試論5G通信技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景和關(guān)鍵技術(shù)

摘?要：5G通信技術(shù)對(duì)于移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展以及智能化終端服務(wù)方面有著直接的促進(jìn)作用。文章對(duì)于5G通信技術(shù)的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、超高可靠與低時(shí)延通信、大規(guī)模機(jī)器類通信等應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析。同時(shí)，探究了大規(guī)模多輸入輸出技術(shù)、超寬帶技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、毫米波通信技術(shù)、新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架技術(shù)以及D2D通信技術(shù)等，以期為5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展方向提供一些思路。

關(guān)鍵詞：5G;通信技術(shù);應(yīng)用場(chǎng)景;關(guān)鍵技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能以及互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)已然成為新時(shí)代的熱點(diǎn)，這些技術(shù)在“2025制造”的背景下已被納入國(guó)家科技發(fā)展戰(zhàn)略。5G網(wǎng)絡(luò)作為該戰(zhàn)略下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)已經(jīng)明確寫入到“十三五”規(guī)劃中。2019年6月，工信部正式發(fā)放了5G商用牌照，2020年5G行業(yè)應(yīng)用已然進(jìn)入商用軌道，正在影響著人們的生活和生產(chǎn)方式。在這種背景下，加快5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究并與大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)融合，能夠?yàn)閲?guó)家實(shí)施科技興國(guó)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

一、5G通信技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景分析

（一）增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶

增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶在4G網(wǎng)絡(luò)中能夠滿足大區(qū)域和熱點(diǎn)區(qū)域的高容量需求，對(duì)于提升用戶體驗(yàn)性有著直接推動(dòng)作用，其主要作用是增強(qiáng)人們之間的通信體驗(yàn)，而增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)更快捷、更穩(wěn)定的效果。由于5G技術(shù)核心功能體現(xiàn)的是穩(wěn)定、快速和準(zhǔn)確，尤其是其高速率峰值可以實(shí)現(xiàn)Gbit/s的標(biāo)準(zhǔn)，這意味著高清視頻、網(wǎng)絡(luò)直播以及VR體驗(yàn)可以直接體現(xiàn)eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）的應(yīng)用場(chǎng)景，而VR技術(shù)對(duì)5G技術(shù)的應(yīng)用最能體現(xiàn)出對(duì)寬帶的高性能需求。[1]簡(jiǎn)而言之，無論是在信息同步展示方面，還是在VR技術(shù)展示層面，5G通信技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，如在5G通信技術(shù)下能夠?qū)崿F(xiàn)在1秒內(nèi)下載一部時(shí)長(zhǎng)2小時(shí)、容量為2GB的高清電影。

（二）超高可靠與低時(shí)延通信

超高可靠和低時(shí)延通信主要體現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)的人與物之間的通信和控制，其能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒級(jí)的時(shí)延，極大提升了用戶可靠的體驗(yàn)，能夠滿足車聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)控制領(lǐng)域的需求。尤其是在自動(dòng)駕駛和無人機(jī)等場(chǎng)景中，5G的優(yōu)勢(shì)十分明顯，依靠其強(qiáng)大的低時(shí)延功能，可以實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)駕駛響應(yīng)速度要遠(yuǎn)快于人的本能反應(yīng)速度。其中5G空中接口時(shí)延可以達(dá)到1毫秒左右，完全能夠滿足智慧交通的應(yīng)用。[2]這種通信技術(shù)的及時(shí)性和可靠性能夠在該場(chǎng)景中得以有效實(shí)現(xiàn)。顯然，5G通信技術(shù)即時(shí)性、可靠性、高效性，在一定程度上促進(jìn)了5G場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)。

（三）大規(guī)模機(jī)器類通信

大規(guī)模機(jī)器類通信可以實(shí)現(xiàn)物與物之間的通信需求，由于5G有著較大的網(wǎng)絡(luò)容量，能夠?yàn)槿伺c物、物與物之間提供通信的條件，因而促進(jìn)了大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，適用于以數(shù)據(jù)和傳感采集為目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，5G技術(shù)可以較好的適用于智慧城市建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市的基本設(shè)施的智能化、科學(xué)化管理，有效增強(qiáng)了智慧城市的功能。[3]通過將5G通信技術(shù)運(yùn)用于智慧城市的建設(shè)過程中，可對(duì)城市設(shè)施等進(jìn)行智能化管理，確保其穩(wěn)定性，增強(qiáng)了智慧城市的各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)了大量機(jī)器的通信需求。例如，可以利用5G技術(shù)進(jìn)行城市路燈的智能化管理，保障路燈使用的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能。這種場(chǎng)景突出的是強(qiáng)大的連接功能，在城市生活的生產(chǎn)、消費(fèi)等環(huán)節(jié)都可以實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的有效融合。

