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

張 舒

（中國通信建設(shè)集團(tuán)有限公司 黑龍江省通信服務(wù)分公司，黑龍江 牡丹江 157000）

0 引 言

隨著這些年我國信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生活不僅產(chǎn)生了巨大的變化而且也越來越依賴通信技術(shù)。技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了高級通信設(shè)備的產(chǎn)生，方便且功能繁多的通信設(shè)備吸引了越來越多的人們使用，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶每年都呈指數(shù)上漲，這使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)承受的壓力越來越大，網(wǎng)速也因?yàn)橛脩舻脑龆喽兟?。為了不斷滿足人們的使用需求，2010—2021年，通信技術(shù)從發(fā)明2G網(wǎng)絡(luò)開始到4G網(wǎng)絡(luò)的普及和成熟，移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展很快，但隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景的不斷被開發(fā)，4G通信依然無法滿足人們的要求。因此，對于5G網(wǎng)絡(luò)的探索和開發(fā)已經(jīng)成為必然趨勢，目前，初步的5G技術(shù)已經(jīng)成形，但還需要進(jìn)一步完善，以提高5G通信技術(shù)的整體效能。

1 5G通信技術(shù)概述

5G移動(dòng)通信技術(shù)是在4G的基礎(chǔ)上進(jìn)行提升和優(yōu)化，主要是提升了數(shù)據(jù)傳輸速度，并且進(jìn)一步降低延時(shí)和功耗，提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。5G網(wǎng)絡(luò)的這些優(yōu)勢能更好地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，如智慧醫(yī)療、車載聯(lián)網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)以及智能家居等[1]。5G網(wǎng)絡(luò)除了進(jìn)一步拉近人與人之間的距離，提高人們之間的通信速度，更重要的突破是提高了人與物以及物與物之間的無線連接，給物聯(lián)網(wǎng)的普及提供了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

與4G通信網(wǎng)絡(luò)相比，5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有很多前所未有的優(yōu)勢，既保持了4G網(wǎng)絡(luò)的各種優(yōu)點(diǎn)，又在這個(gè)基礎(chǔ)上再次提高了通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性，能夠運(yùn)用于更多的場景，相比4G網(wǎng)絡(luò)，競爭力和不可替代性都有了不小的提升。5G網(wǎng)絡(luò)將會給人們的生活帶來全新體驗(yàn)，通信成本進(jìn)一步降低的同時(shí)讓人們體驗(yàn)到更加便捷、智能以及人性化的服務(wù)，獲得更快的沖浪體驗(yàn)。5G網(wǎng)絡(luò)的普及將會解決人們?nèi)缃褚廊粫艿降木W(wǎng)速和斷網(wǎng)困擾，讓自己的網(wǎng)絡(luò)與環(huán)境網(wǎng)絡(luò)快速連接，體會到更先進(jìn)便利的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，這將是通信史上的又一里程碑式進(jìn)程，在未來將會遍布人們的日常生活[2]。

2 5G通信技術(shù)的特點(diǎn)

與4G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，5G通信技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，探索研究5G網(wǎng)絡(luò)的前提是要充分了解5G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對5G網(wǎng)絡(luò)的各種情況形成正確認(rèn)知，以避免在研究過程中因?yàn)閷ζ淞私獠粔蚨斐裳邪l(fā)偏差。

2.1 擴(kuò)展性

5G通信技術(shù)是基于傳統(tǒng)通信技術(shù)的再次開發(fā)，將原來的通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行篩選整理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)的優(yōu)化拓展，力圖讓全新的5G通信網(wǎng)絡(luò)給用戶提供更便捷多元的使用體驗(yàn)[3]。5G技術(shù)很早就已經(jīng)開始研發(fā)，2017年我國就建立了5G網(wǎng)絡(luò)基站，并首次進(jìn)行了覆蓋能力測試。本次測試使用大規(guī)模的天線技術(shù)，測試顯示網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離達(dá)到2 km以上，達(dá)到了與2.6 GHz頻段4G基站差不多的覆蓋能力，且網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度明顯提高，衰竭速度也明顯變緩，可以滿足較遠(yuǎn)距離用戶的通信需求[4]。

