5G通信技術(shù)應(yīng)用場景及關(guān)鍵技術(shù)分析

張利峰，朱 寧，梁 星，曹顏輝，王 瑞

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，山西 太原 100089）

1 5G通信技術(shù)的特點

1.1 擴(kuò)展性

5G通信技術(shù)是在原有的通信技術(shù)基礎(chǔ)之上發(fā)展而來的，因此整合了原有通信技術(shù)的優(yōu)勢，并在此基礎(chǔ)上做出了一定的拓展，也因此可以為更多的用戶提供更加多元化的通信體驗。我國早在2017年就進(jìn)行了5G基站覆蓋能力測試，傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度可以滿足不同地區(qū)居民對于通信的具體要求。

1.2 節(jié)能性

5G通信技術(shù)支持下的通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息交互速率相對較高，有利于信息組織網(wǎng)和信息中心網(wǎng)的高效構(gòu)建，同時可以為運營商進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)節(jié)約一定的建設(shè)成本，其節(jié)能性也由此體現(xiàn)[1]。5G通信技術(shù)可以高效控制通信組網(wǎng)的能耗，極大程度地降低了5G通信應(yīng)用過程中所產(chǎn)生的費用，并且為通信活動的傳輸保駕護(hù)航。沒有了外部環(huán)境的影響，用戶可以享受更加高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)通信，從而提升運營商的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平，為運營商鋪排市場奠定了一定的基礎(chǔ)。

1.3 可靠性

當(dāng)今社會，用戶對于網(wǎng)絡(luò)通信的需求攀升，電信運營商為了確保通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量可以滿足用戶在不同時段和不同地區(qū)的通信要求，需要加大對于5G通信技術(shù)的資金投入，以便為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。5G通信技術(shù)的應(yīng)用使得無線通信網(wǎng)絡(luò)的短時間擴(kuò)容成為了可能，極大地提升了視頻、音頻以及圖片等容量較大信息的傳輸速度，同時5G通信技術(shù)的穩(wěn)定性也保障了傳輸過程中的信號強(qiáng)度，便利了人們的生活[2]。

2 5G通信技術(shù)應(yīng)用場景

2.1 eMMB型應(yīng)用場景

VR技術(shù)，又稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是eMMB型場景應(yīng)用的代表性技術(shù)。eMMB作為5G通信技術(shù)中應(yīng)用頻率較高的應(yīng)用場景，與5G通信技術(shù)一經(jīng)融合便引起了VR技術(shù)的革新與推廣[3]。現(xiàn)階段，5G通信技術(shù)以穩(wěn)定、快速以及準(zhǔn)確3大優(yōu)勢著稱，對于VR技術(shù)的展示層面和信息同步層面都帶來了極大影響，以人們經(jīng)常在網(wǎng)絡(luò)上觀看的高清電影為例，利用5G通信技術(shù)可以在1 s內(nèi)下載完成。

2.2 uRLLC型應(yīng)用場景

自動駕駛是uRLLC應(yīng)用場景中較為典型的場景實例，其特征是即時和可靠。據(jù)現(xiàn)階段的研究水平來看，我國5G通信技術(shù)的高效可靠性基本可以滿足自動駕駛的需求，這也就促使5G通信技術(shù)在uRLLC場景中能夠廣泛應(yīng)用。

2.3 mMTC型應(yīng)用場景

智慧城市是mMTC應(yīng)用場景中的典范之作，智慧城市的通信需求量十分龐大。5G通信技術(shù)在uRLLC與eMMB場景中的應(yīng)用更偏向于微觀層面，而在mMTC型場景中，5G通信技術(shù)的應(yīng)用更加偏向于網(wǎng)絡(luò)連接功能，針對的是生產(chǎn)與消費的全環(huán)節(jié)覆蓋，并且能夠與物聯(lián)網(wǎng)和市場進(jìn)行融合，達(dá)到萬物互聯(lián)的程度[4]。舉例來說，5G通信技術(shù)在智慧城市的建設(shè)過程中可以對于城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行一定的智能化管控，如路燈和路口監(jiān)控等，不僅可以管控設(shè)施的穩(wěn)定性運行，還能保障設(shè)施的高效工作。智慧路燈的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧路燈結(jié)構(gòu)圖

