5G無線通信技術發展跟蹤與應用

田宇

（吉林吉大通信設計院股份有限公司 吉林省長春市 130000）

5G 無線通信技術在我國快速發展，投入商用，得到大范圍推廣，將逐漸取代4G 無線通信技術成為通信行業的主流。5G 無線通信技術相比于傳統技術更加安全可靠，更加重視對私密信息保護，讓通信技術使用更加靈活便捷，顯著提高傳輸速度，并減少能量損耗，具有廣闊應用前景。通過對5G 技術發展和應用的研究，能夠強調其應用前景，奠定5G 技術發展基礎。

1 5G無線網絡通信技術

5G 無線網絡通信技術是在無線通信網絡基礎上進行升級和改造，讓各方面超越傳統的無線通信網絡。相比于傳統無線通信網絡，5G 無線通信更加完善。5G 網絡投入使用以來逐漸擴大市場份額。根據目前使用情況，在建設網絡工程中，5G 無線通信網絡有效應用了納米技術，更加重視保護私密信息，使得無線通信技術得到更加靈活和便捷的應用，顯著提高網絡傳輸速度，顯著減少能量損耗。不難發現，和傳統通信技術相比，5G 通信網絡最突出的優勢在于對個人信息的保護。在傳輸信息過程中如果遇到了阻礙，5G 無線通信技術能夠更加及時的明確問題所在，并加強對信息的保護[1]。和傳統無線通信技術相比，5G 通信技術具有諸多優勢，其吸納了傳統通信技術優勢，并實現了更加靈活的應用，使其具備了突出的競爭力，能夠更好地為人們提供傳輸信息服務。在建設通信工程中，5G 網絡擴大網絡覆蓋面積，用戶使用5G 網絡更加便捷，同時具備智能化優勢，能夠讓用戶體驗感更好。

具體來講，5G 技術主要具備下述幾個特征：

（1）用戶體驗感好，由于5G 技術支持移動業務較多，且傳輸效率高，用戶使用過程中體驗感更好，用戶滿意度更高。

（2）由于傳輸速率可以達到數十Gb/s，使用4G 技術下載電影可能需要十幾分鐘，但使用5G 技術下載電影1s 即可完成。在使用過程中節約了使用時間。

（3）5G 技術可以實現面向多個用戶服務，在原有性能基礎上出現明顯提高，5G 技術具有更廣的覆蓋范圍，讓其服務能力進一步提高。

（4）具有強大的兼容性，在原有通信技術基礎上建設平臺，包括NFC 無線技術，可以保障支付的安全性。

（5）5G 技術在使用過程中需要借助于其他程序幫助，服務器可能收到大量郵件請求，經過自動審核，阻止其中的無效信息，能夠避免過度消耗電量，不會對電池壽命造成損傷，因此電池壽命較長。

2 5G無線網絡通信技術的優勢

2.1 高傳輸速率

相比于傳統無線通信技術，5G 技術的傳輸速率更高，在傳輸應用上取得了較大突破，能夠更好滿足人們需要。由于傳輸速率的提高，讓相關產業也取得較大突破，對我國經濟的發展具有突出幫助。尤其是公共服務事業，5G 技術能夠實現信息及時傳遞，將信息實時傳遞給管理部門，幫助管理部門能夠第一時間做出協調，進行處理，從而能夠實現遠程調度管理，解決公共突發事件。信息傳播速率的提高也會提高社會生產水平，加快社會生產效率，從而能夠推動經濟的進步，國力的提升。

2.2 高可靠性

5G 技術具有廣闊的發展前景，未來會廣泛應用于各個行業。在應用過程中，5G 技術給予了高水平安全保障。由于5G 技術具備良好的安全系統，用戶能夠放心使用。此外5G 技術能夠克服時間的限制，提高時效性和可靠性。在安全的基礎上能夠滿足高速率傳輸信息，滿足人們的需求，更保障了人們的通信權益。

2.3 高數據流量

近幾年來無線網絡傳輸數據大幅度增加，對網絡荷載能力提出了更高的要求。同時網絡用戶逐年增加，人們對無線網絡使用需求逐漸增加，數據流量將處于持續大幅增加的狀態[2]。5G 技術具有高數據流量傳輸優勢，在用戶密集的情況下，5G 技術能夠最大程度上降低干擾，保證網絡通暢，允許大量用戶的數據傳輸，保證高質量高效率完成數據傳輸任務，是傳統無線通信技術不具備的優勢。

