5G通信技術應用場景及關鍵技術

陳圣晟，朱惠招

（1.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南 長沙 410000；2.中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

近年來，全球5G通信技術取得了重大突破。5G通信技術帶來了嶄新的用戶體驗，信息傳輸穩(wěn)定、流暢，具有很高的應用價值[1]。要使5G通信技術得到進一步發(fā)展，需要重視其關鍵技術的使用，包括無線傳輸技術和無線網絡技術，將相應的技術應用在不同領域，助力通信公司實現(xiàn)更好的運作。

1 5G通信技術的特點

1.1 高速度

隨著每一代移動通信技術的更迭，給用戶帶來了不同的感受，最直接的感受則是移動通信技術速度的提升。相較于3G和4G網絡，5G網絡速度更快，最快可達10 Gb/s，下載一部超清電影只需幾秒，大大提升了用戶體驗[2]。

1.2 低時延

3G網絡時延約為100 ms，4G網絡時延為20～80 ms，5G網絡時延為1～10 ms。基于低時延這一要求，可以將5G通信技術應用到更多的場景中，例如無人駕駛、工業(yè)自動化的高可靠連接等。正常情況下，人與人之間進行信息交流時可以接受140 ms的時延，不會影響交流效果，但對于無人駕駛、工業(yè)自動化等場景來說，這種時延無法接受。5G對于時延的終極要求是1 ms，甚至更低，可以有效滿足無人駕駛和工業(yè)自動化的高可靠連接需求[3,4]。

1.3 萬物互聯(lián)

5G移動通信技術可以將人、數據、事物等充分連接，支持百億甚至千億級的海量傳感器接入到5G網絡中。大量智能硬件進入5G網絡中，能夠滿足大部分的數據業(yè)務連接需求[5]。與此同時，5G通信技術將賦予連接設備新的功能，可以實現(xiàn)實時管理和智能化的相關功能。

1.4 提升用戶體驗

5G通信技術的高效利用建立在技術人員明確的系統(tǒng)性認知基礎上，梳理應用場景、應用流程、應用環(huán)節(jié)注意事項，對于提升技術針對性和有效性有很大的助力作用。與前4代通信技術相比，5G通信技術的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在連續(xù)廣域覆蓋、低延時、低功耗、大連接以及高容量等方面，進一步滿足了“三網合一”和物聯(lián)網對于數據信息交互的要求，通信服務的速度和質量相較之前都出現(xiàn)了質的提升[6]。傳統(tǒng)通信技術受限于網絡自身架構，通信速度不斷下降，特別是如辦公區(qū)、商場、體育場等人員密集區(qū)域，用戶的體驗感較差[7]。5G通信技術可以在人員密集地區(qū)提供高容量熱點服務，持續(xù)提升通信服務能力，降低數據延遲，帶給用戶流暢的上網體驗，增強用戶體驗。

2 5G通信技術關鍵技術分析

2.1 大規(guī)模MIMO技術

通過大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術，有效縮短數據延時，提升數據無線傳輸能力，增強數據傳輸的穩(wěn)定性和時效性，最終為用戶提供滿意的通信服務。大規(guī)模MIMO技術的主要特點就是實現(xiàn)無線信號的同步收發(fā)，數據信息不論是接收還是傳輸，都獲得了明顯的提升。

大規(guī)模MIMO技術有助于打造高效的通信數據系統(tǒng)，在不增加頻譜寬度的基礎上進一步拓展信道容量，從而提高通信系統(tǒng)信道容量的利用率。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)在頻譜帶寬方面存在顯著缺陷，大規(guī)模MIMO技術針對性地改善了這些缺陷和問題，在控制成本的前提下獲取更加穩(wěn)定的通信質量。大規(guī)模MIMO技術與有源天線技術的結合應作出相應的調整，在垂直方向上利用天線單元組合和科學編碼實現(xiàn)動態(tài)波束賦形。有源天線與大規(guī)模MIMO技術的聯(lián)合可以進一步強化數據接收和傳輸，數據通信的范圍也可以進一步擴大，為基站建設和維護提供保障[8]。

2.2 超密集組網技術

超密集組網技術的主要實現(xiàn)路徑是增加基站密度，為了提升頻率復用效率，技術人員必須要做好各類通信基站的部署，形成系統(tǒng)完備的通信機制。超密集組網的核心技術是無線物理層技術和虛擬層技術，細分下去又涵蓋編碼技術、多址技術等。

無線物理層技術的主要作用機理是提升網絡熱點強度，減少甚至消除網絡的盲點，能夠提升5G通信的頻譜帶寬使用率。無線物理層技術通過構造立體化的數據結構，有效擴大了網絡覆蓋面積，滿足不同場景用戶的各種通信需求，有效增強系統(tǒng)容量。

虛擬層技術的主要任務是虛擬處理多層網絡。通過單層實體網絡，單層實體基站以宏基站作為虛擬網絡的主要平臺進一步搭建虛擬平臺，以指令形式控制虛擬層。實體層控制平臺是實體站，負責有效管理各類傳輸數據。通過虛擬層技術，主要實現(xiàn)實時調控單載波和多載波，從而動態(tài)管控5G通信過程。通信公司利用虛擬層技術可以全面了解用戶的通信需求，針對通信業(yè)務類別和發(fā)展方向變化調配現(xiàn)有資源，有效避免資源分布不均的問題，為用戶提供優(yōu)質的通信服務，提高用戶的體驗感[9]。

