5G通信網絡關鍵技術及應用研究

張海力，彭澤民，施瑩弘，劉 葵，何元峰

（浙江紡織服裝職業技術學院<物聯網應用技術研究院> 浙江 寧波 315211）

1 引言

互聯網的發展與普及不斷更新著人們的通信形式，使人們的交流方式發生了翻天覆地的變化，也加快了各行業的運作速度。近些年來，新一代網絡通信技術誕生了，它就是5G。如今5G在通信領域備受關注并成為研究重點。為提高通信網絡的性能、確保數據傳輸的穩定性與高效性、優化用戶的使用體驗，5G通信網絡的關鍵技術是必不可少的。并且我們相信未來5G通信網絡技術的應用領域會變得越來越廣泛。

2 5G通信網絡

我國的移動通信網絡已經先后經歷了2G、3G、4G這幾個階段。2G通信網絡實現了數字語音、短信與上網，但信號不穩；3G通信網絡實現了通話與信息的同時傳送；4G通信網絡滿足了移動數據、移動計算及移動多媒體運作的需求。5G通信網絡是基于第五代移動通信技術的網絡，是4G通信網絡的升級產物[1]。對于5G通信網絡來說，目前還沒有統一的概念及標準規范。5G通信網絡與4G通信網絡相比有一定的優勢，前者具有較快的數據傳輸速度、較大的容量、較高的數據傳輸穩定性以及較強的信號抗干擾能力[2]。其也能對多種多樣的數據資源進行深入挖掘、優化配置與利用，更好地滿足人們在工作和生活中的需求。5G通信網絡的特點如下：①網絡連接功能增強。人們無論在何時何地都能迅速地連上網絡，這能有效避免出現網絡連不上、網絡中斷等問題，而且5G網絡運行速度非常快，能縮短用戶的等待時間，使用戶獲得更好的使用體驗感受。②能耗降低。由于智能手機、智能手表等移動通信設備的使用數量增加，其電能消耗效率受到人們的關注。為使用戶的通信設備具有更長的運行時間、待機時間，5G通信網絡可在確保信號穩定的基礎上，消耗更少的電能。③熱點高容量。在人員密集的地方，4G通信網絡可能出現因流量需求大而傳輸速度變慢的情況，而5G通信網絡能實現平均分配流量，從而避免產生數據傳輸滯后、卡頓的現象。

3 5G通信網絡關鍵技術分析

5G通信網絡的運行需以關鍵技術為支撐。總體來說，5G通信網絡關鍵技術包括無線傳輸技術、無線網絡技術及其他關鍵技術。

（1）無線傳輸技術又包括大規模MIMO技術、F-OFDM技術與全雙工技術。①大規模MIMO技術是5G通信網絡中的關鍵技術之一，是一種確保通信網絡運行穩定且安全的技術。該技術不僅操作簡單，而且能達到很好的效果，如今已經獲得人們的廣泛應用。其實現了天線陣列的組成，使多個天線進行連接，而且無須改變基站帶寬和密度，提升頻譜效率，確保信息傳輸質量，從而使多地區多用戶安全、穩定、高效地進行同時通信。需要注意的是，在使用該技術時應對天線進行合理調配，即結合現場實際對天線數量進行適當的增加，并科學應用混合配置方式，增強天線分布配置效果，從而提升信息傳輸、接收的效率。除此之外，這種天線配置方式能有效提高智能設備對空間資源的利用率，即便出現信號干擾的問題，該技術也能對其進行屏蔽。②F-OFDM技術，也叫正交頻分復用技術。該技術利用載波器，能將信道轉變為很多子信道，將高速信息流分散為低速子信息流，并且使各正交子信道傳輸這些并行的子信息流，從而提升抗信號干擾能力，確保信息傳輸的實效性。而且，該技術能通過合理配置循環前綴、子載波間隔等來適應不同的業務需求，進而使時頻資源得到更充分、有效的利用。③全雙工技術。該技術應用于5G通信網絡，能夠有效除去信息發射端、信息接收端中存在的干擾因素，提高通信網絡的抗干擾能力，使信息數據的傳輸變得穩定而高效，而且實現了信息在發送與接收過程中對時頻資源的共享，使發送信號、接收信號的功率不會受到影響，從而促進5G通信網絡使用效果的提升。