2.2 節(jié)能性

4G網(wǎng)絡(luò)雖然也能滿足人們的日常需求，但耗能巨大，成本較高。而5G網(wǎng)絡(luò)在新通信技術(shù)支持下，高效建立了信息組織網(wǎng)和中心網(wǎng)絡(luò)，顯著提高了內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸和交換速度，和4G相比大大減少了通信網(wǎng)絡(luò)的搭建成本，實(shí)現(xiàn)了5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的節(jié)能性。

另外，節(jié)能性的實(shí)現(xiàn)大大降低了通信網(wǎng)絡(luò)的耗能量，進(jìn)而也減少了電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和移動(dòng)通信廣大用戶的運(yùn)營和使用成本，這在一定程度上再一次提升了5G通信技術(shù)的普及性和實(shí)用性。同時(shí)，低能耗能夠做到最大限度地降低環(huán)境因素對于通信網(wǎng)絡(luò)的影響，使網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定，用戶也能享受到更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2.3 可靠性

5G通信進(jìn)行了技術(shù)革新，大大拓展了網(wǎng)絡(luò)帶寬，無線通信網(wǎng)絡(luò)的容量大幅度增加，使得信息數(shù)據(jù)的傳輸過程變得更加穩(wěn)定可靠，無論是音頻、視頻還是圖片，各種形式的信息都能實(shí)現(xiàn)極短時(shí)間的高速傳遞[5]。并且通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量擴(kuò)增不僅可以承受現(xiàn)象級網(wǎng)絡(luò)訪問人數(shù)的使用需求，也同時(shí)提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，使得人與人之間的通信不僅快速穩(wěn)定，而且安全可靠。

3 5G通信技術(shù)應(yīng)用場景

3.1 宏覆蓋增強(qiáng)應(yīng)用場景

在宏覆蓋增強(qiáng)應(yīng)用場景中，一大半都是低頻頻段。因此它的宏小區(qū)覆蓋率相比之下要寬廣得多，覆蓋半徑在幾千米以上。宏覆蓋增強(qiáng)應(yīng)用場景中，不同用戶因?yàn)槠洳煌那闆r，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交具^程中的損耗也不同，信噪差異也是因此產(chǎn)生。因此，在這樣的應(yīng)用場景下一般會使用幾種不同的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括非正交傳輸技術(shù)、新型調(diào)制編碼技術(shù)、大規(guī)模天線技術(shù)。這3種技術(shù)并不矛盾，甚至可以相輔相成，配合著同時(shí)使用會達(dá)到非常好的效果。

3.2 超密集部署

5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用場景絕大部分都和超密集部署有著或多或少的關(guān)聯(lián)。超密集環(huán)境通常情況下都會按照其網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍劃分成3種不同的小區(qū)，小區(qū)的拓?fù)湫螤罨揪哂卸鄻有院彤悩?gòu)性兩種特點(diǎn)。除此之外，不同小區(qū)部署的天線高度和網(wǎng)絡(luò)增益也不盡相同，發(fā)射信號的頻率也會根據(jù)實(shí)際情況而相差很多[6]。

在這種應(yīng)用場景下，一般采用的幾種技術(shù)包括虛擬小區(qū)技術(shù)、無線回傳技術(shù)以及新型調(diào)制編碼技術(shù)。這3種技術(shù)各不相同，但都各有各的作用，不能互相替代。如果是在室內(nèi)場景要提高網(wǎng)絡(luò)信息傳輸速度，則一般利用高頻通信完成，這樣可以有效避免不同小區(qū)之間的互相影響。具體部署模式如圖1所示。

