5G移動通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

黃津國

（陸軍裝甲兵學(xué)院蚌埠校區(qū)，安徽 蚌埠 233000）

1 通信技術(shù)發(fā)展簡史

回望移動通信技術(shù)的發(fā)展歷程，經(jīng)歷了1G、2G、3G、4G時(shí)代，目前正處于5G推廣應(yīng)用階段和6G萌芽階段。第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，是模擬通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了語音通信，并被推廣應(yīng)用。應(yīng)用最為廣泛的移動通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)是2G全球移動通信系統(tǒng)，它由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會組建，采用時(shí)分多址無線接入等相關(guān)技術(shù)，是數(shù)字通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了分組數(shù)據(jù)通信。在3G移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)之前，移動通信系統(tǒng)主要采用的是歐洲定義的標(biāo)準(zhǔn)，缺少一套全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，直至1998年才誕生了全球首個(gè)通用移動系統(tǒng)，該系統(tǒng)由3GPP組織提出，采用寬帶碼分多址技術(shù)構(gòu)建無線接入網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了高帶寬多媒體通信。依據(jù)各國使用習(xí)慣不同，3G系統(tǒng)包括3種模式，分別是針對美韓設(shè)計(jì)的CDMA 2000、針對中國設(shè)計(jì)的TDS-CDMA以及針對歐洲設(shè)計(jì)的WCDMA[1]。4G移動通信系統(tǒng)主要采用了正交頻分復(fù)用和多輸入多輸出兩大關(guān)鍵技術(shù)，在兼顧容量及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高速無線互聯(lián)網(wǎng)通信。

不同于4G技術(shù)，5G技術(shù)可以應(yīng)用于人與物之間的通信，具有增強(qiáng)移動寬帶、低功耗、高可靠以及低時(shí)延的特點(diǎn)，其核心可概括為實(shí)現(xiàn)無線新技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算[2]。5G通信技術(shù)旨在提供更高的數(shù)據(jù)速率、出色的用戶體驗(yàn)、更低的功耗以及更短的延遲，其蜂窩網(wǎng)絡(luò)將實(shí)施多樣化的多層模型，幫助客戶獲得所需的服務(wù)質(zhì)量。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)更加移動和互聯(lián)的社會將會出現(xiàn)。從2000年到2020年，全球數(shù)據(jù)流量迅速增長，因此應(yīng)廣泛引入第五代蜂窩通信系統(tǒng)，以滿足前幾代系統(tǒng)無法滿足的不斷發(fā)展的需求。

2 5G移動通信技術(shù)的應(yīng)用

通信系統(tǒng)是當(dāng)前各垂直行業(yè)的基礎(chǔ)，以5G網(wǎng)絡(luò)為依托產(chǎn)生了5G移動通信技術(shù)。該技術(shù)的出現(xiàn)使得人們生活生產(chǎn)方式發(fā)生了極大的轉(zhuǎn)變，提高了基礎(chǔ)設(shè)施的效率，帶來了更好的交互式體驗(yàn)。5G移動通信技術(shù)的應(yīng)用情況如圖1所示。

圖1 5G移動通信技術(shù)的應(yīng)用分類

3 5G技術(shù)在泛互聯(lián)網(wǎng)中的融合應(yīng)用

3.1 遠(yuǎn)程醫(yī)療

通過5G通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，可打破遠(yuǎn)距離導(dǎo)致的無法及時(shí)就醫(yī)的技術(shù)壁壘，很大程度上緩解了醫(yī)生與患者因距離遠(yuǎn)就醫(yī)困難的問題，實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域診斷與治療[3]。通過5G高速傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)傳送高清影像，對數(shù)十千米外機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，成功為實(shí)驗(yàn)動物進(jìn)行手術(shù)，并取得了不錯(cuò)的效果，術(shù)后恢復(fù)良好，各項(xiàng)生命指標(biāo)平穩(wěn)。搭載5G技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)操作，是5G移動通信技術(shù)與醫(yī)療技術(shù)的新結(jié)合，可以幫助患者降低醫(yī)療的成本，以接受更為優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)。

3.2 無人機(jī)通信

由于現(xiàn)有通信傳輸技術(shù)無法突破無線電發(fā)射功率的極限距離，需要借助5G移動通信技術(shù)才能使無人機(jī)在物流運(yùn)輸、基礎(chǔ)設(shè)施巡查、公共安全以及視頻直播等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。5G+無人機(jī)技術(shù)可以提高圖傳的畫面清晰度和數(shù)據(jù)傳輸速率，由此可激發(fā)出許多新興行業(yè)應(yīng)用。低空無人機(jī)可以通過遙控其飛行路線將包裹自動投遞到相應(yīng)目的地，緩解交通擁堵問題，消除地形等因素干擾，提高投遞效率[4]。視頻直播方面，無人機(jī)通過搭載全景攝像頭進(jìn)行視頻拍攝。可快速完成視頻流的采集、拼接與處理，然后通過5G網(wǎng)絡(luò)下行傳輸給用戶，可以實(shí)時(shí)上傳和共享視頻數(shù)據(jù)。