（2）無線網絡技術又包括超密集異構網絡技術、自組織網絡技術等。①超密集異構網絡技術。該技術的應用使網絡系統容量得到擴展，這樣信息數據就能同時進行存儲與傳輸，而且信息數據傳輸速率不會受到影響。與此同時，為達到5G通信網絡的運行標準，可適當調整傳輸距離與終端距離。此外，為提升抗干擾能力，應對結構節點距離予以調節，對結構形狀進行改進優化。②自組織網絡技術。該技術是解決5G網絡部署問題的一種有效手段，能對超密集網絡進行及時有效的處理，對通信網絡進行智能化恢復，促進系統自配效率的提升，不斷優化完善網絡結構，而且能自動檢測分析通信網絡運行中的故障，并將產生的問題上報到核心系統，以便工作人員及時進行維修，同時可大大降低人為操作失誤的發生頻率，以保證網絡運營的可靠性與穩定性。

（3）其他關鍵技術又包括毫米波通信技術、D2D通信技術等。其中，毫米波通信技術是一種能實現微波向高頻變化、光波向低頻變化的新技術。毫米波是一種電磁波，其波長為1～10mm，頻率為30～300GHz。為使該技術更好地應用于5G通信網絡，提高毫米波利用率很有必要。而為增加信息傳輸頻率，需改變天線數量與改進波長。由于毫米波具有傳輸損耗較大的缺點，故需與大規模MIMO技術進行有效結合，降低毫米波的傳輸損耗，從而促進信號質量的提高。D2D通信技術指的是使兩個對等的用戶節點進行直接通信的一種技術。D2D通信主要分為單播、多播與廣播等三種形式，這些通信形式在結構上較為復雜，在調度上相對困難，目前這個問題還有待解決。此外該技術與WIFI、藍牙通信技術相比具有明顯的優勢，其能更好地使設備與蜂窩網絡相連接，并避免蜂窩網絡數據傳輸消耗很多流量，在數據連接上具有更高的穩定性，能在更遠距離下進行數據傳輸，具有較高的信息數據傳輸速率，而且在數據傳輸上延時性較低、功耗較少。

4 5G通信網絡技術的應用探索

（1）在物聯網中的應用。物聯網的一個現存問題是缺少對海量終端數據的支持力。通常來說，物聯網中機器終端的成本應比手機終端低。而且，在物聯網應用中，延長設備中電池使用時間的做法是確保功率低，且對網絡覆蓋范圍也有一定要求[3]。5G通信網絡技術能很好地解決這些問題。

（2）在汽車自動駕駛中的應用。汽車自動駕駛指的是汽車依靠無線通信技術、移動通信技術等，處于復雜的通行環境中，能進行自動識別、控制及避險。5G通信網絡技術可對汽車自動駕駛通信技術進一步優化升級，即可為駕駛路線做出清晰的規劃，確保車與車之間、車與環境之間能進行數據交換，并能提高汽車行駛過程中信息數據傳輸效率、降低信息數據延遲頻率，規避車與車之間發生碰撞的風險，從而提升汽車自動駕駛的安全指數，降低事故發生頻率，進而保護人們的生命安全、財產安全。

（3）在智能電網中的應用。5G通信網絡技術應用于智能電網中，能實現智能供電的優化升級，可有效處理電力故障問題，也能控制電力設備在運行過程中的能量消耗，減少智能電網的運行成本，從而提高電力企業的實際效益。

（4）在云技術中的應用。帶寬、信息數據傳輸與環境是云技術運行的影響因素，故云技術運行存在一定的安全隱患。5G通信網絡技術在基礎架構與數據傳輸上有明顯的優勢，倘若將其融入云技術，則能為云技術運行提供安全保障，避免信息數據傳輸的延遲或中斷，也能使云技術運行成本得以降低。

（5）在遠程診療中的應用。遠程醫療對網絡具有非常高的要求，5G通信網絡的信號覆蓋范圍較廣，而且5G通信網絡技術可以幫助醫療數據與超高清圖像的傳輸，并零延時地傳達操控指令。這樣一來，專家醫生可以不必到現場進行手術，所以該技術應用具有很強的現實意義。

（6）在教育中的應用。5G通信網絡技術可以使教育領域獲得更多的人工智能產品，為學校提供優質的教育資源，而且可以有效解決教育資源分配不均問題。

4 結語

5G通信網絡改變了人們以往的通信方式，在網絡連接、信號傳輸上具有突出的優勢，使智能設備的利用率得到提升，將成為未來通信的主流。現在5G通信網絡技術尚處于研究開發階段，且具有很大的發展潛力。人們對5G通信網絡技術的需求，會使其未來在多種領域的應用前景非常可觀，將有力推動我國通信行業的發展。