智慧城市中的5G技術(shù)全景應(yīng)用研究

孫泰

(北京郵電大學 北京 100876)

據(jù)市場研究公司Gartner的預(yù)測，2024年一線城市5G的覆蓋率將達到60%。5G的使用，提高了頻譜資源的利用率，大大提高了傳輸效率，滿足更多應(yīng)用。5G相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷延伸，比如智慧醫(yī)療、智慧物流、智慧教育等。5G 還采用多天線技術(shù)，使室外信號更加穩(wěn)定，覆蓋面更廣，相對于5G 基站較為偏遠的區(qū)域，信號功率與信號質(zhì)量也得到了保障，也把人們的生活推向了云端化，比如：人們再不用為硬盤資料丟失而煩惱，一鍵上傳云端儲存即可，輕便快捷又高效。而且還在原來的移動通信基礎(chǔ)上，進行了一些創(chuàng)新，充分地提高了用戶的舒適度和體驗感。隨著5G的發(fā)展，萬物互聯(lián)時代已經(jīng)到來，也符合當下倡導(dǎo)的建設(shè)數(shù)字中國、智慧社會，大力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟，增強國家綜合競爭力。

1 城市中通信技術(shù)的發(fā)展及挑戰(zhàn)

1.1 城市中通信技術(shù)的發(fā)展

移動通信技術(shù)在一代代的革新當中，帶動著城市的發(fā)展。1998 年之后，我國抓住了良好的時機，開始了“數(shù)字中國”，建立數(shù)字城市，借助著3S技術(shù)，地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和遙感技術(shù)搭建空間信息庫，推動城市信息化建設(shè)。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，收入水平的提高，人們渴望追求更高質(zhì)量的生活。2008年，IBM提出智慧地球的理念，啟發(fā)了中國著手于物聯(lián)網(wǎng)的建立，要將數(shù)字城市推向智慧城市的發(fā)展，但智慧城市需要移動通信技術(shù)的核心支持。所以，國家投入更多人力、物力、財力打造移動通信技術(shù)，自主研發(fā)了第5代移動通信技術(shù)，其更加強大穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐，推動著我們的城市向萬物聯(lián)網(wǎng)的智慧城市穩(wěn)步前進。

1.2 城市中通信的需求和挑戰(zhàn)

隨著一波又一波的信息技術(shù)革命，不管是城市還是企業(yè)，都迎來一次又一次次升級和整合。發(fā)展智慧城市也是勢在必行。兩院院長李德仁說過，智慧城市=數(shù)字城市+物聯(lián)網(wǎng)+云計算。數(shù)字城市的發(fā)展，為建立智慧城市奠定了良好的基礎(chǔ)，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)和云計算是當下的重點工作。物聯(lián)網(wǎng)需要讓各種物體，裝上傳感器，并且通過云計算實現(xiàn)整合，滿足人、行業(yè)、物的不同需求，需要非常強大和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)高效傳輸[1]。由于廣泛運用，也要求運行成本更低，才能達到物物都可聯(lián)網(wǎng)。同時得考慮到這么多移動設(shè)備接入，通信技術(shù)是否能夠承載、會不會影響用戶使用體驗的問題，以及用戶信息安全問題，如何更好地做好保障，也是城市通信技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。

2 移動通信技術(shù)發(fā)展及5G技術(shù)簡介

2.1 移動通信技術(shù)發(fā)展

從1986年正式進入移動通信時代以來，經(jīng)歷短短36 年的時間，移動通信技術(shù)就實現(xiàn)了飛速發(fā)展，豐富了人們的娛樂生活，同時帶動著社會經(jīng)濟的發(fā)展。從數(shù)字電話2G 時代，引進了短信，騰訊還推出手機QQ，可發(fā)送文字圖片聊天。再到移動多媒體3G時代，很多電腦PC端的多媒體應(yīng)用都可以實現(xiàn)在手機上瀏覽，還可以接入寬帶，并且延伸出智能手機。再持續(xù)發(fā)展到高速上網(wǎng)4G 時代，網(wǎng)速大幅度提高，出現(xiàn)了人人都是移動自媒體的現(xiàn)象。再到現(xiàn)在的萬物互聯(lián)5G 時代到來，移動通信技術(shù)深入人們的衣食住行，不斷地滿足人們?nèi)找娑鄻印€性的需求，比如無人駕駛、遠程醫(yī)療等，為我們提供更多的便利，提升幸福感。

