基于5G關(guān)鍵技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用研究

周壯 戴鵬 姬文源 苑偉濤

1.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司深圳市分公司 廣東 深圳 518000

2. 中興通訊股份有限公司 廣東 深圳 518000

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們追求更高速可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。用戶需求不斷發(fā)展，移動通信技術(shù)也在不斷的更新?lián)Q代，5G 作為新一代無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，在傳輸速率和資源利用方面都比 4G 通信有明顯的提高，5G 通信時代的到來，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，能夠帶給人們更加先進(jìn)的業(yè)務(wù)體驗。通過對 5G 通信涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探析，能夠發(fā)現(xiàn) 5G 通信的相關(guān)技術(shù)表現(xiàn)在超高效能的無線傳輸技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。對 5G 通信技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效提高整個社會的運(yùn)作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

1、 5G 通信關(guān)鍵技術(shù)

1.1 多輸入多輸出（MIMO）天線技術(shù)

在 5G 移動通信技術(shù)的發(fā)展過程中，從多個方面強(qiáng)調(diào)了對頻譜資源效率利用的重視程度，為此引入了大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)（即 MIM0 技術(shù)）。多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）天線技術(shù)是通過利用多天線對信道衰弱進(jìn)行相應(yīng)的抑制，天線的數(shù)量與信道的容量關(guān)系呈正比。傳統(tǒng)的 LTE 系統(tǒng)中，天線數(shù)量最多只能為 4 根，在LET-A 系統(tǒng)中， 天線數(shù)量最多不能超過 8 根，而在有源多天線技術(shù)當(dāng)中，可支持的協(xié)作天線數(shù)量將達(dá)到 128 根。MIMO 系統(tǒng)能夠?qū)π诺廊萘窟M(jìn)行倍增，并對信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和頻譜的利用率具有一定的提高作用，在不同類型的無線通信中，比如 3G 系統(tǒng)、LTE 系統(tǒng)中，該技術(shù)都具有了廣泛的應(yīng)用。對于用戶體驗而言 MIMO 技術(shù)是巨大提升的技術(shù)保障。簡而言之，大規(guī)模多天線技術(shù)是一種既能提升系統(tǒng)容量和峰值速率又能減少能量消耗和傳輸時延的潛在可行的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 毫米波頻段技術(shù)

毫米波頻段通信技術(shù)，也是 5G 通信射頻的其中一個關(guān)鍵技術(shù)。移動通信技術(shù)的發(fā)展都離不開無線通信技術(shù)的支持和基礎(chǔ)，當(dāng)然，5G移動通信技術(shù)也不例外。在無線通信技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，如何有更高的傳輸速率和更大的頻譜容量資源是需要思考的重中之重。毫米波頻段技術(shù)的優(yōu)勢顯著，包括：傳輸質(zhì)量高、元件尺寸小、強(qiáng)大的探測能力、機(jī)寬的帶寬、波束窄、良好的安全保密性等，為 5G 系統(tǒng)中所需的大量頻譜資源提供了有效的保障。在當(dāng)前階段中，4G的頻譜資源已經(jīng)無法滿足大量用戶的移動互聯(lián)需求，頻譜資源捉襟見肘，數(shù)據(jù)傳輸也經(jīng)常出現(xiàn)卡頓和阻塞。因此當(dāng)前的技術(shù)在面對 5G 移動通信技術(shù)更高傳輸速率和更大頻譜容量的需求問題時，不得不要畫一個問號。相對而言，毫米波頻段的使用能夠為無線通信網(wǎng)絡(luò)提供大量未使用的頻譜資源，世界各大通信巨頭都加大了對此類技術(shù)的開發(fā)和研究。

1.3 新型多載波技術(shù)

在4G技術(shù)當(dāng)中重要的多載波技術(shù)是正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM），但其對時頻同步要求高、需要全頻帶配置統(tǒng)一的波形參數(shù)等問題的存在，在5G中僅做基本波形的考慮。5G除了傳統(tǒng)的移動互聯(lián)網(wǎng)場景，還定義了大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)場景和低時延高可靠場景，不同的場景對載波也提出了不同的要求。同時，由于新業(yè)務(wù)和新技術(shù)層出不窮，為了避免一出現(xiàn)就落后的局面，多載波技術(shù)要具有良好的可擴(kuò)展性和可配置性，實(shí)現(xiàn)向后兼容，并且可以和新型調(diào)制編碼、新型多址和大規(guī)模天線等技術(shù)實(shí)現(xiàn)很好的結(jié)合。目前業(yè)界提出的新型多載波技術(shù)包括F-OFDM、UFMC以及FBMC技術(shù)等，能夠克服OFDM目前所存在的時頻同步敏感性。