二、5G通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

（一）大規(guī)模多輸入輸出技術(shù)

在5G移動(dòng)通信技術(shù)中，大規(guī)模多輸入輸出技術(shù)是一個(gè)核心的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)能夠提高頻譜速率，保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。這種技術(shù)也可以稱之為大型天線系統(tǒng)，主要是在4G基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，可以實(shí)現(xiàn)基站大量用戶在同一時(shí)間進(jìn)行同步通信。而5G通信技術(shù)主要使用了大規(guī)模的MIMO技術(shù)，其應(yīng)用原理是采用多天線形式實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)傳輸，在高效率運(yùn)用傳輸信號(hào)的前提下節(jié)省大量的傳輸成本。在這里需要指出的是，在傳輸過程中，無線網(wǎng)絡(luò)可以細(xì)分為多個(gè)單獨(dú)的子信號(hào)，這些信號(hào)都有自己的空間流。[4]在5G通信技術(shù)中依托MIMO技術(shù)達(dá)成了大規(guī)模信號(hào)收發(fā)，大規(guī)模天線在同一時(shí)間段接收不同的子信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)子信號(hào)空間的獨(dú)立性。簡(jiǎn)而言之，大規(guī)模多輸入輸出技術(shù)既能保障無線傳輸信號(hào)的傳輸性能，也能為無線傳輸提供良好的循環(huán)利用空間，提升了無線傳輸過程中信道傳輸?shù)馁|(zhì)量。

（二）超寬帶技術(shù)

超寬帶技術(shù)作為一種新型的無線通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的直接調(diào)制，促使數(shù)據(jù)帶寬實(shí)現(xiàn)GHz的級(jí)別，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到納秒分辨率級(jí)別。顯然，這種技術(shù)相比較WiFi技術(shù)，有著較為明顯的低時(shí)延性。同時(shí)，超寬帶技術(shù)在發(fā)送信號(hào)的過程中不需要載波，其消耗的能量較低。[5]基于此，超寬帶技術(shù)在5G新系統(tǒng)中的融入，在智慧交通領(lǐng)域方面有著積極的作用。依托于超寬帶技術(shù)的特點(diǎn)和性能，可以提高車輛位置、車間距離識(shí)別以及快速反應(yīng)能力。例如，自動(dòng)駕駛汽車使用超寬帶技術(shù)使得識(shí)別障礙物和防碰撞的能力得到顯著提升，提高了汽車的安全性能。因此，超寬帶技術(shù)為5G通信技術(shù)的低時(shí)延、低能耗等方面提供了技術(shù)支持。

（三）無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以分為軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化兩個(gè)方面。軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是Emulex網(wǎng)絡(luò)一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，相比較傳統(tǒng)的IT架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)，其主要是通過分離路由器的控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能而形成一種單獨(dú)的決策功能。傳統(tǒng)的架構(gòu)中則是需要根據(jù)業(yè)務(wù)部署上線，業(yè)務(wù)如果發(fā)生變動(dòng)則相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也需要調(diào)整，而調(diào)整設(shè)備路由、交換機(jī)和防火墻的配置會(huì)比較麻煩。顯然，軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的敏捷性和靈活性。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化則是利用標(biāo)準(zhǔn)的IT虛擬技術(shù)解決相關(guān)的硬件設(shè)備問題，其依托于大型共享服務(wù)器，利用軟件定義的方式，實(shí)現(xiàn)地域網(wǎng)絡(luò)實(shí)體虛擬化的運(yùn)用，如虛擬機(jī)技術(shù)就是虛擬化技術(shù)的一種。這種虛擬機(jī)部署成本比較低，同時(shí)可以快速的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化。[6]尤其是云計(jì)算和虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，在獨(dú)立服務(wù)器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冗余服務(wù)器的部署，以此來滿足網(wǎng)絡(luò)峰值的需求，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)資源的釋放，有利于故障管理，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化的發(fā)展。

（四）毫米波通信技術(shù)