2.2 5G技術(shù)概念及特點

5G是第5代移動通信技術(shù)的簡稱。5G通信技術(shù)，絕對不僅僅是人們感受到的網(wǎng)速變快這么簡單，還延伸出了眾多智能設(shè)備，諸如智能家居、智慧醫(yī)療、智慧交通等。5G 核心網(wǎng)通過建立在4G 核心網(wǎng)的基礎(chǔ)上，即非獨立組網(wǎng)的前提下，與4G相比盡量降低了建設(shè)成本的投入。盡管如此，由于5G基站需要更廣泛的布置以及更龐大的功耗，運營成本也比以往高出幾倍。因此，通過提升用戶體驗、提供更海量的機器連接從而帶來更高的網(wǎng)絡(luò)資源利用率是當下的不二之選。在建設(shè)配置中，進一步優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。它也有著鮮明的技術(shù)特點，比如：超高的頻譜利用率，融合了以往通信技術(shù)中多種頻分復(fù)用、時分復(fù)用與碼分復(fù)用的技術(shù)，再加上Massive MIMO 技術(shù)，改變了以往受信道傳輸帶寬的影響，無限逼近于香農(nóng)極限，極大地提高了頻譜利用效率；較強的系統(tǒng)性，為提升單位范圍內(nèi)的信道容量，加入了毫米波的技術(shù)，從而提供更大的寬帶，傳輸速度更快；較高的兼容性，打破了4G 覆蓋面受地區(qū)限制的尷尬處境，也能夠滿足越來越多智能設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)需求等，推動了萬物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市的發(fā)展[2]。

3 智慧城市的運用框架

智慧城市總體目標運用框架如圖1所示。

圖1 智慧城市總體目標

4 智慧城市中5G的應(yīng)用場景

4.1 智慧交通

5G技術(shù)的推動，讓城市軌道交通更加安全可靠地運營。比如：列車在高速運行的時候，對通信有著非常高的要求，5G 通信的運用及其不斷完善，讓列車運行期間，數(shù)據(jù)交換，不斷地縮小延遲，在出現(xiàn)故障時，可以保證列車運行安全，發(fā)車時間更加精準，發(fā)車間隔也被縮短，提高了人們的出行效率。同時5G技術(shù)實現(xiàn)車輛更精準的定位，減少交通擁堵的問題，為人們的工作生活提高了效率

4.2 智慧醫(yī)療

醫(yī)療的完善是城市經(jīng)濟發(fā)展的重要體現(xiàn)，隨著5G移動通信時代的到來，智慧醫(yī)院是該時代下的重要產(chǎn)物。之前面臨的患者與相匹配醫(yī)生的距離問題，沒有辦法及時獲得高質(zhì)量醫(yī)療服務(wù)；醫(yī)院提供醫(yī)療服務(wù)過程當中流程問題，不能夠快速運用數(shù)據(jù)信息記錄而導(dǎo)致的醫(yī)患糾紛事件等問題。隨著5G 移動通信技術(shù)有效地運用和落實，運用AI、VR、醫(yī)療影像等，醫(yī)生和病人進行實時的視頻交流，可以實現(xiàn)遠程操作，給病人做診斷[3]。借助5G 醫(yī)院搭建信息庫，將患者醫(yī)療費用與醫(yī)保相結(jié)合，清晰記錄就診費用透明化，并建立醫(yī)護人員監(jiān)督體系，存在醫(yī)療服務(wù)當中任何問題，能及時鎖定相關(guān)負責人。運用5G的高效性，監(jiān)護中心實時獲取患者的生命體征、位置等信息，及時進行護理或干預(yù)患者病情，提升患者的體驗[4]。

4.3 智慧教育

我國教育水平穩(wěn)步提升，但同樣也面臨著教育資源分布不均的情況。偏遠山區(qū)教育資源匱乏，是當下需要解決的問題。依托5G網(wǎng)絡(luò)，不斷優(yōu)化升級了智慧教學、智慧培訓(xùn)、智慧教研等。如運用5G網(wǎng)絡(luò)，給偏遠山區(qū)孩子遠程直播教學，讓他們也可以輕松享受到優(yōu)質(zhì)的教育資源；學校搭建投影課堂，讓課堂更生動，學生沉浸式地進行互動學習，提高課堂效率；還精準地建立學生信息系統(tǒng)，根據(jù)學習表現(xiàn)階段成果、老師評價等進行多維度的數(shù)據(jù)記錄，導(dǎo)師就可從后臺輕松地獲取個性化的教學方案，學習效能大大提升。

