5G無線通信關鍵技術及發(fā)展研究

梁國鑫

（青島科技大學，山東 青島 266100）

0 引 言

5G無線通信技術是新型技術，與傳統(tǒng)技術相比具有顯著優(yōu)勢。相關研究認為，應用5G技術可支持大規(guī)模通信連接、顯著縮短通信延時、提高信息傳輸穩(wěn)定性以及顯著提高數(shù)據(jù)傳輸效率等。針對關鍵技術進行研究，探討其應用和發(fā)展前景。

1 5G通信技術應用優(yōu)勢

國際電信聯(lián)盟提出，5G主要應用于增強型移動寬帶場景（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、高可靠低時延通信場景（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）以及大規(guī)模機器通信場景（massive Machine Type of Communication，mMTC）。5G無線通信應用中用戶體驗數(shù)據(jù)傳輸速率超過100 Mb/s，數(shù)據(jù)速率峰值可達10 Gb/s以上。通信線路中端口與端口之間的延遲時間為毫秒級，無線電延遲不超過1 ms，基礎設施IP層可用分組、終端IP層分組可行性持續(xù)時間較短。5G在設備連接方面也實現(xiàn)突破，接入性能優(yōu)化，靈活性更強，應用效果較好。無線網(wǎng)可支持多元化類型的用戶，支持新業(yè)務發(fā)展。傳統(tǒng)通信時，依賴網(wǎng)絡布局和人工運維，需要投入大量的人力、物力資源，運營成本控制困難，網(wǎng)絡優(yōu)化受限。利用數(shù)據(jù)分析，依靠相關技術，5G網(wǎng)可優(yōu)化用戶體驗，改善網(wǎng)絡服務[1]。

在信息時代，信息安全是網(wǎng)絡發(fā)展必須予以重視的問題。在現(xiàn)代網(wǎng)絡建設中，5G技術的突出優(yōu)勢是信息安全性較好，可有效進行網(wǎng)絡防護，對于網(wǎng)絡惡性攻擊等具有較好的防護性能，網(wǎng)絡總體穩(wěn)定性較好。在實施5G安全技術控制時，動態(tài)構建5G體系，應急處理能力更強，數(shù)據(jù)分析質量更高，可保障相關網(wǎng)絡安全、穩(wěn)定運行。對于突發(fā)性或緊急性網(wǎng)絡事件，5G通信網(wǎng)絡具有更好的安全防御能力。在當前無線網(wǎng)運行時，5G技術可良好適應不同領域的需求，對于建設信息安全的智慧城市等具有重要意義[2]。

2 5G無線通信關鍵技術

2.1 大規(guī)模MIMO技術

大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術可用于提高通信可靠性。與常規(guī)MIMO技術相比，利用大規(guī)模MIMO技術可以在基站端建設大規(guī)模天線列陣，支持多個用戶同時頻通信業(yè)務，提高網(wǎng)絡吞吐量。該技術可在同一時頻資源內進行海量數(shù)據(jù)流傳輸，同時利用預編碼技術解決嚴重自擾和導頻污染問題。

2.2 毫米波

低頻帶無線通信難以滿足時代需求，必須探索新的頻譜資源。毫米波指波長在1～10 mm的電磁波，處于微波與遠紅外波相交疊的波長范圍，兼有兩種波譜的特點。其頻率范圍為30～300 Hz，頻譜資源豐富，可以滿足5G無線通信高速傳輸信息的需求。利用毫米波技術可開展大規(guī)模天線列陣施工，結合預編碼技術進行大規(guī)模MIMO系統(tǒng)創(chuàng)建，減弱外界磁場干擾，保證信號收發(fā)質量和速度。毫米波技術在大規(guī)模天線列陣中的應用如圖1所示。

圖1 毫米波技術在大規(guī)模天線列陣中的應用

2.3 波束成形技術

利用波束成形技術可消除外界干擾，解決天線列陣造成的信號功率損失等問題，提高信號傳輸質量。在波束成形中存在眾多天線陣列波源，科學控制波幅，集中電磁波輻射能量，保證接收機順利接收信號，電磁波輻射能量散射較少，從而降低其他接收設備受到的干擾。應用該技術可以加權合成處理多信號，促進信號集中傳輸。