4 智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)是將大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能以及無線通信等現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行融合，并將其充分運(yùn)用到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)而對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行合理管控，降低農(nóng)業(yè)成本和消耗，減少環(huán)境破壞，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和資源利用率[5]。

首先，5G通信技術(shù)在數(shù)據(jù)信息采集中發(fā)揮著重要作用，通過無線傳感器、視頻攝像頭等智能化硬件設(shè)備對農(nóng)作物生長中的環(huán)境信息進(jìn)行采集，之后將采集到的數(shù)據(jù)回傳至云端分析系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物生長情況以及生長環(huán)境的監(jiān)測，為廣大農(nóng)戶提供有效的農(nóng)業(yè)農(nóng)情信息。

其次，5G通信技術(shù)在智能控制方面也發(fā)揮了不小的作用。云端控制系統(tǒng)對前端傳感器等設(shè)備所采集到的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，以保障農(nóng)作物處于最佳的生長環(huán)境，農(nóng)戶們只需利用手機(jī)等移動終端設(shè)備就能輕松監(jiān)測農(nóng)作物的生長情況，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的精細(xì)化管理[6]。

最后，5G通信技術(shù)可應(yīng)用于食品溯源技術(shù)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品信息的溯源，消費(fèi)者通過食品二維碼就能追溯到農(nóng)產(chǎn)品的生長情況等信息，助力食品安全監(jiān)管，讓大家買的放心、安心。

在各個(gè)智能設(shè)備間建立起有效連接和信息傳遞，正是5G移動通信技術(shù)的高效體現(xiàn)[7]。5G移動通信技術(shù)是具有更高數(shù)據(jù)傳輸速率和更快連接速度以及更低延時(shí)的新一代通信技術(shù)，能夠?yàn)榫珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)再添新力量。

5 5G技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

5.1 云端機(jī)器人

疫情期間，依托5G通信技術(shù)的機(jī)器人大顯身手，5G云端消毒清潔機(jī)器人、5G云端智能運(yùn)輸機(jī)器人、5G測溫巡查機(jī)器人等相繼亮相防疫前線，為“防疫”“抗疫”提供了技術(shù)保障，同時(shí)省去了不少人力成本[8]。云端機(jī)器人依靠多傳感器融合，采用“云-網(wǎng)-端”架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航和避障技術(shù)，其應(yīng)用場景十分廣泛。

5.2 無人駕駛

無人駕駛技術(shù)是未來汽車行業(yè)發(fā)展的重要趨勢，在智能化發(fā)展降低人工操作的前提下還要保障行業(yè)發(fā)展的安全性。5G網(wǎng)絡(luò)具有低延時(shí)和大容量特性，能夠?yàn)闊o人駕駛提供實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的道路信息和車輛狀況信息，并能進(jìn)行路況預(yù)測，從而提高行車效率，降低發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)[9]。借助5G通信技術(shù)建立無人駕駛模式應(yīng)用控制，網(wǎng)絡(luò)延遲會在10 ms以內(nèi)，這相比人類反應(yīng)時(shí)間（500 ms）大幅縮短，從而提高了駕駛安全性，有效降低交通事故發(fā)生的概率。

5.3 智慧港口

智慧港口建設(shè)是將5G技術(shù)融合到傳統(tǒng)港口的運(yùn)作過程中，對其進(jìn)行信息化和智能化改造，從而提高港口的工作效率，降低發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)[10]。目前，港口正在由以勞動力為主的作業(yè)模式向信息化模式發(fā)展，主要體現(xiàn)在碼頭操作系統(tǒng)和無人裝載智慧方案兩個(gè)方面。5G技術(shù)與北斗導(dǎo)航技術(shù)的有機(jī)結(jié)合可以有效助力智慧港口建設(shè)，實(shí)現(xiàn)從裝卸到生產(chǎn)智能化的進(jìn)一步發(fā)展，更廣泛地感知內(nèi)外部信息。

5.4 智慧礦業(yè)

對于煤礦開采等危險(xiǎn)系數(shù)較高的工作，可以采用智慧礦業(yè)方案進(jìn)行行業(yè)優(yōu)化。運(yùn)用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對礦井環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測分析，從而降低人工作業(yè)安全隱患。結(jié)合5G技術(shù)進(jìn)行煤礦遠(yuǎn)程程序?qū)崟r(shí)控制、高精度定位和井下情況遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)行維護(hù)，這將有力保障煤礦作業(yè)人員的生命安全，并提高煤炭開采的效率。

