可以進行信息提取，實現自我分析，通信網絡是在以以太網和廣域網為基礎的通信網絡中實現M2M轉化，而中間結構可以使M2M網關完成在不同協議之間的轉換，在通信網絡和IT系統之間建立橋梁。

圖2 M2M技術

2.5 非正交多址技術

非正交多址技術（NOFDM）起源于正交多址技術（OFDM），后者信號各個子載波呈現相互正交性，在使用OFDM技術時，信號解調過程中只會解調出對應子載波上的信號，不會影響其他子載波上的信號。由于OFDM信號子載波間是相互正交的，因此可以使子載波的頻譜相互重疊，這樣極大地提高了頻帶效率。而在NOFDM技術下，這種正交性被打破，子載波之間的重疊會更高，因而能夠提升信號中涵蓋的子載波數目，由此實現了單一信號符號涵蓋更多信息，提升信息傳輸效率。當然高度重疊的子載波導致接收端解調難度增大，對此需要打破常規，采用稀疏理論，在稀疏變換域空間實現各個子載波的變換表達，從而離散各個子載波，實現載波信息的有效提取，進而實現高容量信息的傳輸過程[3,4]。

2.6 超寬帶技術

超寬帶技術（UWB）作為一種信息無線通信技術，通過尖銳上下變動的脈沖信號直接調制來實現數量級為GHz的寬帶容量。這一技術的出現顯著提升了無信通信能力，使得便捷極速的5G通信成為可能。通過相應技術測試可知，該技術對無線通信信道不敏感，并且設計系統復雜度不高，抗截獲能力強并且呈現出低功耗特性，因而成為5G通信技術體系中最為重要的技術細節，在智能交通、傳感器網絡以及成像系統等領域有著廣闊的前景。

3 5G通信應用場景分析

3.1 5G通信技術在城市軌道系統中的應用

當前在我國的城市軌道交通系統中已經實現了2.4 GHz頻段的無線通信覆蓋，并且結合WLAN技術實現了車地之間的網絡連接，而且其連接的穩定性能直接對軌道車的安全平穩運行產生直接影響。對此在5G通信技術背景下，要求不斷提升城市軌道交通無線通信，根據當前運行情況，穩定、安全可靠以及具有高速高容量的信息傳輸成為重要需求，低功耗的設計作為資源節約型社會發展需求也是一種重要考慮方面。此外，如何將單站點的低功耗效果轉化為整體層面的節能現象成為5G通信技術在城市軌道交通系統中應用的關鍵支撐?？傮w來說，良好環境適應力、安全穩定以及大帶寬的車地傳輸網絡是最主流的技術選擇，因此如何滿足這些要求成為5G通信技術接入的關鍵問題。當前為了實現車地直接的穩定可靠的通信連接，需要不斷采用最新和最成熟的無線通信技術，且同時考慮軌道交通具體要求進行網絡整合，緊跟時代步伐。

3.2 5G通信技術在物聯網背景下的應用

物聯網思維模式的核心在于感知，即感和知，前者主要是獲取數據，后者則是分析信息。對于物聯網而言，獲取數據和分析信息是組建千變萬化智慧生態的基礎單元和思路，而實現這個環節需要強大的通信網絡進行數據傳輸，5G通信成為首選。因此在物聯網形勢下，需要根據萬物互聯思維，除了在物聯網技術的應用上下功夫外，還需要通過5G通信網絡掌握各類信息，并對信息中有價值部分進行挖掘獲取，從而形成對整個物聯網體系建設調整的重要依據。由此可見，5G通信技術是物聯網體系搭建的基本單元，而物聯網系統則是5G技術高級拓展應用的關鍵目標，二者之間相互關聯，密不可分。此外，物聯網背景下，各種智能化的設備設施開始深入到人們的生活，為人類生活的便捷化提供了可靠的技術途徑。智能化技術作為智能設備和設施的技術支撐，在整個智能化業務發展中起到了關鍵作用，實現這些關鍵作用的主要基礎技術則是通信網絡技術，而在通信技術不斷發展中，多元化發展勢不可擋，5G通信技術必將引領通信網絡潮流，其高通量和低延時的優勢能夠迅捷地實現高通量數據交互，為實現數據時效性分析有著重要促進作用。

4 結 論

本文結合5G通信技術，重點探討了5G通信關鍵技術和應用情況，通過分析MIMO技術、空時編碼技術、自組織網絡SON技術、M2M通信技術、非正交多址技術以及超寬帶技術等關鍵技術明確了5G通信技術基本體系，在此基礎探討了5G通信技術在城市軌道交通智能化建設和物聯網體系擴展應用等主要應用場景，闡述了5G通信技術的廣闊應用前景。