2.3 SDN技術

軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術主要實現(xiàn)網絡結構的虛擬化，創(chuàng)新Emulex網絡架構。SDN技術利用分離路由器實現(xiàn)網絡控制和指令轉發(fā)功能，一方面有效降低了5G通信結構的復雜性，另一方面提升了5G通信技術的自我決策和自我管理能力。在傳統(tǒng)的通信技術模式下，技術人員要先掌握業(yè)務需求后再展開上線部署工作，一旦用戶業(yè)務需求需要調整，技術人員就要重新整合、修訂相關設備參數。由于需要處理和修訂的設備較多，包括交換機、路由器、防火墻等，導致修訂工作量較大、周期較長，工作難度和負荷高居不下，嚴重影響到業(yè)務辦理成本和業(yè)務辦理效率。SDN技術的應用可以有效避免上述問題，通過技術手段快速修改路由器相關參數，提升通信質量和通信靈活性。

2.4 NFV技術

網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術通過對IT的虛擬化處理實現(xiàn)技術整合，避免硬件體量過大給日常設備管理帶來困擾。NFV技術的框架是成品（Off The Shelf，OTS）大型共享服務器，其依托于虛擬機技術開展各種部署工作，主要特點為技術成本較低、靈活性較高。當業(yè)務需求出現(xiàn)變化時，依托NFV技術可以快速調整相關設備參數，網絡結構轉變效率大幅提升。在NFV技術與云計算技術相互配合的共同作用下，能夠在獨立的物理服務器上部署結構，有效降低了運行負擔，提高系統(tǒng)部署效率，有助于及時排查和解決故障問題，為通信系統(tǒng)的整體升級優(yōu)化創(chuàng)造積極條件[10]。

3 5G通信技術應用實例

該項目是中國電信與三花控股集團有限公司聯(lián)合開發(fā)的“1（5G定制化工專用網絡）+2（核心云端、邊緣云）+2（工業(yè)互聯(lián)App）”模式云-網-邊一體化工業(yè)互聯(lián)的未來智慧工廠，如圖1所示。

圖1 “1+2+2”智慧工廠架構圖

通過5G個性化工業(yè)專用網絡，以數字孿生模型，將分散的人、機器和設備連接到邊緣側，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的充分結合。同時，在邊緣部署工業(yè)互聯(lián)網平臺和核心云端的支持下實現(xiàn)各類業(yè)務的應用開發(fā)和建設。專用5G定制網如圖2所示。

圖2 專用5G定制網

三花控股集團有限公司為全球領先的冷暖轉換、溫度控制類產品及解決方案供應商，隨著移動通信技術的不斷進步，再加上公司業(yè)務的不斷發(fā)展，目前面臨許多挑戰(zhàn)。以三花控股集團有限公司熱泵總為例，一條生產線要收集多種生產數據，這種情況下對上行并發(fā)寬帶速度的要求越來越高。目前，我國對汽車工業(yè)的節(jié)能和減排有嚴格的規(guī)定，需要企業(yè)不斷優(yōu)化生產，減少碳排放，從而使企業(yè)能夠滿足相關的環(huán)保標準。三花控股集團有限公司在2021年平均每月要新增4條生產線，且因產品更新速度較快，產線調整平均一個月要進行2次，需要高效的方法來節(jié)約線路。

基于此，三花控股集團有限公司建立了一套產品全生命周期采集分析的IT系統(tǒng)和大容量、無線化、低時延的信息化網絡系統(tǒng)，有效應對目前出現(xiàn)的各類問題。

在5G定制專網下沉的用戶面功能（User Plane Function，UPF）側部署移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）資源，主要包括邊緣節(jié)點、邊緣應用和邊緣設備。平臺邊緣側的智能網關支持以容器的形式將邊緣應用快速部署到邊緣節(jié)點運行，通過將邊緣應用程序上傳到平臺，在平臺上創(chuàng)建邊緣應用，然后將邊緣應用部署到倉庫節(jié)點運行，支持對應用進行版本升級、卸載、監(jiān)控以及日志采集，具體功能包括上傳容器鏡像、部署容器應用、升級容器應用以及監(jiān)控容器應用等。

構建基于5G的“工業(yè)網關+下沉UPF工業(yè)互聯(lián)網平臺+應用系統(tǒng)”體系，端側和網側部署5G工業(yè)網關，提供多種工業(yè)通信接口和協(xié)議，向下接入各種現(xiàn)場設備和數據采集設備，向上通過5G模組接入5G網絡，實現(xiàn)產線覆蓋，并將UPF下沉至園區(qū)，實現(xiàn)數據的本地處理，滿足安全要求的同時，降低業(yè)務時延。平臺側和應用側在MEC上部署工業(yè)互聯(lián)網平臺，實現(xiàn)終端管理和多數據融合。

此項目將UPF下沉至三花控股集團有限公司工業(yè)園區(qū)，在園區(qū)內實現(xiàn)5G網絡全覆蓋，同時新增車間產線應用數據采集、移動辦公場景。在UPF側部署邊緣云MEC，同時在云端和邊緣云分別部署工業(yè)互聯(lián)平臺和全域性溯源系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點。一是有效加快產線的上線時間；二是降低數據遺失造成的報廢，報廢比率由1%降低至0.3%；三是縮短生產的時間，從25 s減少到21 s；四是減少CO2的排放量，滿足“雙碳”策略的要求，全年減排414 t。

4 結 論

5G通信技術具有高速度、低時延、低功耗以及萬物互聯(lián)等特點，可以應用到更多的場景中，為用戶帶來更好的體驗。要想在各類場景中發(fā)揮5G通信技術的優(yōu)勢，需要對5G通信關鍵技術進行分析，有效構建5G通信技術應用系統(tǒng)。通過分析中國電信集團有限公司與三花控股集團有限公司聯(lián)合開發(fā)的“1+2+2”模式云-網-邊一體化工業(yè)互聯(lián)的未來智慧工廠，給未來5G通信技術的運用帶來了更多的啟發(fā)。