5G的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究

房靜偉

【摘 ?要】現(xiàn)代通訊面臨著海量數(shù)據(jù)的快速增長，大量的數(shù)據(jù)對信息的傳送速率提出了更高的要求。與此同時，4G商用的成功以及消費(fèi)者對于更高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)的需求促使更多的人才、資金與技術(shù)投入5G的開發(fā)與研究當(dāng)中。論文以5G的關(guān)鍵技術(shù)為研究對象，對5G的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行了分析。

【Abstract】Modern communication is faced with the rapid growth of massive data， large amounts of data put forward higher requirements on the transmission rate of information. At the same time， the commercial success of 4G and consumers' demand for higher quality networks have prompted more talents， funds and technologies to be invested in the development and research of 5G. This paper takes the key technologies of 5G as the research object， and analyzes the key technologies and applications of 5G.

【關(guān)鍵詞】5G;關(guān)鍵技術(shù);應(yīng)用

【Keywords】5G; key technology; application

【中圖分類號】TN929.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）07-0185-02

1 引言

數(shù)據(jù)信息化的時代對于高速率、高質(zhì)量通信的要求進(jìn)一步提高，對人們的生活產(chǎn)生了深刻的影響。因此，5G研究已經(jīng)成為全球移動通信領(lǐng)域研究的熱點。2012年，歐盟正式啟動METIS（mobile and wireless communications enables for the 2020 information society）項目，進(jìn)行5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的研究。此外，日本、韓國等作為對5G重點關(guān)注的國家也先后對5G開展了研究。我國的IMT2020推進(jìn)組也于2013年成立，共同推進(jìn)5G的發(fā)展。本文重點介紹了5G的關(guān)鍵技術(shù)，同時對于5G技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

2 5G概述

5G是面向2020年以后的新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，5G具有更好的拓展性、節(jié)能性以及可靠性。同時其傳輸速率的峰值要達(dá)到10Gbit/s，設(shè)備的連接密度要增加10到100倍，僅有1ms的超低空口時延等。5G是包括多種新型的無線通信技術(shù)與現(xiàn)有的無線通信技術(shù)的集成，而不是單純的幾種新型通信技術(shù)的結(jié)合，是對4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與提升。5G網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)將不僅支持移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，還將極大地促進(jìn)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

3 5G通信的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

各類智能終端的普及導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與信息交換將呈現(xiàn)爆炸式的增長。為保證未來的5G網(wǎng)絡(luò)較當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)1000倍的數(shù)據(jù)流量增長，減小區(qū)域半徑，降低節(jié)點功耗與增加節(jié)點的數(shù)量是解決問題的關(guān)鍵。因此，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將成為未來5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于大量節(jié)點的部署，拉近了終端與節(jié)點間的距離，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)與頻譜的利用效率，擴(kuò)展了系統(tǒng)的容量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。但是，由于此技術(shù)在運(yùn)行時節(jié)點距離過短以及空間的變化會造成節(jié)點之間的自干擾，因此，節(jié)點距離的調(diào)整，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對于抗干擾的性能提升顯得尤為重要，這也是這一技術(shù)提升與改善的方向。

3.2 自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

自組織網(wǎng)絡(luò)是指具有智能化、自組織能力的網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)智能化的不斷深入，這一技術(shù)的應(yīng)用性將會得到很大的提高。由于對網(wǎng)絡(luò)增加了自組織能力，網(wǎng)絡(luò)能夠自動執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，維護(hù)與排障的功能。相較于之前的人工進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署的移動通信網(wǎng)絡(luò)，自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)減少了人員的參與，極大地降低了由于人力資源運(yùn)行、維護(hù)成本帶來的弊端，提高了5G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營效率。此外，自組織網(wǎng)絡(luò)中，對于部分功能失效的節(jié)點會由其他的節(jié)點取代其功能，網(wǎng)絡(luò)的自愈能力很強(qiáng)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

3.3 同時同頻全雙工技術(shù)

同時同頻全雙工通信技術(shù)是一種在通信過程中同時通信、同頻接收的通信技術(shù)。其原理是在接受過程中盡可能地減少發(fā)射機(jī)信號的干擾，因而能夠最大限度地避免外界環(huán)境的干擾。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，由于同步同頻全雙工技術(shù)可以使用相同的頻率資源同時實現(xiàn)上行和下行之間的雙向通信，使用同時同頻全雙工通信技術(shù)的通訊系統(tǒng)其頻譜利用率增加了1倍。隨著軟硬件發(fā)展的不斷完善以及數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，在5G網(wǎng)絡(luò)中使用同時同頻全雙工技術(shù)在一定程度上提高了頻譜的靈活性。

3.4 大規(guī)模多天線技術(shù)

大規(guī)模多天線的概念是由貝爾實驗室于2010年底首次提出的。這一技術(shù)是以大規(guī)模天線系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過將這一技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中集成，以降低功耗與成本。信息論表明，隨著天線數(shù)量的增加，傳輸?shù)目煽啃砸约邦l譜的利用率提升明顯。當(dāng)發(fā)送與接受天線的數(shù)目很大時，信道容量會隨著發(fā)送與接受天線中的最小值近似線性增長。因此，增加天線數(shù)量是大幅度提升系統(tǒng)容量的有效途徑之一，這已成為5G通信中的核心技術(shù)。在實際的應(yīng)用中，為得到更好的效果，往往要將集中分布與散落分布結(jié)合在一起使用，提高了移動設(shè)備對于空間資源的利用率，降低發(fā)射功率，減少信號的干擾。