3 5G無線通信技術發展跟蹤

3.1 毫米波技術

電磁波根據頻率長短可以分為高頻波和低頻波等，又根據波長不同可以分為短波、長波等。低頻超長波的波長為104～105m，頻率為3～30kHz；高頻短波的波長為10～102m，頻率為3～30MHz；高頻超短波波長為1～10m，頻率為30～300MHz。而極高頻微波的波長只有1～10mm，也被稱為毫米波，其頻率約為30～300GHz。4G 技術采用的是厘米波進行信號的傳輸，5G 技術則采用毫米波進行信號的傳輸，由于毫米波的頻率更高，且波長更短，頻譜也更寬，能夠增加信道容量，滿足高標準的移動通信需要，更適合在多媒體時代下的信號傳播。此外毫米波的波束更窄，具有更高的可靠性以及方向性。在2019年2月韓國三星公司提出已經研發出5G 毫米波無線通信芯片，帶寬從800MHz 提高至1.4GHz，顯著提高了數據傳輸效率，最大程度上增加了通信服務的范圍[3]。雖然毫米波技術具有多種優點，但是在傳輸過程中可以發現，毫米波會出現路徑損耗，造成傳播質量降低，且在高層建筑中毫米波的傳輸相對困難。在外界環境中，雨水、樹葉等都會吸收毫米波，影響信號的傳輸。經過測試，5G 網絡的波動幅度大，對于基站十分依賴，很難廣泛應用。

3.2 超密集組網技術

5G 網絡采取毫米波技術實現了高流量和高網速的5G 網絡，也能適應毫米波短距離傳輸，顯著縮短了5G 基站的間距，因此超密集組網技術（UDN）成為了5G 網絡的必需技術。UDN 技術利用小小區技術，有效覆蓋范圍為10～200m，采取無線回傳、多連接以及多點協作技術，實現了系統容量以及數據流量的大幅提升。UDN技術的應用也出現了新的問題，如需要設置更加密集、更大量的無線接入點，代表系統的能耗以及接入成本明顯增加，增加拓撲結構復雜程度。由于無線接入節點間距減小，各個小小區間的切換頻率也會增加，造成移動信令負荷的增加，甚至會干擾系統運行。因此大規模采取UDN 技術較為困難，還需要專家們尋找控制干擾的新方法，尋找新的管理方案。

3.3 多天線技術

多天線技術具有更加精準的波束控制能力，通過多天線控制毫米波傳輸干擾，并抵抗小小區干擾，其最大的特征在于基站集中配置大規模天線陣列，通常情況下陣列數多于8 個。新型多天線傳輸通信技術建立在大規模天線列陣以及大規模MIMO 基礎之上，這一通信技術顯著提高了陣列增益，從而提高小區總頻譜以及邊緣用戶效率。該技術改進了MTMO，顯著增加小區容量，不斷提高下載速率，能夠讓下載需要有序滿足。但是對于新型天線傳輸技術，基站下行只能提供發送天線，工作性能的提升空間更大。在5G 通信技術發展中，會對有源天線技術進行引入。從而更加便捷地獲取小區基站MIMO 部署情況，完成3D 波束成形，讓系統容量進一步增強，更能讓業務需求得到滿足。

3.4 新型網絡架構

在5G 網絡發展過程中，必然朝向蜂窩及WIFI 融合的結構發展，有效實現業務分流。同時為了讓基站壓力減輕，提出D2D 網絡概念，D2D 網絡技術成為5G 發展的關鍵技術。使用D2D 技術不需要國際站轉接即可完成數據交換，從而減小蜂窩網絡負擔，讓功耗得到減少，進而加快網絡速度。

4 5G無線通信技術的應用

4.1 安卓系統

研發安卓系統基礎為開放源代碼，目前廣泛應用于平板電腦和智能手機之中，應用范圍廣。安卓系統主要分為四個層級架構，即應用程序層、程序框架層、系統運行層以及系統內核層。在系統內核層中應用5G 技術能夠分離系統基礎文件以及硬盤驅動系統，從而讓終端的儲存空間得到壓縮，讓終端硬件設備更加豐富。在安卓系統中使用5G 技術能夠顯著提高系統安全性，讓系統在后續運行中更加安全可靠。