2.4 超密集部署

5G通信技術(shù)的高效低延遲特點可以實現(xiàn)更加密集的網(wǎng)絡(luò)部署。在生活和工作的各個場景中，5G通信技術(shù)需保證用戶的網(wǎng)絡(luò)通信速度達(dá)到1 Gb/s，甚至超過1 Gb/s，也正因如此，在辦公區(qū)和商場區(qū)等用戶密集的區(qū)域通信密度是較大的。根據(jù)場景的密集程度可以大致劃分為3個類型，一是宏小區(qū)，二是微小區(qū)，三是毫微小區(qū)。為了保障3種類型應(yīng)用場景的通信需求，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的過程中優(yōu)選多樣、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋蚚5]。根據(jù)區(qū)域的天線高度和增益效果，選擇合適的高頻通信技術(shù)來避免小區(qū)之間的信號干擾。通常情況下有3種技術(shù)可以選擇，一是無線回傳技術(shù)，其二是虛擬小區(qū)技術(shù)，三是新型調(diào)制編碼技術(shù)。在應(yīng)用過程中，要根據(jù)小區(qū)的實際情況進(jìn)行科學(xué)選擇。

2.5 低延時和高可靠應(yīng)用場景

雖然應(yīng)用場景有一定的差別，但是低延時和高可靠是各個應(yīng)用場景的共同要求，尤其是在一些精密的應(yīng)用場景中。例如，在智能交通系統(tǒng)的運作過程中，對于時分秒的要求極其精確，誤差過大就有可能發(fā)生交通事故，因此為了保障交通安全運行，在應(yīng)用5G通信技術(shù)的同時還要借助鏈路自適應(yīng)技術(shù)以及終端直通技術(shù)，才能夠?qū)⒄`差降到最低，滿足低延時和高可靠的需求[6]。

2.6 大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)

5G通信技術(shù)可以同時處理數(shù)十億臺設(shè)備傳輸?shù)娜f億條信息，并且能夠保障這些信息的安全性，并穩(wěn)定地輸入到其他設(shè)備中。在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用5G通信技術(shù)可以有效地保障物聯(lián)網(wǎng)中的信息安全問題，在信息安全的基礎(chǔ)上還能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備離線狀態(tài)的信息交互。但大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)需要投入大量成本，因此在研發(fā)過程中要考慮成本和收益等因素，在合理范圍內(nèi)實現(xiàn)技術(shù)推廣。

2.7 用戶終端應(yīng)用

5G通信技術(shù)的發(fā)展之初是為終端客戶提供更加高質(zhì)量的通信服務(wù)，運營商需要確保用戶的通信體驗達(dá)到用戶的心理預(yù)期，只有這樣才能為5G通信技術(shù)的應(yīng)用和推廣奠定基礎(chǔ)。在此過程中需求不斷提升用戶的體驗感和沉浸感，形成特定的用戶體驗?zāi)Ｊ健３酥猓?G通信技術(shù)低能耗的特點也將通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶入到更加綠色可持續(xù)的時代，符合當(dāng)下節(jié)能環(huán)保的發(fā)展要求。

3 5G通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模的MIMO技術(shù)和超密集組網(wǎng)技術(shù)是保障5G通信高效傳輸?shù)年P(guān)鍵。其中，大規(guī)模MIMO技術(shù)能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)延遲，提高無線傳輸效率的同時保障傳輸穩(wěn)定性，這在很大程度上能夠提升用戶體驗感[7]。另外大規(guī)模MIMO技術(shù)可以同步網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸和接收，這為5G網(wǎng)絡(luò)搭載大量數(shù)據(jù)提供了可能，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)組成

大規(guī)模MIMO技術(shù)對于通信系統(tǒng)的信道容量有著顯著的提升作用，而且提升的過程中并不需要運營商調(diào)整頻譜寬度，能夠極大程度上提高信道容量的利用率，幫助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建起完整高效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。與此同時，大規(guī)模MIMO技術(shù)的存在也使得傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)得以取長補短，既保證了通信過程的穩(wěn)定性，也相應(yīng)降低了由頻譜帶寬因素限制造成的高額成本。除此之外，大規(guī)模MIMO技術(shù)還對有源天線單元技術(shù)的升級起到了良好的輔助作用，提升了數(shù)據(jù)接收能力和信息傳輸速率，從而極大地提升了網(wǎng)絡(luò)通信能力，在此基礎(chǔ)上方便進(jìn)行大范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，減少了人力物力在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上的投入，運營商的盈利也有了一定的提升空間。