2.4 D2D通信技術

所謂D2D通信技術，即指兩個對等用戶節(jié)點直接通信。D2D通信網(wǎng)絡中，用戶節(jié)點均可發(fā)送信號、接收信號并轉發(fā)消息。其中，部分硬件資源可在網(wǎng)絡參與者中共享。網(wǎng)絡服務使用上述共享資源時，用戶無需經(jīng)過中間實體，可以直接訪問。5G通信用戶節(jié)點可互相接收、轉發(fā)信號，促進設備間順利通信，不受基站束縛，可提高頻譜效率。復用小區(qū)社會資源時會干擾下行鏈路用戶，通過干擾協(xié)調、資源優(yōu)化可有效降低D2D通信負面影響，提高通信質量。

2.5 網(wǎng)絡架構的構建

在5G通信技術應用中，必須構建新型網(wǎng)絡架構。5G通信網(wǎng)絡架構建設以傳統(tǒng)技術為基礎，通過新型多元化通信技術改造，完善網(wǎng)絡架構異構結構，提高通信系統(tǒng)融合性。蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)、WiFi是新型網(wǎng)絡架構的重要組成部分，符合5G通信技術的應用要求。5G無線通信技術應用后可提高運行速度，應用多種技術創(chuàng)新網(wǎng)絡構架。以長期演進（Long Term Evolution，LTE）接入網(wǎng)為例，構建此種網(wǎng)絡時采用扁平化網(wǎng)絡結構，可顯著降低系統(tǒng)時延，同時減少建設成本和維護成本。C-RAN架構是5G未來接入網(wǎng)的可行性結構，以集中化處理為特點，所用無線電為協(xié)作模式，還可進行實時云計算。在其應用時，所用的光傳輸網(wǎng)絡不僅速度更快，且成本更低，將無線信號從遠端天線傳輸至集中節(jié)點，服務區(qū)域覆蓋面較廣[3]。

2.6 移動邊緣計算

移動邊緣計算(Mobile Edge Computing，MEC)是通過就近無線接入網(wǎng)絡實現(xiàn)云端計算功能和IT服務等，構建電信級服務環(huán)境。該技術性能優(yōu)于常規(guī)通信技術，顯著縮短通信延遲，此外具有更理想的帶寬，信息下載速度更快。MEC技術核心是網(wǎng)格開放、能力開放、資源開放、管理開放以及本地轉發(fā)等，可在業(yè)務優(yōu)化處理、數(shù)據(jù)服務以及本地分流等場景中應用，提高平臺開放能力，增強服務水平。

3 5G通信技術的具體運用

3.1 遠程醫(yī)療

5G的大帶寬特性可以傳輸多路數(shù)據(jù)，為遠程醫(yī)學示教、精準傳輸治療視頻、圖片等提供保障，還可遠程及時有效開展診療活動，把握最佳救治時間，具有較高的應用價值[4]。此外，醫(yī)師可利用5G通信網(wǎng)絡遠程會診來評估患者病情，對患者病情進行動態(tài)監(jiān)控，有效解決基層醫(yī)療機構醫(yī)護人員緊缺的問題。不僅如此，5G通信可同時連接多個用戶終端，突破會診時間、空間局限性，在急性會診中具有重要作用[5]。

3.2 自動駕駛

自動駕駛技術逐漸發(fā)展成熟，應用覆蓋面持續(xù)擴大，消費者群體規(guī)模逐漸增大。為此，更多汽車制造企業(yè)積極開展自動駕駛技術研發(fā)，自動駕駛系統(tǒng)和車輛產(chǎn)品等趨于多樣化。自動駕駛汽車接入5G網(wǎng)后，能夠以無線的方式與前方障礙物、紅綠燈等進行交互，自動進行轉彎、避讓等操作，合理調整車速和剎車，避免急剎，可以大大提高用戶的體驗感和舒適度。不僅如此，5G通信技術的優(yōu)化對于提高自動識別過程的反應速度具有積極意義，同時還可以提高駕駛過程中風險識別的靈敏度，進而提高自動駕駛的安全性。

