5G無線通信技術(shù)概念及相關(guān)應(yīng)用

易云山，詹 行，朱大龍

（1.網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211111；2.南京星思半導(dǎo)體有限公司，江蘇 南京 211111）

1 5G無線通信技術(shù)的相關(guān)論述

5G無線通信技術(shù)又稱為第五代通信技術(shù)，是在4G的技術(shù)上，經(jīng)過不斷的發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新得到的一種通信技術(shù)，對于提高我國通信質(zhì)量有著積極的作用。5G無線通信技術(shù)并不是由某一種技術(shù)形成的，而是由多種技術(shù)進(jìn)行組合形成的一種無線通信技術(shù)。

1.1 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)

目前，LE兩種接口的組合入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全部采用了雙線扁平化組合入網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，減小了整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部建網(wǎng)過程時延，降低了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部建網(wǎng)設(shè)備維護(hù)成本和整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)維護(hù)人員管理過程成本。5G無線通信技術(shù)還是會繼續(xù)采用如ARM和C-RAN這種可以接入無線網(wǎng)絡(luò)的硬件架構(gòu)。C-RAN是基于無線網(wǎng)絡(luò)集中化實(shí)時數(shù)據(jù)處理、協(xié)作式網(wǎng)絡(luò)實(shí)時模擬無線電和基于移動網(wǎng)絡(luò)實(shí)時無線電的云計算基礎(chǔ)構(gòu)架的完全綠色化的無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)接口設(shè)施構(gòu)架。C-RAN的基本網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思想是用戶可以充分利用低成本、高速的光纖將網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡(luò)，為方便用戶搭建一套無線鏈路信號網(wǎng)絡(luò)接入無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，在無線數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)服務(wù)機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程通信基站天線和節(jié)點(diǎn)之間，直接傳輸各種無線信號?？梢愿采w每個區(qū)域的無線通信基站和每個服務(wù)中心節(jié)點(diǎn)，范圍甚至可達(dá)數(shù)百千米。C-RAN綜合網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)適于網(wǎng)絡(luò)用戶隨時采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)頻譜協(xié)同處理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠有效率地減小用戶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)干擾，降低功耗，提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)頻譜集中處理工作效率。它還能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息動態(tài)集中處理、使用的綜合網(wǎng)絡(luò)管理組網(wǎng)，集中處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)也更有利于有效率地降低用戶網(wǎng)絡(luò)管理成本，便于后期網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，減少網(wǎng)絡(luò)管理運(yùn)營商的成本支出。

1.2 多天線傳輸技術(shù)

多天線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是一種新型信息天線傳輸技術(shù)，可以利用有源信號天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)合理天線列陣，多天線傳輸技術(shù)在毫米載波和其他有源信號天線之間實(shí)現(xiàn)無縫連接，在較大程度上大幅改善了有源天線網(wǎng)絡(luò)使用性能，使其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍進(jìn)一步得到擴(kuò)大，通過充分應(yīng)用多通道天線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可以有效率地降低企業(yè)能源消耗，促進(jìn)5G無線通信技術(shù)的健康與可持續(xù)化發(fā)展。

1.3 密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

隨著移動智能手機(jī)的快速普及，信息呈現(xiàn)指數(shù)級的增長，網(wǎng)民的數(shù)量也呈現(xiàn)爆炸式的增長。傳統(tǒng)的超級移動通信應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能完全滿足當(dāng)今社會大規(guī)模數(shù)據(jù)和信息流應(yīng)用的需求，5G無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)徹底改變了這一尷尬局面。密集型的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了移動通信系統(tǒng)的高效應(yīng)用，使得該系統(tǒng)可以提供超大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸流量，其次是通過在不同通信位置和應(yīng)用區(qū)域之間設(shè)置密集式的網(wǎng)絡(luò)，將通信天線合理分布設(shè)計在不同位置，擴(kuò)大移動通信系統(tǒng)覆蓋面的空間。這種密集式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)不僅具有較好的網(wǎng)絡(luò)可靠性，也可以使5G移動通信系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活，可以有效滿足用戶多樣化的移動通信應(yīng)用需求[1]。