圖1 部署模式

3.3 機(jī)器間通信場景

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用場景就是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，目前物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)還有很多問題沒有得到解決，其中最嚴(yán)重的問題是巨量終端數(shù)據(jù)的支持能力不足。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景對每個(gè)機(jī)器的終端都有不同要求，且每個(gè)機(jī)器的終端成本都必須要比移動(dòng)設(shè)備終端小[7]。另外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)反過來對應(yīng)用場景也有要求，最大的要求就是應(yīng)用機(jī)器的功率必須很低，保證電池能夠使用相對來說比較長的時(shí)間。而且物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景要求通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積必須非常大，至少要包含所在空間樓上樓下的所有機(jī)器設(shè)備。

同樣的，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中也能夠采用幾種不同的技術(shù)包括控制信令優(yōu)化技術(shù)、非正交傳輸技術(shù)、窄帶傳輸技術(shù)。這幾種技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)不同的需求，如非正交傳輸技術(shù)是供很多不同的終端設(shè)備在同時(shí)調(diào)用無線網(wǎng)絡(luò)資源而不出現(xiàn)混亂。

3.4 低時(shí)延和高可靠場景

這兩種場景的需求實(shí)際上都是要降低延時(shí)。就好比在精密儀器的制作要求中，不同設(shè)備間的信息數(shù)據(jù)傳遞如果存在一定的延時(shí)，那么儀器的質(zhì)量一定會被降低。當(dāng)5G通信用于智能交通系統(tǒng)時(shí)，技術(shù)要求的延時(shí)誤差絕對不能超過1 ms，并且它的檢測率必須非常低，最好無限接近于0，如果達(dá)不到這種要求，就會大大增加交通事故的發(fā)生概率，安全性會被大大降低。在這兩種最大需求都是降低時(shí)延的應(yīng)用場景中，通常采用的技術(shù)不是終端直通技術(shù)就是鏈路自適應(yīng)技術(shù)，這兩種技術(shù)的功能各有不同，但都能明顯降低時(shí)延[8]。

3.5 uRLLC型應(yīng)用場景

自動(dòng)駕駛技術(shù)就是一種uRLLC型應(yīng)用場景，最能夠體現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的及時(shí)性和可靠性。雖然5G技術(shù)的應(yīng)用場景非常廣泛，但在各種應(yīng)用場景中，uRLLC型應(yīng)用場景最能體現(xiàn)5G技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢。與原有的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對比，5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)下載和上傳速度都達(dá)到了4G網(wǎng)絡(luò)的幾十倍，且傳輸過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性也非常好，這在一定程度上加速了5G場景的實(shí)現(xiàn)和普及。

3.6 eMBB型應(yīng)用場景

目前，最具有代表性的eMBB型應(yīng)用場景是虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)。eMBB應(yīng)用場景其實(shí)是5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個(gè)最基礎(chǔ)的應(yīng)用場景。如今關(guān)于5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的探索研發(fā)中，最核心、最重要的要求是快速、精準(zhǔn)以及穩(wěn)定。為了檢測這3個(gè)核心功能是否達(dá)到要求，將其應(yīng)用于最為基本的eMBB場景中是最方便有用的方式，VR技術(shù)應(yīng)用場景可以準(zhǔn)確地體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸是否快速和精準(zhǔn)[9]。

3.7 mMTC型應(yīng)用場景

智慧城市是一種典型的mMTC型應(yīng)用場景，這種應(yīng)用場景主要可以體現(xiàn)出5G網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)方面的能力。相比起自動(dòng)駕駛應(yīng)用和VR技術(shù)應(yīng)用是在體現(xiàn)5G通信技術(shù)微觀層面的功能和優(yōu)勢，智慧城市則是在測試5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)宏觀方面的能力。值得注意的是，唯有mMTC型應(yīng)用場景要求網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)連接。強(qiáng)連接功能不但包含產(chǎn)品的消費(fèi)階段，還同時(shí)包含產(chǎn)品生產(chǎn)的環(huán)節(jié)。生產(chǎn)和消費(fèi)兩個(gè)環(huán)節(jié)都與5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，并且通過物聯(lián)網(wǎng)與銷售市場產(chǎn)生聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)物與物的大批量互相連接。在智慧城市中，利用強(qiáng)連接功能能夠?qū)⒊鞘械穆窡?、井蓋以及紅路燈等基礎(chǔ)公共設(shè)施連接在一起，實(shí)現(xiàn)智能化的統(tǒng)一管理，使城市運(yùn)行更加通暢合理，提升城市生活的便利性和安全性。

