5G無線通信技術(shù)發(fā)展跟蹤與應(yīng)用

田宇

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司 吉林省長春市 130000）

5G 無線通信技術(shù)在我國快速發(fā)展，投入商用，得到大范圍推廣，將逐漸取代4G 無線通信技術(shù)成為通信行業(yè)的主流。5G 無線通信技術(shù)相比于傳統(tǒng)技術(shù)更加安全可靠，更加重視對(duì)私密信息保護(hù)，讓通信技術(shù)使用更加靈活便捷，顯著提高傳輸速度，并減少能量損耗，具有廣闊應(yīng)用前景。通過對(duì)5G 技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的研究，能夠強(qiáng)調(diào)其應(yīng)用前景，奠定5G 技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)。

1 5G無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

5G 無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是在無線通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)和改造，讓各方面超越傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。相比于傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)，5G 無線通信更加完善。5G 網(wǎng)絡(luò)投入使用以來逐漸擴(kuò)大市場份額。根據(jù)目前使用情況，在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)工程中，5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)有效應(yīng)用了納米技術(shù)，更加重視保護(hù)私密信息，使得無線通信技術(shù)得到更加靈活和便捷的應(yīng)用，顯著提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，顯著減少能量損耗。不難發(fā)現(xiàn)，和傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，5G 通信網(wǎng)絡(luò)最突出的優(yōu)勢在于對(duì)個(gè)人信息的保護(hù)。在傳輸信息過程中如果遇到了阻礙，5G 無線通信技術(shù)能夠更加及時(shí)的明確問題所在，并加強(qiáng)對(duì)信息的保護(hù)[1]。和傳統(tǒng)無線通信技術(shù)相比，5G 通信技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，其吸納了傳統(tǒng)通信技術(shù)優(yōu)勢，并實(shí)現(xiàn)了更加靈活的應(yīng)用，使其具備了突出的競爭力，能夠更好地為人們提供傳輸信息服務(wù)。在建設(shè)通信工程中，5G 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，用戶使用5G 網(wǎng)絡(luò)更加便捷，同時(shí)具備智能化優(yōu)勢，能夠讓用戶體驗(yàn)感更好。

具體來講，5G 技術(shù)主要具備下述幾個(gè)特征：

（1）用戶體驗(yàn)感好，由于5G 技術(shù)支持移動(dòng)業(yè)務(wù)較多，且傳輸效率高，用戶使用過程中體驗(yàn)感更好，用戶滿意度更高。

（2）由于傳輸速率可以達(dá)到數(shù)十Gb/s，使用4G 技術(shù)下載電影可能需要十幾分鐘，但使用5G 技術(shù)下載電影1s 即可完成。在使用過程中節(jié)約了使用時(shí)間。

（3）5G 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)面向多個(gè)用戶服務(wù)，在原有性能基礎(chǔ)上出現(xiàn)明顯提高，5G 技術(shù)具有更廣的覆蓋范圍，讓其服務(wù)能力進(jìn)一步提高。

（4）具有強(qiáng)大的兼容性，在原有通信技術(shù)基礎(chǔ)上建設(shè)平臺(tái)，包括NFC 無線技術(shù)，可以保障支付的安全性。

（5）5G 技術(shù)在使用過程中需要借助于其他程序幫助，服務(wù)器可能收到大量郵件請求，經(jīng)過自動(dòng)審核，阻止其中的無效信息，能夠避免過度消耗電量，不會(huì)對(duì)電池壽命造成損傷，因此電池壽命較長。

2 5G無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 高傳輸速率

相比于傳統(tǒng)無線通信技術(shù)，5G 技術(shù)的傳輸速率更高，在傳輸應(yīng)用上取得了較大突破，能夠更好滿足人們需要。由于傳輸速率的提高，讓相關(guān)產(chǎn)業(yè)也取得較大突破，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有突出幫助。尤其是公共服務(wù)事業(yè)，5G 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信息及時(shí)傳遞，將信息實(shí)時(shí)傳遞給管理部門，幫助管理部門能夠第一時(shí)間做出協(xié)調(diào)，進(jìn)行處理，從而能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度管理，解決公共突發(fā)事件。信息傳播速率的提高也會(huì)提高社會(huì)生產(chǎn)水平，加快社會(huì)生產(chǎn)效率，從而能夠推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，國力的提升。