4.2 數字貨幣

從比特幣推出后，全世界各國均爭相推出數字貨幣，5G 技術高水平的安全性和兼容性，能夠支持數字貨幣的推廣和流通。使用5G 技術進行數字貨幣的支付，能夠顯著提高交換速度，并擴大價值交換范圍，給數字貨幣提供安全可靠的保障，并最大程度上壓縮流通和發行的成本。以比特幣為例，作為代表性的概念型產品，比特幣屬于P2P 軟件產生的虛擬貨幣，通過對網絡各個節點產生的分布數據庫應用，從而確認交易行為[4]。由于比特幣具備去中心化特征，算法較為復雜，很難大量制造，要通過人為手段操作幣值，受到外界的高度認可，使得比特幣本身價值也顯著提高，因此比特幣也作為一種全新的支付手段。借助于5G 網絡的高安全性，使得比特幣在5G 網絡下交易流通十分安全，為數字貨幣的發展和應用提供了安全的平臺。

4.3 大數據云計算領域

從2010年至2020年間，群眾對無線網絡的需求增長了數千倍，產生的數據也大幅增加。面對這一情況，發展5G 無線通信技術十分必要，其發展趨勢正好滿足大數據領域的需要。如今全球進入大數據時代，每天產生的數據呈量級化增長，大數據不僅成為人們行為的記錄，同時也成為了重要的重要的資源。在大數據和云計算領域中，應用5G 技術能夠提高數據計算和分析的效率，在最短時間內進行數據的處理和分析，幫助人們更高效的應用數據。云計算技術更無法離開5G 技術的支持，云計算技術主要借助于互聯網進行在線計算，其運算速度受到網絡速度的影響，應用5G 技術后可大幅度提升云計算的穩定性和可靠性，避免數據泄露，進一步提高云計算技術的穩定性。如在公共服務事業中，5G 技術的應用將大幅提高公共服務的應變能力，能夠及時傳遞信息，更有利于獲取一手信息，實現信息的實時傳遞和遠程指導。

4.4 光電照相機

光場攝像機具備記錄光學信息的能力，一張照片約占據200M空間，但借助于5G 技術能夠避免儲存問題。在應用程序中發光攝像機只需要捕獲優勢應用發光場攝像機，不需要使用配置程序圖像采集焦點。在5G 技術支持下利用矢量能夠最大程度上提高網絡安全性，并節約儲存空間，滿足使用需求。在5G 技術支持下，不僅提高了傳輸速度，更最大程度上提高了技術質量，滿足人們使用需要。5G 技術的應用幫助光場相機解決了存儲問題，使其高攝像清晰度的優勢得到發揮，讓其應用優勢得到凸顯。

4.5 醫療領域

長期以來由于我國醫療資源的緊張，群眾看病困難的問題一直存在。在醫療領域中，利用5G 數據傳輸，建設在線問診系統，能夠讓醫療資源再分配，讓特級醫生在線遠程診療，供外地患者看病。同時也能讓外地的醫生互相學習，分享醫療經驗。借助于5G 網絡全國的專家可以整合起來，形成專家診療組，針對疑難雜癥進行線上會診，解決看病難的問題。在5G 網絡的支持下，遠程醫療系統能夠輔助醫療機構完善醫療服務，解決看病難的問題，同時也能積極改善“黃牛”、醫療糾紛等社會問題，對于社會的和諧發展具有積極作用。在2019年我國一位外科醫生利用5G 技術進行遠程外科手術，手術中在5G 網絡支持下操作機械手術臂進行手術，順利切出了動物實驗肝臟，在整個過程中，手術只延遲了0.1s。可見5G網絡也能為遠程手術和遠程治療提供應用空間。

4.6 智能社會

隨著5G 網絡的廣泛應用，支持智能設備的推廣，進一步完善智能社會。在5G 網絡支持下，智能社會將形成一個人與人、人與設備、設備與設備互通的新型社會，如無人駕駛公交車、智能家居等，將網絡和數據通信轉化為電子設備，滿足智能生活的需要，成為世界發展的主流趨勢。現階段商用5G 技術還無法達到實驗室水平，主要受到傳輸環境等因素影響，5G 技術的優勢尚未能全部發揮。未來還需要進一步優化通信結構，對云端處理模式、設備以及傳輸環境進行升級，從而放大5G 技術的優勢。

5 結論

綜上所述，通過對5G 無線網絡通信技術特點和優勢的分析，5G 技術憑借高傳輸速率、高可靠性、高數據流量的優勢，具有廣闊的發展前景。5G 技術經過毫米波技術、超密集組網技術、多天線技術、新型網絡架構逐漸發展成熟，逐漸應用于安卓系統、數字貨幣、大數據云計算領域、光電照相機、醫療領域以及智能社會中，對于社會發展具有突出價值，滿足人們的使用需求。