4 5G通信技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 智能化技術(shù)

智能化技術(shù)是5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中非常關(guān)鍵的技術(shù)，也是4G到5G的一次革新式技術(shù)進(jìn)步。其研究和探索已經(jīng)開始了很久，人們生活中也早就已經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的智能產(chǎn)品，如掃地機(jī)器人、電腦管家以及智能音箱等，這些智能化的產(chǎn)品都使人們的生活越來越方便舒適，而想要將5G通信技術(shù)也用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化，則需要在已經(jīng)成熟的智能化產(chǎn)品基礎(chǔ)上再進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。5G通信網(wǎng)絡(luò)基于云平臺建立，網(wǎng)絡(luò)云平臺能夠方便高效地將不同的智能化產(chǎn)品互相聯(lián)系起來，使這些產(chǎn)品之間形成一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。且這個(gè)數(shù)據(jù)共享平臺可以隨著智能化產(chǎn)品的變化而不斷變化，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)升級時(shí)，基于這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品智能化也能一并升級，實(shí)現(xiàn)和5G網(wǎng)絡(luò)同步的通信服務(wù)，確保產(chǎn)品的智能化始終能為人們提供高效優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

4.2 高頻段傳輸

目前，人們?nèi)粘Ｉ钪械囊苿?dòng)通信基本采用低頻段傳輸，但是5G時(shí)代的來臨勢必會導(dǎo)致移動(dòng)通信用戶的大幅度增多，再聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)的傳輸，人們對于移動(dòng)通信的流量需求必然也會呈現(xiàn)翻倍的加大，導(dǎo)致低頻段傳輸無法滿足5G網(wǎng)絡(luò)的需求。因此，高頻段傳輸是5G通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)必要關(guān)鍵技術(shù)，其毫米波頻率一般可以達(dá)到28 GHz，覆蓋范圍非常廣，并且經(jīng)過測試，2 km之內(nèi)的覆蓋區(qū)域都能夠?qū)崿F(xiàn)非常快的數(shù)據(jù)傳輸。但是，高頻段傳輸依然有一些需要解決的問題，其中最為突出的就是這種傳輸方式極易受到外界環(huán)境因素的影響，并不穩(wěn)定，因此還需要進(jìn)行技術(shù)研究來規(guī)避這一劣勢[10]。

4.3 直接通信

直接通信也是5G通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明能夠大幅度降低信息數(shù)據(jù)傳輸過程中的能耗和延時(shí)，使通信的質(zhì)量成倍提高。直接通信技術(shù)需要很多其他技術(shù)的支持，比如要想利用5G通信技術(shù)提升通信速度，就需要密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持才能更加合理地實(shí)現(xiàn)該需求。

4.4 多天線傳輸技術(shù)

多天線傳輸技術(shù)主要是用來擴(kuò)大移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，但到目前為止，國內(nèi)多天線傳輸技術(shù)依然有很多還沒能攻破的難題亟待解決，還需要長時(shí)間的進(jìn)步和優(yōu)化。而5G技術(shù)可以在一定程度上推進(jìn)多天線傳輸技術(shù)的發(fā)展速度，需要配合5G網(wǎng)絡(luò)對于多天線傳輸?shù)奶炀€陣列做出合理調(diào)整，進(jìn)而提高頻譜利用率。將多天線傳輸技術(shù)用于5G通信網(wǎng)絡(luò)能夠大大降低移動(dòng)通信的成本。

4.5 大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)

多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)是5G通信網(wǎng)絡(luò)中非常重要的技術(shù)，它能夠基于自身特點(diǎn)顯著提高通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率，是5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)信號傳輸質(zhì)量的保證和前提，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 大規(guī)模MIMO技術(shù)結(jié)構(gòu)

4.6 同時(shí)同頻雙全工技術(shù)