2.2 高可靠性

5G 技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，未來會(huì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。在應(yīng)用過程中，5G 技術(shù)給予了高水平安全保障。由于5G 技術(shù)具備良好的安全系統(tǒng)，用戶能夠放心使用。此外5G 技術(shù)能夠克服時(shí)間的限制，提高時(shí)效性和可靠性。在安全的基礎(chǔ)上能夠滿足高速率傳輸信息，滿足人們的需求，更保障了人們的通信權(quán)益。

2.3 高數(shù)據(jù)流量

近幾年來無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)大幅度增加，對(duì)網(wǎng)絡(luò)荷載能力提出了更高的要求。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)用戶逐年增加，人們對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)使用需求逐漸增加，數(shù)據(jù)流量將處于持續(xù)大幅增加的狀態(tài)[2]。5G 技術(shù)具有高數(shù)據(jù)流量傳輸優(yōu)勢，在用戶密集的情況下，5G 技術(shù)能夠最大程度上降低干擾，保證網(wǎng)絡(luò)通暢，允許大量用戶的數(shù)據(jù)傳輸，保證高質(zhì)量高效率完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，是傳統(tǒng)無線通信技術(shù)不具備的優(yōu)勢。

3 5G無線通信技術(shù)發(fā)展跟蹤

3.1 毫米波技術(shù)

電磁波根據(jù)頻率長短可以分為高頻波和低頻波等，又根據(jù)波長不同可以分為短波、長波等。低頻超長波的波長為104～105m，頻率為3～30kHz；高頻短波的波長為10～102m，頻率為3～30MHz；高頻超短波波長為1～10m，頻率為30～300MHz。而極高頻微波的波長只有1～10mm，也被稱為毫米波，其頻率約為30～300GHz。4G 技術(shù)采用的是厘米波進(jìn)行信號(hào)的傳輸，5G 技術(shù)則采用毫米波進(jìn)行信號(hào)的傳輸，由于毫米波的頻率更高，且波長更短，頻譜也更寬，能夠增加信道容量，滿足高標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)通信需要，更適合在多媒體時(shí)代下的信號(hào)傳播。此外毫米波的波束更窄，具有更高的可靠性以及方向性。在2019年2月韓國三星公司提出已經(jīng)研發(fā)出5G 毫米波無線通信芯片，帶寬從800MHz 提高至1.4GHz，顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，最大程度上增加了通信服務(wù)的范圍[3]。雖然毫米波技術(shù)具有多種優(yōu)點(diǎn)，但是在傳輸過程中可以發(fā)現(xiàn)，毫米波會(huì)出現(xiàn)路徑損耗，造成傳播質(zhì)量降低，且在高層建筑中毫米波的傳輸相對(duì)困難。在外界環(huán)境中，雨水、樹葉等都會(huì)吸收毫米波，影響信號(hào)的傳輸。經(jīng)過測試，5G 網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)幅度大，對(duì)于基站十分依賴，很難廣泛應(yīng)用。

3.2 超密集組網(wǎng)技術(shù)

5G 網(wǎng)絡(luò)采取毫米波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高流量和高網(wǎng)速的5G 網(wǎng)絡(luò)，也能適應(yīng)毫米波短距離傳輸，顯著縮短了5G 基站的間距，因此超密集組網(wǎng)技術(shù)（UDN）成為了5G 網(wǎng)絡(luò)的必需技術(shù)。UDN 技術(shù)利用小小區(qū)技術(shù)，有效覆蓋范圍為10～200m，采取無線回傳、多連接以及多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)容量以及數(shù)據(jù)流量的大幅提升。UDN技術(shù)的應(yīng)用也出現(xiàn)了新的問題，如需要設(shè)置更加密集、更大量的無線接入點(diǎn)，代表系統(tǒng)的能耗以及接入成本明顯增加，增加拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。由于無線接入節(jié)點(diǎn)間距減小，各個(gè)小小區(qū)間的切換頻率也會(huì)增加，造成移動(dòng)信令負(fù)荷的增加，甚至?xí)蓴_系統(tǒng)運(yùn)行。因此大規(guī)模采取UDN 技術(shù)較為困難，還需要專家們尋找控制干擾的新方法，尋找新的管理方案。

3.3 多天線技術(shù)

