5G的關鍵技術及應用研究

房靜偉

【摘 ?要】現代通訊面臨著海量數據的快速增長，大量的數據對信息的傳送速率提出了更高的要求。與此同時，4G商用的成功以及消費者對于更高質量網絡的需求促使更多的人才、資金與技術投入5G的開發與研究當中。論文以5G的關鍵技術為研究對象，對5G的關鍵技術及應用進行了分析。

【Abstract】Modern communication is faced with the rapid growth of massive data， large amounts of data put forward higher requirements on the transmission rate of information. At the same time， the commercial success of 4G and consumers' demand for higher quality networks have prompted more talents， funds and technologies to be invested in the development and research of 5G. This paper takes the key technologies of 5G as the research object， and analyzes the key technologies and applications of 5G.

【關鍵詞】5G;關鍵技術;應用

【Keywords】5G; key technology; application

【中圖分類號】TN929.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）07-0185-02

1 引言

數據信息化的時代對于高速率、高質量通信的要求進一步提高，對人們的生活產生了深刻的影響。因此，5G研究已經成為全球移動通信領域研究的熱點。2012年，歐盟正式啟動METIS（mobile and wireless communications enables for the 2020 information society）項目，進行5G移動通信網絡的研究。此外，日本、韓國等作為對5G重點關注的國家也先后對5G開展了研究。我國的IMT2020推進組也于2013年成立，共同推進5G的發展。本文重點介紹了5G的關鍵技術，同時對于5G技術的應用進行了分析。

2 5G概述

5G是面向2020年以后的新一代移動通信網絡。與傳統的通信技術相比，5G具有更好的拓展性、節能性以及可靠性。同時其傳輸速率的峰值要達到10Gbit/s，設備的連接密度要增加10到100倍，僅有1ms的超低空口時延等。5G是包括多種新型的無線通信技術與現有的無線通信技術的集成，而不是單純的幾種新型通信技術的結合，是對4G網絡的發展與提升。5G網絡的實現將不僅支持移動互聯網的發展，還將極大地促進人工智能、物聯網的發展。

3 5G通信的關鍵技術

3.1 超密集異構網絡

各類智能終端的普及導致網絡數據與信息交換將呈現爆炸式的增長。為保證未來的5G網絡較當前的網絡實現1000倍的數據流量增長，減小區域半徑，降低節點功耗與增加節點的數量是解決問題的關鍵。因此，超密集異構網絡將成為未來5G的關鍵技術之一。由于大量節點的部署，拉近了終端與節點間的距離，極大地提高了網絡與頻譜的利用效率，擴展了系統的容量，增強了系統的靈活性。但是，由于此技術在運行時節點距離過短以及空間的變化會造成節點之間的自干擾，因此，節點距離的調整，系統結構的優化對于抗干擾的性能提升顯得尤為重要，這也是這一技術提升與改善的方向。

3.2 自組織網絡技術

自組織網絡是指具有智能化、自組織能力的網絡。隨著網絡智能化的不斷深入，這一技術的應用性將會得到很大的提高。由于對網絡增加了自組織能力，網絡能夠自動執行網絡的規劃，維護與排障的功能。相較于之前的人工進行網絡部署的移動通信網絡，自組織網絡技術減少了人員的參與，極大地降低了由于人力資源運行、維護成本帶來的弊端，提高了5G網絡的運營效率。此外，自組織網絡中，對于部分功能失效的節點會由其他的節點取代其功能，網絡的自愈能力很強，增強了網絡的穩定性。

3.3 同時同頻全雙工技術

同時同頻全雙工通信技術是一種在通信過程中同時通信、同頻接收的通信技術。其原理是在接受過程中盡可能地減少發射機信號的干擾，因而能夠最大限度地避免外界環境的干擾。與傳統的通信技術相比，由于同步同頻全雙工技術可以使用相同的頻率資源同時實現上行和下行之間的雙向通信，使用同時同頻全雙工通信技術的通訊系統其頻譜利用率增加了1倍。隨著軟硬件發展的不斷完善以及數字信號處理技術的不斷進步，在5G網絡中使用同時同頻全雙工技術在一定程度上提高了頻譜的靈活性。