同時(shí)同頻雙全工技術(shù)是5G通信網(wǎng)絡(luò)中唯一可以最大限度屏蔽環(huán)境因素對通信影響的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)能夠幫助5G網(wǎng)絡(luò)在通信時(shí)過濾和消除干擾數(shù)據(jù)，提高頻譜工作效率。同時(shí)同頻雙全工技術(shù)也是5G通信技術(shù)中比較關(guān)鍵的技術(shù)，但是和前幾項(xiàng)技術(shù)不同，該技術(shù)到目前為止的應(yīng)用范圍并不廣泛，這是因?yàn)槠湓趹?yīng)用過程中還存在很多問題，導(dǎo)致應(yīng)用范圍非常狹窄。未來，通過5G網(wǎng)絡(luò)的不斷優(yōu)化發(fā)展，這種技術(shù)可能會得到更多的應(yīng)用。

4.7 新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架技術(shù)

目前，移動(dòng)通信領(lǐng)域還處于不斷發(fā)展的階段，5G技術(shù)并沒有完全成熟，相關(guān)技術(shù)人員還在不斷地探索研究。對于通信技術(shù)來說，非常重要的一點(diǎn)是要提高業(yè)務(wù)效率，對此首先需要做的是整合資源，將通信業(yè)務(wù)一邊整合一邊增加，逐漸使5G通信網(wǎng)絡(luò)滲透到日常生活的方方面面，搭建一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)。而在這個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)中，用戶能夠擁有非常真實(shí)的場景體驗(yàn)，并且可以在虛擬網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行真實(shí)的互動(dòng)。而實(shí)現(xiàn)這一切的關(guān)鍵技術(shù)就是新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)能夠在5G通信網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)造新的交付方式給用戶，提高通信的質(zhì)量，還能夠組合云端中的信號傳輸峰值速度和通信數(shù)據(jù)，給用戶帶來更好的服務(wù)體驗(yàn)，同時(shí)能夠最大限度地保證網(wǎng)絡(luò)儲存的穩(wěn)定性。

5 5G通信技術(shù)的市場應(yīng)用前景

5.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和VR技術(shù)領(lǐng)域

隨著科技的不斷進(jìn)步，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）和VR的技術(shù)必然將被應(yīng)用于更多領(lǐng)域，得到更廣泛的普及。而這兩種技術(shù)目前還存在成本太高、時(shí)延太長以及網(wǎng)速不夠等問題，導(dǎo)致用戶的體驗(yàn)感并不是很好。5G通信技術(shù)無疑將會幫助AR/VR技術(shù)改善這些不足，可以大幅度降低通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延，和現(xiàn)實(shí)無限接近同步，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬圖像的高速穩(wěn)定傳輸，提高虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感。

5.2 車聯(lián)網(wǎng)與自動(dòng)駕駛方面

自動(dòng)駕駛技術(shù)是一個(gè)熱門研究方向，目前車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)相對成熟，正在向自動(dòng)駕駛技術(shù)過渡，而將5G通信技術(shù)應(yīng)用于汽車領(lǐng)域會加速這種過渡，5G網(wǎng)絡(luò)高傳輸速度、低時(shí)延以及安全穩(wěn)定的優(yōu)勢將解決自動(dòng)駕駛技術(shù)的大部分難題。在不久的將來，自動(dòng)駕駛技術(shù)將能夠輕松量產(chǎn)，在全國范圍內(nèi)普及。

6 結(jié) 論

5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)絕不僅僅是讓人們的網(wǎng)速更快，而是能給許多行業(yè)和領(lǐng)域帶來革新式的改變。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用場景非常廣泛，能夠大大提高移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)傳輸速度，從而進(jìn)一步擴(kuò)大移動(dòng)通信的覆蓋面。但要完全發(fā)揮出5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢和價(jià)值，還需要應(yīng)用很多其他先進(jìn)技術(shù)，因此在深入研究5G技術(shù)之前需要先詳細(xì)了解其關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場景，以便在實(shí)際應(yīng)用中能夠發(fā)揮出全部實(shí)力。