多天線技術(shù)具有更加精準(zhǔn)的波束控制能力，通過多天線控制毫米波傳輸干擾，并抵抗小小區(qū)干擾，其最大的特征在于基站集中配置大規(guī)模天線陣列，通常情況下陣列數(shù)多于8 個(gè)。新型多天線傳輸通信技術(shù)建立在大規(guī)模天線列陣以及大規(guī)模MIMO 基礎(chǔ)之上，這一通信技術(shù)顯著提高了陣列增益，從而提高小區(qū)總頻譜以及邊緣用戶效率。該技術(shù)改進(jìn)了MTMO，顯著增加小區(qū)容量，不斷提高下載速率，能夠讓下載需要有序滿足。但是對(duì)于新型天線傳輸技術(shù)，基站下行只能提供發(fā)送天線，工作性能的提升空間更大。在5G 通信技術(shù)發(fā)展中，會(huì)對(duì)有源天線技術(shù)進(jìn)行引入。從而更加便捷地獲取小區(qū)基站MIMO 部署情況，完成3D 波束成形，讓系統(tǒng)容量進(jìn)一步增強(qiáng)，更能讓業(yè)務(wù)需求得到滿足。

3.4 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中，必然朝向蜂窩及WIFI 融合的結(jié)構(gòu)發(fā)展，有效實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)分流。同時(shí)為了讓基站壓力減輕，提出D2D 網(wǎng)絡(luò)概念，D2D 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為5G 發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。使用D2D 技術(shù)不需要國際站轉(zhuǎn)接即可完成數(shù)據(jù)交換，從而減小蜂窩網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，讓功耗得到減少，進(jìn)而加快網(wǎng)絡(luò)速度。

4 5G無線通信技術(shù)的應(yīng)用

4.1 安卓系統(tǒng)

研發(fā)安卓系統(tǒng)基礎(chǔ)為開放源代碼，目前廣泛應(yīng)用于平板電腦和智能手機(jī)之中，應(yīng)用范圍廣。安卓系統(tǒng)主要分為四個(gè)層級(jí)架構(gòu)，即應(yīng)用程序?qū)?、程序框架層、系統(tǒng)運(yùn)行層以及系統(tǒng)內(nèi)核層。在系統(tǒng)內(nèi)核層中應(yīng)用5G 技術(shù)能夠分離系統(tǒng)基礎(chǔ)文件以及硬盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從而讓終端的儲(chǔ)存空間得到壓縮，讓終端硬件設(shè)備更加豐富。在安卓系統(tǒng)中使用5G 技術(shù)能夠顯著提高系統(tǒng)安全性，讓系統(tǒng)在后續(xù)運(yùn)行中更加安全可靠。

4.2 數(shù)字貨幣

從比特幣推出后，全世界各國均爭相推出數(shù)字貨幣，5G 技術(shù)高水平的安全性和兼容性，能夠支持?jǐn)?shù)字貨幣的推廣和流通。使用5G 技術(shù)進(jìn)行數(shù)字貨幣的支付，能夠顯著提高交換速度，并擴(kuò)大價(jià)值交換范圍，給數(shù)字貨幣提供安全可靠的保障，并最大程度上壓縮流通和發(fā)行的成本。以比特幣為例，作為代表性的概念型產(chǎn)品，比特幣屬于P2P 軟件產(chǎn)生的虛擬貨幣，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的分布數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，從而確認(rèn)交易行為[4]。由于比特幣具備去中心化特征，算法較為復(fù)雜，很難大量制造，要通過人為手段操作幣值，受到外界的高度認(rèn)可，使得比特幣本身價(jià)值也顯著提高，因此比特幣也作為一種全新的支付手段。借助于5G 網(wǎng)絡(luò)的高安全性，使得比特幣在5G 網(wǎng)絡(luò)下交易流通十分安全，為數(shù)字貨幣的發(fā)展和應(yīng)用提供了安全的平臺(tái)。

4.3 大數(shù)據(jù)云計(jì)算領(lǐng)域

從2010年至2020年間，群眾對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的需求增長了數(shù)千倍，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也大幅增加。面對(duì)這一情況，發(fā)展5G 無線通信技術(shù)十分必要，其發(fā)展趨勢正好滿足大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的需要。如今全球進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈量級(jí)化增長，大數(shù)據(jù)不僅成為人們行為的記錄，同時(shí)也成為了重要的重要的資源。在大數(shù)據(jù)和云計(jì)算領(lǐng)域中，應(yīng)用5G 技術(shù)能夠提高數(shù)據(jù)計(jì)算和分析的效率，在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，幫助人們更高效的應(yīng)用數(shù)據(jù)。云計(jì)算技術(shù)更無法離開5G 技術(shù)的支持，云計(jì)算技術(shù)主要借助于互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行在線計(jì)算，其運(yùn)算速度受到網(wǎng)絡(luò)速度的影響，應(yīng)用5G 技術(shù)后可大幅度提升云計(jì)算的穩(wěn)定性和可靠性，避免數(shù)據(jù)泄露，進(jìn)一步提高云計(jì)算技術(shù)的穩(wěn)定性。如在公共服務(wù)事業(yè)中，5G 技術(shù)的應(yīng)用將大幅提高公共服務(wù)的應(yīng)變能力，能夠及時(shí)傳遞信息，更有利于獲取一手信息，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳遞和遠(yuǎn)程指導(dǎo)。