1.4 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)（Network Slicing）就是把運(yùn)營商的物理網(wǎng)絡(luò)切分成多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)不同的服務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（ NFV ）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（ SDN ）這可以通過時延、帶寬、安全性、可靠性來劃分不同的網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)不同的場景。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在一個獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)上切分出多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而避免了為每一個服務(wù)建設(shè)一個專用的物理網(wǎng)絡(luò)，這樣可以大大節(jié)省部署的成本。

在同一個5G網(wǎng)絡(luò)上，通過技術(shù)電信運(yùn)營商會把網(wǎng)絡(luò)切片為智能交通、無人機(jī)、智慧醫(yī)療、智能家居以及工業(yè)控制等多個不同的網(wǎng)絡(luò)，將其開放給不同的運(yùn)營者，這樣一個切片的網(wǎng)絡(luò)在帶寬、可靠性能力上也有不同的保證，計費(fèi)體系、管理體系也不同。在非切片網(wǎng)絡(luò)中，各個業(yè)務(wù)提供商都只能使用一樣的網(wǎng)絡(luò)、一樣的服務(wù)很多時候能力沒有特化，針對特定業(yè)務(wù)無法控制，而在5G的切片網(wǎng)絡(luò)中，可以向用戶提供不一樣的網(wǎng)絡(luò)、不同的管理、不同的服務(wù)、不同的計費(fèi)，讓業(yè)務(wù)提供者更好地使用5G網(wǎng)絡(luò)。

2、5G垂直行業(yè)應(yīng)用

移動通訊技術(shù)從3G到4G，再演進(jìn)到5G，聚焦點(diǎn)從人與人的連接，到人與物的連接，再到物與物的連接。移動業(yè)務(wù)也從3G、4G時代的2C(個人用戶)場景自然延伸到2B(垂直行業(yè))場景，也就是說5G開啟了移動通信技術(shù)在垂直行業(yè)廣泛應(yīng)用的新時代。從標(biāo)準(zhǔn)上看，3GPP定義了5G三大業(yè)務(wù)場景：eMBB、uRLLC、mMTC。

（1）增強(qiáng)移動寬帶場景（eMBB），聚焦對帶寬有極高要求的業(yè)務(wù)，提供 Gbit/s 級的高傳輸速率,如 4K 直播、VR/AR 等；

（2）低時延高可靠場景（uRLLC），聚焦輔助駕駛/自動駕駛、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程手術(shù)、無人機(jī)控制等對時延極其敏感的業(yè)務(wù)，提供 ＜1 ms 的極低時延；

（3）低功耗大連接場景（mMTC），覆蓋智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、抄表業(yè)務(wù)等具有高連接密度的場景，提供每平方公里百萬連接，助力物聯(lián)網(wǎng)加速發(fā)展。

在充分了解相關(guān)行業(yè)的需求后，我國針對相關(guān)場景開展技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)，在 5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下開展業(yè)務(wù)展示與應(yīng)用示范，從而集中展現(xiàn)我國推動 5G 發(fā)展的最近進(jìn)展，提升國際影響力，引領(lǐng)全球 5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2.1 智慧城市應(yīng)用實(shí)例

2.1.1 基于5G的共享單車智能化管理

深圳聯(lián)通聯(lián)合中興通訊，與市交委聯(lián)合策劃基于5G網(wǎng)絡(luò)在科苑地鐵站B出口進(jìn)行共享單車5G智能化管理試點(diǎn)，在科苑地鐵站B出口附近建設(shè)NSA的站點(diǎn)，規(guī)劃與業(yè)務(wù)詳情如下：

此次共享單車5G智能化管理演示使用5G轉(zhuǎn)wifi的方案落地，通過wifi回傳直播360全景攝像現(xiàn)況，自行車廠家的管理平臺通過5G網(wǎng)絡(luò)獲取360攝像頭全景進(jìn)行自行車的停放規(guī)范化判定，詳細(xì)方案如下：

基于5G的共享單車管理主要包括：通過5G網(wǎng)絡(luò)將360全景攝像頭拍攝的視頻推至核心網(wǎng)機(jī)房視頻服務(wù)器上，通過VR眼睛實(shí)時觀看路面人車流現(xiàn)況及車輛停放現(xiàn)況。通過5G網(wǎng)絡(luò)將推流至公網(wǎng)視頻服務(wù)器，提供給自行車廠家作為車輛是否規(guī)范化停放的依據(jù)，支撐智能管理系統(tǒng)。此次的共享單車5G智能化管理試點(diǎn)基于5G的超大帶寬特性，各環(huán)節(jié)重點(diǎn)關(guān)注大數(shù)據(jù)流的推送，而5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬可以給多用戶停放的圖片實(shí)時推送高度契合共享單車5G智能管理場景。此類應(yīng)用場景后續(xù)也可為城市智能安防、智慧交通等垂直應(yīng)用提供借鑒。