3.2 超密集組網(wǎng)技術(shù)

除了大規(guī)模MIMO技術(shù)，超密集組網(wǎng)技術(shù)也是5G通信技術(shù)中的關(guān)鍵，其技術(shù)來源于基站密度。對于小型基站，超密集組網(wǎng)技術(shù)在一定程度上提高了一定頻譜內(nèi)頻率的復(fù)用程度，為建構(gòu)完整的通信體系打下了基礎(chǔ)。超密集組網(wǎng)技術(shù)的技術(shù)支持分為無線物理技術(shù)和虛擬層技術(shù)兩部分，無線物理技術(shù)包含MAC技術(shù)、多址技術(shù)以及編碼技術(shù)等，對5G通信中的頻譜帶寬、信號強(qiáng)度以及穩(wěn)定性提供很大的保障，而且?guī)缀蹩梢韵W(wǎng)絡(luò)覆蓋的盲點區(qū)域，達(dá)到信號的全方位覆蓋，形成了更加立體的5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8]。虛擬層技術(shù)的原理是在單層實體網(wǎng)格的基礎(chǔ)上搭建多層虛擬網(wǎng)絡(luò)（宏基站），宏基站的主要功能是實現(xiàn)虛擬層指令控制，以此協(xié)助工作人員實時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)通路搭載的單載波和多載波，并對整體的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)管控，為運營商進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置提供了較大的空間，具備更大的靈活性。

3.3 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)

新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)應(yīng)用的主要目的在于節(jié)省通信過程中的成本，同時滿足用戶對于5G通信技術(shù)高效利用率的要求。新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)可以以自身的優(yōu)勢整合傳統(tǒng)的通信技術(shù)，形成覆蓋人們生產(chǎn)生活各方面的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)與應(yīng)用離不開自組織網(wǎng)絡(luò)，自組織網(wǎng)絡(luò)可以有效提升5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的用戶情景體驗效果和互動[9]。新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)更符合現(xiàn)階段5G通信技術(shù)的要求，通過不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形成新型的網(wǎng)絡(luò)交付模式，幫助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的存儲平臺獲得更高的穩(wěn)定性。

3.4 同時同頻雙全工技術(shù)

同時同頻雙全工技術(shù)可以有效阻止外界環(huán)境的干擾，原因在于該技術(shù)不僅可以接收信號，還可以在接收過程中對干擾信號進(jìn)行處理并消除，因此其應(yīng)用可以幫助通信網(wǎng)絡(luò)極大程度上提升頻譜的復(fù)用率[10]。但是，在應(yīng)用該技術(shù)的過程中需要注意的是，該技術(shù)尚在發(fā)展階段，利用率較低，仍需要深入研究和優(yōu)化改進(jìn)。

3.5 智能化技術(shù)

5G通信技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵在于智能化技術(shù)。人工智能技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，且應(yīng)用效果良好，在5G通信技術(shù)中加入智能化技術(shù)，可以在一定程度上避免人為操作帶來的失誤，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)通信智能化，但在應(yīng)用過程中需要較多人力物力的投入，保證智能化技術(shù)形成的云平臺能夠穩(wěn)定運行，同時維持?jǐn)?shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

作為第5代通信技術(shù)，已經(jīng)綜合了前4代通信技術(shù)的優(yōu)勢，也消除了很多傳統(tǒng)通信技術(shù)中的弊病，為人們提供了更好的通信技術(shù)和通信環(huán)境。尤其是萬物互聯(lián)時代的到來，5G通信技術(shù)對時代發(fā)展有著很大的推動和促進(jìn)作用，但是由于其仍處于研究和發(fā)展階段，還需要更多的成本投入，以不斷提升5G網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，從而保障通信質(zhì)量。