毫米波通信技術(shù)包含光波向低頻的發(fā)展和微波向高頻的延伸兩個(gè)方面?，F(xiàn)階段，無線電信系統(tǒng)頻譜大都低于6GHz。顯然，處于3—60GHz區(qū)間的頻譜資源沒有能夠有效地開發(fā)應(yīng)用。在這種情況下，5G把9.9—86GHz波段作為重點(diǎn)區(qū)間進(jìn)行RAT探究，這種方式主要是依托LTE技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)因特網(wǎng)廣域覆蓋探究，在該波段創(chuàng)建超密集網(wǎng)實(shí)現(xiàn)LTE層與UDN層的雙重覆蓋。[7]可以說，在毫米波波段上運(yùn)用大規(guī)模輸入輸出技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量的增加和通信效率的提高。如貝爾實(shí)驗(yàn)室中國(guó)利用峰值傳輸速率高于50Gbps的原型機(jī)，在28GHz毫米波頻段上將頻譜效率提升到了100bps/Hz。[8]顯然，這種高頻譜效率可以實(shí)現(xiàn)更快的下載速度，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多達(dá)百兆信息的傳輸。

（五）新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架技術(shù)

在通信行業(yè)不斷發(fā)展的背景下，5G技術(shù)也在不斷發(fā)展，提升通信效率以滿足用戶需求。但是，在這個(gè)過程中成本因素在一定程度上限制了發(fā)展的速度，需要在通信業(yè)務(wù)中控制好成本。提升通信效率需要建立在對(duì)通信業(yè)務(wù)的整合基礎(chǔ)上，同時(shí)不斷拓展新的業(yè)務(wù)滿足社會(huì)發(fā)展需求。而在這個(gè)過程中可以通過自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，對(duì)于自組織網(wǎng)絡(luò)而言，5G通信技術(shù)可以增強(qiáng)人們的情景體驗(yàn)，提供通信技術(shù)的互動(dòng)功能，這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要在無線網(wǎng)絡(luò)云端將峰值速率與數(shù)據(jù)結(jié)合到一起，從而促進(jìn)通信質(zhì)量的進(jìn)一步提升。[9]簡(jiǎn)而言之，作為核心組成部分的新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架技術(shù)，一方面可以確保計(jì)算機(jī)存貯平臺(tái)的穩(wěn)定性，另一方面可以為社會(huì)發(fā)展構(gòu)建新的交付模式。

（六）D2D通信技術(shù)

D2D通信技術(shù)是指兩個(gè)同等級(jí)的節(jié)點(diǎn)可以在不依托基站的情況下實(shí)現(xiàn)直接的短距離交流的技術(shù)。顯然，這種技術(shù)可以提高頻帶的利用效率，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)空間資源，在一定程度上減輕了5G中基站壓力大而導(dǎo)致不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)情況的發(fā)生頻率。同時(shí)，該技術(shù)結(jié)合蜂窩通信技術(shù)將區(qū)域分成蜂窩的形狀，在獨(dú)立的六邊形內(nèi)進(jìn)行直接交流，而相隔的交流再通過基站進(jìn)行。但需要指出的是，D2D技術(shù)提供的通信能力不僅要注重通信距離的增加，同時(shí)也要保障通信的質(zhì)量和保密性。

三、結(jié)語

5G通信技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景關(guān)系著社會(huì)發(fā)展的變革，能夠滿足人們多元化的生活需求，呈現(xiàn)出廣域性和多樣化的發(fā)展特點(diǎn)。可以說，5G通信技術(shù)能夠打破傳統(tǒng)通信技術(shù)的限制，實(shí)現(xiàn)通信速度快、利用率高以及成本低和質(zhì)量高的要求。這些核心技術(shù)已經(jīng)推動(dòng)了智能化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)有著較大的影響，在一定程度上促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。未來，5G通信技術(shù)將會(huì)改變和創(chuàng)新人們的生活方式，有效滿足人類生活和社會(huì)發(fā)展的多樣化需求。

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作者簡(jiǎn)介：呂進(jìn)（1983—?），男，漢族，寧夏銀川人，本科，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，系統(tǒng)集成項(xiàng)目管理工程師，研究方向：嵌入式軟硬件設(shè)計(jì)（數(shù)據(jù)采集，有線、無線數(shù)據(jù)傳輸，如4G/5G、藍(lán)牙、Lora等）。