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

瞿 謹

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司重慶分公司，重慶 401121）

進入21世紀(jì)以來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息化技術(shù)以及移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，為社會大眾的工作和生活帶來極大的便利。同時，移動通信設(shè)備的不斷發(fā)展，尤其是智能手機的出現(xiàn)，使得移動通信用戶迅速海量增加，這給移動通信網(wǎng)絡(luò)的承載能力帶來巨大的壓力。短短十年的時間，移動通信技術(shù)就從2G升級到3G乃至4G，而目前4G通信技術(shù)已經(jīng)無法滿足廣大用戶的實際需要。面對這種情況，科研人員開發(fā)出了5G通信技術(shù)，以期提高通信網(wǎng)絡(luò)的整體效能。

1 5G通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

（1）多天線傳輸

5G通信技術(shù)的應(yīng)用要將頻譜利用效率提高到現(xiàn)階段的10倍以上，這也是其目前面臨的主要任務(wù)。在應(yīng)用過程中，采用大量的天線能夠避免各個用戶不受各種因素的影響，從而增強無線信號的影響。5G通信技術(shù)不僅要實現(xiàn)環(huán)境保護的目的，還必須擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。3D多天線技術(shù)的持續(xù)進步，就是為了有效解決頻譜利用效率不高的問題。由于有源技術(shù)的廣泛應(yīng)用，目前可同時使用128根點天，由此促使3D-MIMO的技術(shù)的形成，能夠充分滿足各個用戶的實際需要，并將無線信號的覆蓋面積進一步擴大。

（2）高頻段傳輸

現(xiàn)階段普遍使用3GHz以下的移動通信系統(tǒng)的頻段，而隨著移動通信用戶的不斷增加，社會大眾對流量的需求也在不斷增大，所以目前面臨著頻譜資源不足的形勢。在高頻段之內(nèi)，例如毫米波頻率的范圍通常在28GHz左右，能夠通過64根天線來充分發(fā)揮波束賦技術(shù)的作用，在兩千米范圍內(nèi)可達到每秒1G的下載速度[1]。高頻段是5G通信技術(shù)應(yīng)用時必然要采用的技術(shù)，其優(yōu)勢是具有足夠數(shù)量天線和設(shè)備，并且能夠有效滿足社會大眾對頻譜資源的實際需要。不過，高頻段技術(shù)也存在不足之處，就是其傳輸距離相對較短，并且會受到天氣等環(huán)境因素的干擾。因此，在高頻段傳輸技術(shù)設(shè)計過程中應(yīng)高度重視這些方面。

（3）直接通信

5G通信技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)各個通信設(shè)備之間的直接通信目標(biāo)，從而降低能量消耗以及時間延遲，并進一步發(fā)揮頻譜資源的作用，進而促進5G通信效果的有效增強，以及通信質(zhì)量的不斷提高。若利用5G通信技術(shù)將相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量速度提升1000倍，就一定要通過密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來達成這個目標(biāo)。將5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量分布在熱點區(qū)域以及室內(nèi)空間，能夠有效增強用戶的使用效果，并擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積?，F(xiàn)階段，各種先進智能設(shè)備已經(jīng)在各個行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用，廣大用戶們的數(shù)據(jù)流量需求不斷增加，因此必須積極采用超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來大幅度提高5G通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠有效擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，并能夠大幅度增加系統(tǒng)容量。不過，該技術(shù)也存在一定的不足，就是在較小范圍內(nèi)使用時，會受到一定的干擾，從而影響網(wǎng)絡(luò)性能的發(fā)揮。

（4）同時同頻全雙工

5G通信技術(shù)采用同時同頻全雙工技術(shù)，這種技術(shù)能夠大大增加頻譜利用效率，打破了以往頻譜資源不足的限制，以最大程度地發(fā)揮頻譜資源的作用。不過，該技術(shù)在實際應(yīng)用時必須避免其他因素的影響。同時同頻全雙工技術(shù)的應(yīng)用，有效改進了過去應(yīng)用中的TDD與FDD雙工技術(shù)，從理論角度來講，能夠?qū)㈩l譜效率提升一倍左右。不過在具體應(yīng)用過程中，該技術(shù)不適用于多天線環(huán)境。

2 5G通信技術(shù)的主要應(yīng)用場景

（1）宏覆蓋增強應(yīng)用場景

宏覆蓋增強應(yīng)用場景中大部頻段屬于低頻頻段，宏小區(qū)的覆蓋能力能夠達到半徑為若干千米的范圍。在該應(yīng)用場景中，各個用戶到基站的路損量存在較大差異，從而導(dǎo)致信噪比也不盡相同。宏站上通?？刹荚O(shè)較多天線，所以在此應(yīng)用場景下可使用非正交傳輸、新型調(diào)制編碼以及大規(guī)模天線等技術(shù)。這幾類技術(shù)之間通常能夠有效共存，也就是綜合使用效果較為理想，其綜合使用效果要高于單個技術(shù)分別使用效果的總和。