2 5G無線通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

2.1 提升了傳輸?shù)乃俾?/h3>

5G無線通信技術(shù)在當(dāng)代社會極致的發(fā)揮出了它的高速優(yōu)勢，超越了傳統(tǒng)的無線技術(shù)的速度，達(dá)到了一個全新的高度，相較于傳統(tǒng)的運(yùn)行速度，5G通信技術(shù)甚至可以達(dá)到每秒幾十GB的速度，這無疑是一種在速度傳輸上的前所未有的創(chuàng)新。而傳統(tǒng)的4G無線通信技術(shù)智能達(dá)到在相同的條件下75 Mb/s的效果。

2.2 兼容性好

5G無線通信技術(shù)除了速度優(yōu)勢，還體現(xiàn)出兼容性優(yōu)良的特點(diǎn)，它囊括了2G、3G、4G通信技術(shù)的各種優(yōu)勢，并將他們汲取，融合于一體，可以說是集大成的高端技術(shù)，它可以與Wi-Fi技術(shù)、近場通信（Near Field Communication，NFC）技術(shù)以及其他的無線技術(shù)相匹配一起使用，可以最大程度上發(fā)揮出其本身具有的價值，也體現(xiàn)出了它的顯著優(yōu)勢，提升了各種支付方式的安全系數(shù)，更加受大眾歡迎。

2.3 電池使用壽命長

傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)存在的一個普遍的問題就是它的使用周期較短，這是一個困擾很多用戶的難題，而5G無線通信技術(shù)就可以很好地解決這個問題，它對它所具有的電池使用壽命也做了相關(guān)的優(yōu)化與升級，在安裝或者是下載某個應(yīng)用軟件時，5G技術(shù)可以在第一時間對其全面進(jìn)行檢索，它會篩選出浪費(fèi)電量最多的應(yīng)用，做出相應(yīng)的警告或者處理，或者是自動選擇出最優(yōu)的最省電的模式組合，從而可以在很大程度上去節(jié)省你的電量，也就間接達(dá)到了電池性能的最優(yōu)狀態(tài)，它還可以延長電池的使用周期以及總體的使用壽命。

2.4 系統(tǒng)容量得到擴(kuò)展

截至2022年，由相關(guān)的調(diào)研數(shù)據(jù)可以得知全球使用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的用戶數(shù)量每一天都在成千上萬倍地增長。但是，目前廣泛普及的4G無線技術(shù)并無法有效滿足這么多用戶的使用需求，而5G無線通信技術(shù)的構(gòu)建就可以是整個系統(tǒng)的容量得到充分?jǐn)U展，從而在通信安全與穩(wěn)定的前提下，提高更高速的大數(shù)據(jù)傳輸。

3 5G無線通信技術(shù)的應(yīng)用

3.1 智能通信方面的應(yīng)用

在原先的無線通信領(lǐng)域，就利用了移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在現(xiàn)階段的5G領(lǐng)域，5G移動通信技術(shù)是在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了革新，具有更強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)越性、智能化等特點(diǎn)，這是傳統(tǒng)移動通信技術(shù)所無法比擬的。結(jié)合當(dāng)前5G移動通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及取得的發(fā)展成就，可以看出5G通信技術(shù)的應(yīng)用范圍以及便捷性更強(qiáng)，且通信智能化水平顯著提高，所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，不僅可保障傳輸?shù)陌踩裕€可以提高傳輸效率。因此，5G移動通信在未來的發(fā)展中，應(yīng)用范圍更廣。隨著時代的變化，云計算、大數(shù)據(jù)等新型技術(shù)成為了主流技術(shù)，這些技術(shù)的融合，催生了“互聯(lián)網(wǎng)+”這一新概念，很多行業(yè)都在積極探索這一新模式，力求為行業(yè)謀求新發(fā)展。