2.1.2 基于5G的遠(yuǎn)程醫(yī)療示教

深圳聯(lián)通與南方醫(yī)科大聯(lián)合策劃基于5G網(wǎng)絡(luò)在南方醫(yī)科大直播手術(shù)展示，展示主要涉及手術(shù)室直播回傳畫面，報告廳觀看直播現(xiàn)場，為此共計建設(shè)2個SA站點(diǎn)進(jìn)行覆蓋，站點(diǎn)規(guī)劃詳情如下：

基于5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬和低時延特性，將手術(shù)直播推流至視頻服務(wù)器上，浙江會場及南方醫(yī)科大會議室通過大屏觀看，國際專家或在國際出差的專家從視頻服務(wù)器上獲取相關(guān)手術(shù)結(jié)果，便于國際、國內(nèi)專家根據(jù)手術(shù)結(jié)果判斷病情走勢，遠(yuǎn)程專家的接入及時提供更合理的搶救方案，同時對于罕見的手術(shù)病例，也可以通過遠(yuǎn)程示教方式，給非本地的醫(yī)科學(xué)生提供一次寶貴的學(xué)習(xí)機(jī)會。在未來，還可以通過5G+VR/AR等技術(shù)，更加生動地傳遞手術(shù)細(xì)節(jié)，增強(qiáng)臨場感，提升演示效果。

2.1.3 基于5G的應(yīng)急搶救

深圳聯(lián)通聯(lián)合中興通訊，與港大醫(yī)院聯(lián)合策劃基于5G網(wǎng)絡(luò)在港大醫(yī)院進(jìn)行智慧醫(yī)療展示，展示主要涉及兩個場景室外120救護(hù)車與室內(nèi)的搶救室（即室內(nèi)港大醫(yī)院的急診科搶救室，室外港大醫(yī)院停車場、籃球場的戶外區(qū)域），為此共計建設(shè)兩個SA站點(diǎn)進(jìn)行覆蓋，站點(diǎn)規(guī)劃詳情如下：

基于5G的應(yīng)急搶救基于5G的大帶寬和低時延特性，使用5G轉(zhuǎn)wifi的方案落地，通過wifi分別從急診科的搶救室內(nèi)直播120救護(hù)車病人現(xiàn)況、直播B超現(xiàn)況更科學(xué)判斷病情、單兵設(shè)備用于溝通專家與120救護(hù)車的急救措施從這三方面提高病人在送往醫(yī)院過程中救治的及時性，詳細(xì)方案如下：

B超直播：通過5G網(wǎng)絡(luò)將B超推流至亞馬遜（美國）服務(wù)器上，急診科的搶救室指揮臺通過5G網(wǎng)絡(luò)從亞馬遜服務(wù)器上及時獲取B超結(jié)果通過大屏觀看，國際專家或在國際出差的專家從亞馬遜服務(wù)器上獲取相關(guān)B超結(jié)果，便于國際、國內(nèi)專家根據(jù)B超結(jié)果判斷病情走勢，及時提供更合理的搶救方案。

120救護(hù)車病人現(xiàn)況直播：通過5G網(wǎng)絡(luò)將港大醫(yī)院120救護(hù)車上的病人現(xiàn)況推流至視頻服務(wù)器，港大醫(yī)院指揮室專家通過5G網(wǎng)絡(luò)獲取視頻服務(wù)器上120救護(hù)車病人現(xiàn)況通過大屏觀看，綜合指揮室專家給出的建議提供救治方案。

單兵指揮系統(tǒng)：單兵設(shè)備通過5G網(wǎng)絡(luò)直接與指揮室對話，及時獲取指揮室診治方案并反饋治療措施后現(xiàn)況。

總結(jié)

隨著5G技術(shù)和行業(yè)應(yīng)用需求的進(jìn)一步碰撞，未來5G在各類垂直行業(yè)的應(yīng)用必將不斷升入，應(yīng)用場景也將從eMMB向uRLLC和mMTC不斷演進(jìn)。在不久的將來，行業(yè)即將進(jìn)入5G賦能萬物互聯(lián)時代，各大運(yùn)營商應(yīng)深度參與，激活并推動基于5G的行業(yè)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展，大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用，與更多的合作伙伴共建物聯(lián)大生態(tài)，為中國數(shù)字經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展貢獻(xiàn)新的力量。