3.3 智慧城市領域

智慧城市是新型城市構建理念，對城市進行智能性和智慧化規(guī)劃、建設與運維，可更好地體現(xiàn)以人為本的發(fā)展理念。采用大數(shù)據(jù)分析與計算機建模，能更加全面與適宜地規(guī)劃智慧城市。5G技術的應用賦予計算機更高效的計算，從而幫助城市規(guī)劃、城鄉(xiāng)布局以及基礎設施配備等更加科學。另外，利用網(wǎng)絡切片技術可以根據(jù)智慧城市業(yè)務需求提供個性化定制服務，創(chuàng)建符合政府、企業(yè)、居民需求的服務架構?；诔鞘星闆r和用戶分布等針對性布局，保證信號質量，提升網(wǎng)速，改善用戶用網(wǎng)體驗[6]。5G在智慧城市中的應用如圖2所示。

圖2 5G在智慧城市中的應用

3.4 信息消費領域

信息消費是現(xiàn)代商業(yè)理念，在信息消費領域中，消費對象通常并非客觀實體，而是信息服務或產(chǎn)品等。通過5G技術的應用能更加全面地了解用戶喜好，發(fā)掘用戶深度需求，了解用戶對信息相關的生活需求和工作需求。科學應用5G技術，積極滿足用戶需求，優(yōu)化信息消費領域環(huán)境，改善用戶體驗。移動設備的普及是5G網(wǎng)絡的重要基礎支持，在分析5G技術對信息消費領域的影響時，應基于用戶數(shù)量科學分析用戶和潛在用戶的真實需求，實現(xiàn)合理規(guī)劃[7]。

3.5 教育領域

基于5G技術優(yōu)勢，可以全面提升教學體驗，實現(xiàn)全時域、全空域、全受眾覆蓋。將5G虛擬現(xiàn)實技術應用于教學中，通過全息投影將名校名師課件進行裸眼3D效果展示，支持線上交互遠程教學，以優(yōu)化教育資源的分配?！?G+全息投影”技術有利于促進校-校連接，構建智慧教學模式，實現(xiàn)直播互動教學，促進教育優(yōu)質資源共享[8]。此外，應用5G構建教育物聯(lián)網(wǎng)有利于優(yōu)化教育環(huán)境，提高教育質量。應用5G構建教育網(wǎng)絡，利用物理設施和虛擬網(wǎng)絡創(chuàng)建教育教學高級服務模式。同時聯(lián)合應用無線射頻識別技術、納米技術、智能技術以及傳感器技術等可構建更完善的教育平臺[9]。智慧教學系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 智慧教學系統(tǒng)

3.6 攝影攝像領域

攝影攝像領域的光場相機對于傳輸速率要求較高，而5G技術傳輸速率高、延遲低等優(yōu)勢能夠充分滿足光場相機的應用需求[10]。光場相機以光場技術為依托，使用前無需提前聚焦，拍照時可自動聚焦，使用者僅需構圖拍攝即可。該類相機在執(zhí)行拍照任務時，只要被拍攝物體處于相機焦距范圍內，即可通過任何形式對焦。在拍照聚義階段需要保證焦距內光線信息被全部有效記錄，必須具有較低的延遲和較大的存儲空間。

4 結 論

5G無線通信網(wǎng)絡應用優(yōu)勢顯著。通過5G關鍵技術應用可縮短信息傳輸延遲，促進高效率傳輸，提高網(wǎng)絡穩(wěn)定性與安全性，覆蓋范圍更廣，應用可行性更高，全面優(yōu)化客戶體驗。利用大規(guī)模MIMO、波束成形、毫米波、D2D通信、移動邊緣計算和新型網(wǎng)絡構建等，可促進自動駕駛、遠程醫(yī)療、智慧城市建設，還可應用于信息消費領域、教育領域、智慧城市領域以及攝影攝像領域應用等。