3.4 大規模多天線技術

大規模多天線的概念是由貝爾實驗室于2010年底首次提出的。這一技術是以大規模天線系統為基礎，通過將這一技術在5G網絡中集成，以降低功耗與成本。信息論表明，隨著天線數量的增加，傳輸的可靠性以及頻譜的利用率提升明顯。當發送與接受天線的數目很大時，信道容量會隨著發送與接受天線中的最小值近似線性增長。因此，增加天線數量是大幅度提升系統容量的有效途徑之一，這已成為5G通信中的核心技術。在實際的應用中，為得到更好的效果，往往要將集中分布與散落分布結合在一起使用，提高了移動設備對于空間資源的利用率，降低發射功率，減少信號的干擾。

3.5 D2D通信技術

D2D通信是一種基于蜂窩系統的短距離數據直接傳輸技術。其特點是消耗較低、通信距離遠、應用平穩。在5G網絡中，除頻譜效率與網絡容量的提升，更好的終端用戶體驗也是重要的發展方向，而D2D通信技術正好滿足了終端用戶對于更多樣通信模式的需求。在D2D通信技術中，通信的控制命令如會話的建立與維持、計費、通信資源的分配等交給蜂窩網絡處理，但會話的數據將直接在終端與終端之間傳輸而并不會通過基站轉發。這一技術實現了設備與蜂窩網絡數據的遠距離連接，通信效率較好，用戶的體驗也得到了保證。

4 5G技術的應用

4.1 5G為擴展現實XR的發展提供了機遇

擴展現實（XR）是對VR、AR、MR、HR多種視頻呈現與交互方式的綜合。基于XR的通信業務在眾多垂直行業中有著巨大的應用潛力。

4.1.1 虛擬原型設計

通過5G網絡，使計算機產生一個虛擬與現實相組合的、可人機交互的環境，讓設計師能夠便捷地與包含原型的虛擬世界進行交互，從而快速地進行修改。特別是在商業中，對于房地產、建筑業、航天、家具、服飾以及醫療器械等的設計能夠起到重要的作用。

4.1.2 遠程醫療

鑒于醫療資源分布的不均衡，很多的患者不能夠接觸到更好的醫療服務。醫生可以通過遠程的XR技術為患者提供實時的治療方案，有效地緩解了醫療發展分布式不均衡的問題。由于5G網絡的低延時性，醫生為患者進行遠距離的手術也成為了可能。

4.1.3 教育

利用5G技術的XR可以很好地還原歷史場景，對于人文學科與歷史學科的教育可以起到很大輔助作用。可以突破時空的限制，讓教學過程中不能接觸到的實物用XR的技術得以實時再現。

4.2 ?5G通信使能泛在電力物聯網

4.2.1 萬物互聯

5G時代下將所有的家用電器互聯，不僅可以實現每個家庭的智能家居，而且能夠協調多個家庭的用電情況;5G時代下的交通導航延時性小，將5G技術應用于交通之中可以實現智能城市與智能交通。此外，將電力系統接入5G網絡，能夠對電力系統進行實時檢測，評估電力系統的健康狀態。因此，5G通信時代下能真正高效地實現電網配電，實現萬物互聯。

4.2.2 精準控制

無人汽車是未來5G時代一個重要的應用領域。在5G通信中，可以為汽車提供大量穩定可靠的數據，結合5G極低的通信延時對智能無人汽車的及時剎車、轉向等決策提供很高的安全性保證。電力系統中的電力以光束傳播，速度遠遠高于高速行駛的汽車，因此。5G的精準控制是其可靠性的保證。

4.2.3 海量檢測與高效計算

未來的5G通信為大數據時代多元化數據的獲取提供了基礎。傳統的電力系統，限于通信的壓力，僅能保留基本的信息，缺失了細節性的信息。5G使萬物互聯，解決了通信方面的難題，使網絡可以安裝更多的傳感器以獲取多樣的數據。而5G時代極高的數據傳輸效率又促使云計算與邊緣計算廣泛應用，大大地提高了計算的效率。

5 結語

5G通信是在第四代移動通信技術基礎上的發展，大幅度提升了通信的速率與質量。隨著互聯網技術的發展，相應的通信技術也一定需要不斷的改進與創新。

未來的5G一定會更加注重“人的體驗”，在用戶體驗的層面上不斷地完善。同時，綠色節能也將會是5G的一個重點研究方向，以實現無線通信的可持續性發展。因此，5G技術具有極大的發展潛力，在今后的建設中，5G建設一定會得到極大的推進。

【參考文獻】

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