3.2 智能自動化配電

智能自動化電網(wǎng)配電系統(tǒng)是推動智能電網(wǎng)建設(shè)的重要技術(shù)之一，配電系統(tǒng)自動化當(dāng)中往往涉及多種先進(jìn)技術(shù)，主要技術(shù)包括無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)技術(shù)、計算機(jī)處理技術(shù)與自動控制系統(tǒng)技術(shù)等，并且同時需要各種先進(jìn)設(shè)備與傳統(tǒng)科學(xué)管理操作方式的相互配合。智能配電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，不僅能夠有效提升供電管理效率、提高電能質(zhì)量，還能夠減少配電管理系統(tǒng)的故障發(fā)生率以及維護(hù)管理成本，能夠使智能供電系統(tǒng)的可靠性大幅提升。目前，常見的各種自動化電源配電系統(tǒng)有以下幾種方式，首先是直接運(yùn)用各種自動化電源開關(guān)等配電設(shè)備，發(fā)生配電故障時，它能夠起到有效的保護(hù)作用。

3.3 云端生活

5G無線通信技術(shù)也是云端生活的核心技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加速發(fā)展催生了“云”這一概念，以此概念為前提，云計算在很多行業(yè)都得到了應(yīng)用，加快了各個行業(yè)的轉(zhuǎn)型，對于企業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動作用。在原先的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)下，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可以存儲的信息量相對有限，而在大數(shù)據(jù)時代下的數(shù)據(jù)量龐大，需存儲的數(shù)據(jù)量較多，傳統(tǒng)的信息網(wǎng)絡(luò)顯然難以滿足實(shí)際需求，而云計算下的網(wǎng)絡(luò)信息存儲量龐大，完全可滿足當(dāng)下行業(yè)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)信息存儲、傳輸需求。隨著數(shù)據(jù)傳輸流量的不斷增加與數(shù)據(jù)傳輸速度的不斷提升，能夠?yàn)樵朴嬎慵夹g(shù)的廣泛運(yùn)用給予更多的安全保障。5G移動通信與云計算的融合是大勢所趨，在很多行業(yè)內(nèi)都有關(guān)于2者融合的應(yīng)用，如銀行、電信運(yùn)營商等企業(yè)中，這些是必備技術(shù)，在應(yīng)用與探索中，取得了顯著的應(yīng)用成效，凸顯了5G無線通信技術(shù)優(yōu)勢的同時給一些傳統(tǒng)企業(yè)的轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)思路。[2]。

3.4 滿足光場相機(jī)技術(shù)要求

對于光相機(jī)來說，最重要的技術(shù)支撐就是光場技術(shù)，在使用過程中無需提前關(guān)注。在拍照的過程中，只需要進(jìn)行構(gòu)圖操作。拍攝任務(wù)中，對被拍攝的物體沒有太多嚴(yán)格的要求，只要在相機(jī)焦距范圍內(nèi)的任何形式都可以對焦即可。但需要注意的是，拍照階段，要有效記錄相機(jī)焦距內(nèi)的所有光線信息，這對相機(jī)的容量提出了更高的要求，不僅相機(jī)的存儲空間非常大，并且確保相機(jī)的傳輸速率非?？?。因此，5G無線通信技術(shù)可以得到有效應(yīng)用，從而起到很好的安全保護(hù)作用[3]。

3.5 5G無線通信技術(shù)促進(jìn)安卓系統(tǒng)驅(qū)動與基礎(chǔ)性文件的分離，提升安全加密等級

目前，應(yīng)用最廣泛的移動設(shè)備終端系統(tǒng)是Android系統(tǒng)。對于Android系統(tǒng)，它是基于Linux開發(fā)的無代碼系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，主要特征呈現(xiàn)分層架構(gòu)，不僅包括運(yùn)行時層，還包括系統(tǒng)內(nèi)核層和應(yīng)用程序框架層。對于系統(tǒng)內(nèi)核層，主要采用5G無線通信技術(shù)和納米技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Android硬件驅(qū)動和基礎(chǔ)文件相互隔離。另外，在Android系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，為了保證系統(tǒng)具有非常高的安全性，可以利用5G納米技術(shù)優(yōu)異的保密性來提高加密等級。