5.5 智能化鐵路技術(shù)站

隨著5G通信技術(shù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)的高速發(fā)展，鐵路智能化建設(shè)也開始大力推進(jìn)。鐵路技術(shù)站智能化建設(shè)借助先進(jìn)的現(xiàn)代鐵路管理理念，以現(xiàn)代化設(shè)施設(shè)備為基礎(chǔ)，以5G移動通信、智能控制等新一代信息技術(shù)與技術(shù)站業(yè)務(wù)深度融合為核心，實(shí)現(xiàn)技術(shù)站作業(yè)最優(yōu)化配置，滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)站需求，建設(shè)成為作業(yè)高效、管理先進(jìn)、安全保障有力的智能化鐵路技術(shù)站。

5.6 5G助力配電網(wǎng)優(yōu)化

5G基站的海量接入為未來電力系統(tǒng)低碳發(fā)展注入了新的技術(shù)方式，通過激勵5G基站參與需求響應(yīng)，并將其納入現(xiàn)有主動配電網(wǎng)運(yùn)行框架，能夠在降低5G基站自身用電成本的同時(shí)促進(jìn)可再生能源的消納和高效利用。5G技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略、配電網(wǎng)業(yè)務(wù)需求高度吻合，是支撐配電網(wǎng)通信的最佳選擇。

6 5G技術(shù)應(yīng)用于廣播電視

在廣播電視行業(yè)中，5G移動通信技術(shù)的普及和推廣讓傳統(tǒng)廣播電視經(jīng)營模式發(fā)生了變化。5G移動通信技術(shù)包含了新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)和高階正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等現(xiàn)代化技術(shù)，這些技術(shù)可以有效優(yōu)化廣播電視產(chǎn)業(yè)中的傳輸技術(shù)。基于此，ATSC 3.0構(gòu)筑了多層數(shù)據(jù)傳輸平臺，運(yùn)用5G移動通信技術(shù)，與Numerology技術(shù)、動態(tài)時(shí)分復(fù)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)等相結(jié)合，可提高移動數(shù)據(jù)接收的性能，為超高清技術(shù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，為廣播電視產(chǎn)業(yè)提供了新思路。

7 5G移動通信技術(shù)的發(fā)展

7.1 生活云端化

移動5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正以前所未有的速度實(shí)現(xiàn)普及，給人們的日常生活帶來重大轉(zhuǎn)變。數(shù)據(jù)存儲方式上發(fā)生了變化，已不再對移動存儲硬件設(shè)備產(chǎn)生極大依賴，云存儲技術(shù)可以有效提高數(shù)據(jù)可移植性和數(shù)據(jù)共享性，相較于傳統(tǒng)的大文檔儲存方式，云端儲存和共享文件具有更快的速度，提高了工作效率，節(jié)省了大量人力物力，隨之而來的是依托云端的衍生產(chǎn)業(yè)。縱觀5G移動通信技術(shù)的成功案例，人們的日常生活與工作生產(chǎn)變得更加便捷、高效。

7.2 系統(tǒng)智能化

智能化系統(tǒng)發(fā)展的越來越快，更多的行業(yè)都在不同的產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用了智能化系統(tǒng)。5G移動通信技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)也通過智能技術(shù)來提升5G移動通信技術(shù)在處理海量數(shù)據(jù)時(shí)的品質(zhì)與效能。此外，用戶在使用5G移動通信技術(shù)時(shí)也更加重視使用感受，從而克服了實(shí)際應(yīng)用中遇到的信息穩(wěn)定性差與傳輸速率緩慢等問題，這也表明了5G移動通信技術(shù)已經(jīng)越來越智能化。

8 5G移動通信面臨的挑戰(zhàn)

5G移動通信技術(shù)展現(xiàn)出高帶寬、大容量、低時(shí)延等特點(diǎn)，對服務(wù)質(zhì)量提出了新的要求。另外，5G通信技術(shù)相比于4G技術(shù)而言需要建設(shè)更多的基站，隨之而來的是成本的提高和如何選址的問題。在能耗方面，5G移動通信技術(shù)在數(shù)據(jù)高速傳輸時(shí)會產(chǎn)生大量能耗，這也是一個(gè)亟需解決的問題。由于5G通信技術(shù)采用的是高頻信號傳輸，而高頻信號具有衰落快的性質(zhì)，在有較多遮擋區(qū)域的地方會對信號傳輸產(chǎn)生干擾，甚至?xí)斐纱蠓秶木W(wǎng)絡(luò)質(zhì)量變差情況。在安全性方面，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為開放，存在一定的安全隱患。綜上，5G移動通信技術(shù)雖然前景無限，但依舊存在需要克服的問題，因此在后續(xù)的發(fā)展過程中需要不斷優(yōu)化升級。

9 結(jié) 論

本文主要分析了5G移動通信技術(shù)的典型應(yīng)用和未來發(fā)展動向，并對一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說明。5G移動通信技術(shù)帶動了通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，通信業(yè)務(wù)范圍得到擴(kuò)大，涉及生活的方方面面。隨著5G技術(shù)的大力推廣，將會為生活生產(chǎn)帶來無限可能，而且還有更多的應(yīng)用場景有待開發(fā)，具有巨大的潛能與更深遠(yuǎn)的應(yīng)用價(jià)值。