4.4 智能家居

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們更加追求生活品質(zhì)的提升。跟4G 相比，5G 有著穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和極低的時延性，借助5G 這個特性，可以實現(xiàn)對家居設(shè)備非常有效的控制，就有了家居智能防盜系統(tǒng)，記憶家庭人員人臉數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)盜竊現(xiàn)象并通知主人。全屋家具智能聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)，主人回家之前手機確認，家中空調(diào)提前一小時打開保持家中恒溫狀態(tài)，感應(yīng)主人到家，自動打開燈光、窗簾、音樂等，提供舒適的居家體驗。

5 增強安全性，拓寬商業(yè)模式

5.1 安全可信

在5G移動通信技術(shù)的強大帶動下，智慧城市迅猛發(fā)展，萬物聯(lián)網(wǎng)的趨勢更加明顯，讓越來越多的移動端，能夠很好地接入5G網(wǎng)絡(luò)，用戶在使用過程當中，越來越多的身份認證信息進入，用戶信息安全成了重要關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，這也是最脆弱的環(huán)節(jié)。同時眾多移動端接入，導(dǎo)致身份驗證的效率降低，影響用戶體驗[5]。

針對以上問題，推薦采用聚合方式，用移動端接入的多個簽名生成一個聚合簽名，來實現(xiàn)批量驗證，這種方式既可以節(jié)省認證開銷，還可以有效降低驗證延遲，增強用戶使用體驗感。為更好地保障用戶信息安全，可以在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定3個通信實體：密鑰生成中心KGC、物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備OTC以及網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元AMF，搭建起安全框架，這樣身份認證的信息，在信息傳輸?shù)倪^程中，安全水平可以實現(xiàn)進一步的優(yōu)化[6]。

5.2 商業(yè)模式

據(jù)2021 年9 月統(tǒng)計數(shù)據(jù)，三大運營商套餐用戶數(shù)達6.24 億，5G 套餐用戶滲透率達到了38%，但通信服務(wù)收入增幅才不到10%。通信運營商必須重新研究，符合5G 時代的商業(yè)模式和收入模式。其獲利模式必須由“數(shù)字紅利”轉(zhuǎn)向“信息紅利”，除了運營商要提供5G基礎(chǔ)設(shè)備和連接服務(wù)，還要積極賦能下游應(yīng)用的場景開發(fā)，從而驅(qū)動5G投資，構(gòu)建商業(yè)閉環(huán)。

通信運營商4 類收費模式：（1）管道流量收費，如VT 沉浸式娛樂、視頻、自動駕駛、智能工廠等數(shù)據(jù)需求。（2）數(shù)據(jù)存儲及大數(shù)據(jù)服務(wù)，如云計算邊緣技術(shù)服務(wù)，提供數(shù)據(jù)的存儲和分析服務(wù)。（3）垂直行業(yè)平臺的合作開發(fā)，如智慧醫(yī)療、智慧交通等，形成協(xié)作生態(tài)圈。（4）內(nèi)容的合作開發(fā)，提高內(nèi)容提供能力，拉動流量進行合作。

智慧城市的發(fā)展，必然帶動企業(yè)及個人的多元化和個性化發(fā)展，從而導(dǎo)致需求多樣化。在個人收費模式上，還是以賣流量為主，以差異化服務(wù)為輔，提供比之前更低價的流量服務(wù)，客戶可以多元化選擇，自由組合搭配。對行業(yè)收費模式，要根據(jù)行業(yè)搭建的個性化和場景化，進行一客一策，推出場景收費模式，提供定制化服務(wù)。充分滿足用戶需求，通信運營商收入漲幅可以得到大幅提升。

6 總結(jié)與展望

智慧城市是智慧地球的一種重要體現(xiàn)，也是人類生活品質(zhì)提升的重要表現(xiàn)形式。移動通信技術(shù)，是智慧城市建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)，所以5G移動通信技術(shù)的時代，對推進智慧城市有著深遠影響。5G移動通信技術(shù)在智慧城市中的全景化應(yīng)用，如智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧教育、智能家居等，這都是5G推動智慧城市發(fā)展的重要里程碑。當然，在這一步步發(fā)展過程中也遇到了問題，如當下大家最關(guān)心的個人信息安全，以及萬物聯(lián)網(wǎng)，眾多移動端瘋狂接入是否會影響用戶體驗，這些都是我們需要不斷進行優(yōu)化、解決的問題。在智慧大趨勢、國家政策以及人們生活需求導(dǎo)向的支持下，5G 推動智慧城市建設(shè)中，一定會順利解決問題，推動社會經(jīng)濟發(fā)展，為人們提供更優(yōu)質(zhì)的生活方式。