3.6 5G無線通信技術(shù)有效解決云計算信息傳遞延時問題，增強(qiáng)信息共享的可靠性

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，移動云計算的應(yīng)用范圍變得非常廣泛，能夠及時處理數(shù)據(jù)信息，從而大大提高移動設(shè)備和云計算終端的計算能力，共享信息的能力也變得非常好，但特別重要的是，云計算終端和移動設(shè)備在數(shù)據(jù)交換過程中經(jīng)常遇到的網(wǎng)絡(luò)延遲問題，使得信息傳輸非常慢，很難保證實(shí)時信息。5G無線通信技術(shù)的有效應(yīng)用，可以保證技術(shù)在異構(gòu)狀態(tài)下良好共存，使移動設(shè)備能夠有效應(yīng)用差異化通信技術(shù)，接入云服務(wù)[4]。

4 5G無線通信技術(shù)的應(yīng)用前景

4.1 推動汽車行業(yè)進(jìn)入智能時代

在5G的帶動下，物聯(lián)網(wǎng)市場將從2016年的9 300億元增長到2020年的18 300億元，車聯(lián)網(wǎng)市場將從2015年的330億元增長到2020年的2 200億元。2019年1月16日，我國首個5G自動駕駛應(yīng)用示范公共服務(wù)平臺在重慶正式啟動，自動駕駛汽車年內(nèi)將在5G環(huán)境下開展測試研究。借助5G網(wǎng)絡(luò)的商用布局，自動駕駛可望在2025年進(jìn)入市場推廣階段，實(shí)現(xiàn)人、車、環(huán)境協(xié)同一致的目標(biāo)，推動汽車行業(yè)走向自動駕駛的智能時代。

4.2 推動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域快速發(fā)展

5G將進(jìn)一步應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、安防等領(lǐng)域，可以大大提升這些領(lǐng)域的生產(chǎn)效率，創(chuàng)造新的生產(chǎn)方式。例如，5G技術(shù)可以成功地用于遠(yuǎn)程醫(yī)療，它可以將延遲減少到近乎即時的水平。不久前，福建省一名外科醫(yī)生利用5G網(wǎng)絡(luò)在偏遠(yuǎn)地區(qū)控制機(jī)械臂進(jìn)行外科手術(shù)，成功切除了一只實(shí)驗(yàn)動物的肝臟，延遲僅0.1 s。可見，5G是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的關(guān)鍵一環(huán)，將引發(fā)深刻的社會經(jīng)濟(jì)變革。它提供了一個很好的創(chuàng)新平臺，將催生許多新的產(chǎn)業(yè)。正是因?yàn)閼?yīng)用前景廣闊，中國政府大力推動5G商用，加快5G商用步伐，有利于支撐服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型，同時促進(jìn)國內(nèi)市場的強(qiáng)勁發(fā)展[5]。

5 結(jié) 論

5G移動通信屬于前沿性的通信技術(shù)，我國雖然在此領(lǐng)域取得了一系列的成果，但由于發(fā)展時間較短，技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用方面尚未進(jìn)入成熟階段，在未來還有著巨大的發(fā)展空間。5G移動通信在未來不會局限在某一方向，將多方發(fā)力，以凸顯技術(shù)優(yōu)勢，從網(wǎng)絡(luò)安全、人工智能、云計算等多個角度，全面提升5G的服務(wù)水平。在我國通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程中，5G將會扮演一個重要的角色，對于提高人們的生活質(zhì)量而言十分重要。