3.5 D2D通信技術(shù)

D2D通信是一種基于蜂窩系統(tǒng)的短距離數(shù)據(jù)直接傳輸技術(shù)。其特點是消耗較低、通信距離遠(yuǎn)、應(yīng)用平穩(wěn)。在5G網(wǎng)絡(luò)中，除頻譜效率與網(wǎng)絡(luò)容量的提升，更好的終端用戶體驗也是重要的發(fā)展方向，而D2D通信技術(shù)正好滿足了終端用戶對于更多樣通信模式的需求。在D2D通信技術(shù)中，通信的控制命令如會話的建立與維持、計費(fèi)、通信資源的分配等交給蜂窩網(wǎng)絡(luò)處理，但會話的數(shù)據(jù)將直接在終端與終端之間傳輸而并不會通過基站轉(zhuǎn)發(fā)。這一技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備與蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離連接，通信效率較好，用戶的體驗也得到了保證。

4 5G技術(shù)的應(yīng)用

4.1 5G為擴(kuò)展現(xiàn)實XR的發(fā)展提供了機(jī)遇

擴(kuò)展現(xiàn)實（XR）是對VR、AR、MR、HR多種視頻呈現(xiàn)與交互方式的綜合?；赬R的通信業(yè)務(wù)在眾多垂直行業(yè)中有著巨大的應(yīng)用潛力。

4.1.1 虛擬原型設(shè)計

通過5G網(wǎng)絡(luò)，使計算機(jī)產(chǎn)生一個虛擬與現(xiàn)實相組合的、可人機(jī)交互的環(huán)境，讓設(shè)計師能夠便捷地與包含原型的虛擬世界進(jìn)行交互，從而快速地進(jìn)行修改。特別是在商業(yè)中，對于房地產(chǎn)、建筑業(yè)、航天、家具、服飾以及醫(yī)療器械等的設(shè)計能夠起到重要的作用。

4.1.2 遠(yuǎn)程醫(yī)療

鑒于醫(yī)療資源分布的不均衡，很多的患者不能夠接觸到更好的醫(yī)療服務(wù)。醫(yī)生可以通過遠(yuǎn)程的XR技術(shù)為患者提供實時的治療方案，有效地緩解了醫(yī)療發(fā)展分布式不均衡的問題。由于5G網(wǎng)絡(luò)的低延時性，醫(yī)生為患者進(jìn)行遠(yuǎn)距離的手術(shù)也成為了可能。

4.1.3 教育

利用5G技術(shù)的XR可以很好地還原歷史場景，對于人文學(xué)科與歷史學(xué)科的教育可以起到很大輔助作用?？梢酝黄茣r空的限制，讓教學(xué)過程中不能接觸到的實物用XR的技術(shù)得以實時再現(xiàn)。

4.2 ?5G通信使能泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

4.2.1 萬物互聯(lián)

5G時代下將所有的家用電器互聯(lián)，不僅可以實現(xiàn)每個家庭的智能家居，而且能夠協(xié)調(diào)多個家庭的用電情況;5G時代下的交通導(dǎo)航延時性小，將5G技術(shù)應(yīng)用于交通之中可以實現(xiàn)智能城市與智能交通。此外，將電力系統(tǒng)接入5G網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)進(jìn)行實時檢測，評估電力系統(tǒng)的健康狀態(tài)。因此，5G通信時代下能真正高效地實現(xiàn)電網(wǎng)配電，實現(xiàn)萬物互聯(lián)。

4.2.2 精準(zhǔn)控制

無人汽車是未來5G時代一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。在5G通信中，可以為汽車提供大量穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)，結(jié)合5G極低的通信延時對智能無人汽車的及時剎車、轉(zhuǎn)向等決策提供很高的安全性保證。電力系統(tǒng)中的電力以光束傳播，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高速行駛的汽車，因此。5G的精準(zhǔn)控制是其可靠性的保證。

4.2.3 海量檢測與高效計算

未來的5G通信為大數(shù)據(jù)時代多元化數(shù)據(jù)的獲取提供了基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，限于通信的壓力，僅能保留基本的信息，缺失了細(xì)節(jié)性的信息。5G使萬物互聯(lián)，解決了通信方面的難題，使網(wǎng)絡(luò)可以安裝更多的傳感器以獲取多樣的數(shù)據(jù)。而5G時代極高的數(shù)據(jù)傳輸效率又促使云計算與邊緣計算廣泛應(yīng)用，大大地提高了計算的效率。

5 結(jié)語

5G通信是在第四代移動通信技術(shù)基礎(chǔ)上的發(fā)展，大幅度提升了通信的速率與質(zhì)量。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的通信技術(shù)也一定需要不斷的改進(jìn)與創(chuàng)新。

未來的5G一定會更加注重“人的體驗”，在用戶體驗的層面上不斷地完善。同時，綠色節(jié)能也將會是5G的一個重點研究方向，以實現(xiàn)無線通信的可持續(xù)性發(fā)展。因此，5G技術(shù)具有極大的發(fā)展?jié)摿?，在今后的建設(shè)中，5G建設(shè)一定會得到極大的推進(jìn)。

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