4.4 光電照相機(jī)

光場攝像機(jī)具備記錄光學(xué)信息的能力，一張照片約占據(jù)200M空間，但借助于5G 技術(shù)能夠避免儲(chǔ)存問題。在應(yīng)用程序中發(fā)光攝像機(jī)只需要捕獲優(yōu)勢應(yīng)用發(fā)光場攝像機(jī)，不需要使用配置程序圖像采集焦點(diǎn)。在5G 技術(shù)支持下利用矢量能夠最大程度上提高網(wǎng)絡(luò)安全性，并節(jié)約儲(chǔ)存空間，滿足使用需求。在5G 技術(shù)支持下，不僅提高了傳輸速度，更最大程度上提高了技術(shù)質(zhì)量，滿足人們使用需要。5G 技術(shù)的應(yīng)用幫助光場相機(jī)解決了存儲(chǔ)問題，使其高攝像清晰度的優(yōu)勢得到發(fā)揮，讓其應(yīng)用優(yōu)勢得到凸顯。

4.5 醫(yī)療領(lǐng)域

長期以來由于我國醫(yī)療資源的緊張，群眾看病困難的問題一直存在。在醫(yī)療領(lǐng)域中，利用5G 數(shù)據(jù)傳輸，建設(shè)在線問診系統(tǒng)，能夠讓醫(yī)療資源再分配，讓特級(jí)醫(yī)生在線遠(yuǎn)程診療，供外地患者看病。同時(shí)也能讓外地的醫(yī)生互相學(xué)習(xí)，分享醫(yī)療經(jīng)驗(yàn)。借助于5G 網(wǎng)絡(luò)全國的專家可以整合起來，形成專家診療組，針對(duì)疑難雜癥進(jìn)行線上會(huì)診，解決看病難的問題。在5G 網(wǎng)絡(luò)的支持下，遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)能夠輔助醫(yī)療機(jī)構(gòu)完善醫(yī)療服務(wù)，解決看病難的問題，同時(shí)也能積極改善“黃牛”、醫(yī)療糾紛等社會(huì)問題，對(duì)于社會(huì)的和諧發(fā)展具有積極作用。在2019年我國一位外科醫(yī)生利用5G 技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程外科手術(shù)，手術(shù)中在5G 網(wǎng)絡(luò)支持下操作機(jī)械手術(shù)臂進(jìn)行手術(shù)，順利切出了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)肝臟，在整個(gè)過程中，手術(shù)只延遲了0.1s?？梢?G網(wǎng)絡(luò)也能為遠(yuǎn)程手術(shù)和遠(yuǎn)程治療提供應(yīng)用空間。

4.6 智能社會(huì)

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，支持智能設(shè)備的推廣，進(jìn)一步完善智能社會(huì)。在5G 網(wǎng)絡(luò)支持下，智能社會(huì)將形成一個(gè)人與人、人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備互通的新型社會(huì)，如無人駕駛公交車、智能家居等，將網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)化為電子設(shè)備，滿足智能生活的需要，成為世界發(fā)展的主流趨勢?，F(xiàn)階段商用5G 技術(shù)還無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)室水平，主要受到傳輸環(huán)境等因素影響，5G 技術(shù)的優(yōu)勢尚未能全部發(fā)揮。未來還需要進(jìn)一步優(yōu)化通信結(jié)構(gòu)，對(duì)云端處理模式、設(shè)備以及傳輸環(huán)境進(jìn)行升級(jí)，從而放大5G 技術(shù)的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

綜上所述，通過對(duì)5G 無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢的分析，5G 技術(shù)憑借高傳輸速率、高可靠性、高數(shù)據(jù)流量的優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。5G 技術(shù)經(jīng)過毫米波技術(shù)、超密集組網(wǎng)技術(shù)、多天線技術(shù)、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)逐漸發(fā)展成熟，逐漸應(yīng)用于安卓系統(tǒng)、數(shù)字貨幣、大數(shù)據(jù)云計(jì)算領(lǐng)域、光電照相機(jī)、醫(yī)療領(lǐng)域以及智能社會(huì)中，對(duì)于社會(huì)發(fā)展具有突出價(jià)值，滿足人們的使用需求。