（2）超密集部署

5G通信技術(shù)的應(yīng)用場景大都與密集部署有很大關(guān)系，例如在購物商場、會議大廳以及辦公室等場所。此類環(huán)境中要求用戶體驗速率應(yīng)當(dāng)達到1G以上。顯而易見，通信網(wǎng)絡(luò)用戶的密度在室內(nèi)外等典型空間內(nèi)非常大。超密集應(yīng)用場景下，根據(jù)其應(yīng)用范圍可將通信網(wǎng)絡(luò)劃分為宏小區(qū)、微小區(qū)以及毫微小區(qū)等，這些小區(qū)的拓撲形狀呈現(xiàn)出較強的多樣性與異構(gòu)性，并且各個小區(qū)的天線高度與增益、信號發(fā)射功率等方面也存在較大差異[2]。在超密集應(yīng)用場景中，可采用虛擬小區(qū)技術(shù)、無線回傳技術(shù)以及新型調(diào)制編碼技術(shù)等。對于室內(nèi)應(yīng)用場景的部署方面，可通過高頻通信的應(yīng)用來提高用戶體驗速率，以減小小區(qū)之間的干擾影響。在大規(guī)模天線陣列的布設(shè)中，高頻的短波長屬性為其提供了極大便利。

（3）機器間通信場景

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的所面臨的最大問題在于對巨量終端數(shù)的支持能力方面，這就要求各個機器終端成本應(yīng)比普通的手機終端還要低出很多。同時該應(yīng)用場景還要求必須具有相當(dāng)?shù)偷墓?，要確保電池能量至少足夠使用若干年。同時物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的覆蓋還要非常魯棒，并可覆蓋到地下室范圍。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中可采用控制信令優(yōu)化技術(shù)、非正交傳輸技術(shù)以及窄帶傳輸技術(shù)等。非正交傳輸技能夠?qū)Χ鄠€終端在同一時間共同使用無線資源提供有效支持，并且該技術(shù)的接入可采用競爭形式，以促使控制信令開銷的有效減少。窄帶傳輸技術(shù)可將設(shè)備成本大幅度降低，并能將覆蓋范圍進一步擴大?？刂菩帕顑?yōu)化技術(shù)能夠量控制信道的開銷大大減少。

（4）低時延和高可靠場景

低延時與高可靠應(yīng)用場景是若干中應(yīng)用的共同需要，比如在超精密機械制造中不同機器之間的通信方面，即使存在毫秒級別的延時也會對產(chǎn)品的質(zhì)量造成極其嚴重的影響。在智能交通系統(tǒng)運行過程中，強制要求延時不得超過毫秒級別，并且其檢測率也幾乎低至零，不然將會導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。在這種應(yīng)用場景中，可采用終端直通技術(shù)、鏈路自適應(yīng)技術(shù)等。

3 5G通信技術(shù)的市場應(yīng)用前景

第一，AR/VR方面。相關(guān)研究表明，七年之后，AR/VR（增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實）技術(shù)的市場應(yīng)用規(guī)模將達到近2000億美元。為進一步實現(xiàn)最佳效果，ARⅣR單用戶的寬帶速率應(yīng)超過每秒200M。同時為了將使用人員的眩暈感有效消除，網(wǎng)絡(luò)延時必須低于20微秒，所以必須通過5G通信技術(shù)才能實現(xiàn)VR圖形的高負載數(shù)據(jù)傳輸功能，從而進一步擴大VR技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用規(guī)模。

第二，車聯(lián)網(wǎng)與自動駕駛方面?，F(xiàn)階段，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在高速移動通信技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，逐步邁進自動駕駛時代。從多個國家汽車行業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃得知，將具有超低延時、超快傳輸速率的5G通信技術(shù)應(yīng)用在汽車制造領(lǐng)域，可在七年后量產(chǎn)自動駕駛汽車，并能實現(xiàn)上萬億美元的市場規(guī)模。

4 結(jié)束語

總之，5G通信技術(shù)的出現(xiàn)就是為了充分滿足各個行業(yè)領(lǐng)域?qū)νㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的更高要求，它的應(yīng)用使得通信網(wǎng)絡(luò)的速率及其覆蓋范圍等方面性能都遠超4G技術(shù)。但在5G通信技術(shù)的實際應(yīng)用過程中，涉及到繁多復(fù)雜的各種先進技術(shù)，因此，必須對5G通信技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)有充分了解并熟練掌握，同時應(yīng)根據(jù)不同應(yīng)用場景的特點，選用相應(yīng)的技術(shù)來促使應(yīng)用效果最優(yōu)化。