5G無(wú)線通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

徐 鋒

（湖南省通信建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引 言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)深入社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，改變了人們的生產(chǎn)生活方式，并逐漸與工業(yè)、醫(yī)療以及交通行業(yè)等深度融合，促進(jìn)社會(huì)各行各業(yè)的智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。5G無(wú)線通信技術(shù)在4G無(wú)線通信技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)。與4G無(wú)線通信技術(shù)相比，5G無(wú)線通信技術(shù)具有高傳輸速率、大連接、低時(shí)延等優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用于更多場(chǎng)景，為用戶提供多元化的體驗(yàn)服務(wù)。基于該背景，文章詳細(xì)探討5G無(wú)線通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)5G無(wú)線通信技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用力度，從而更好地為人們提供服務(wù)，推動(dòng)社會(huì)不斷發(fā)展。

1 5G無(wú)線通信技術(shù)概述

1.1 5G無(wú)線通信技術(shù)概念

5G無(wú)線通信技術(shù)是新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)。國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）定義了5G無(wú)線通信技術(shù)的8項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)和3類應(yīng)用場(chǎng)景，其中較為突出的關(guān)鍵性能指標(biāo)為高速率、低時(shí)延、大連接。3類應(yīng)用場(chǎng)景包括面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（enhance Mobile Broad Band，eMBB），面向自動(dòng)駕駛、工業(yè)控制以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域的超高可靠低時(shí)延通信（ultra Reliable and Low Latency Communications，uRLLC），面向環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧城市以及智能家居的海量機(jī)器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）[1]。隨著我國(guó)移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，5G無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新，性能指標(biāo)更加優(yōu)越。例如，空中接口時(shí)延低至1 ms，峰值速率達(dá)到10～20 Gb/s，能夠達(dá)到10 Mb/（m2·s）及以上的流量密度，可以更好地滿足移動(dòng)數(shù)據(jù)流量快速增長(zhǎng)的需求，服務(wù)更多用戶。

1.2 5G無(wú)線通信技術(shù)特征

1.2.1 頻譜利用率高

如何在有限的頻譜資源中融合更多的用戶，始終是無(wú)線通信領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容。在5G無(wú)線通信技術(shù)中，運(yùn)用頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）、時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TMDA）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）3大主流復(fù)用技術(shù)，可以大大提高頻譜利用效率，從而高效應(yīng)用高頻段頻譜資源。目前，信息技術(shù)的發(fā)展水平有待提高，高頻段無(wú)線電波的穿透能力有限，導(dǎo)致高頻段頻譜資源的利用效率較低。

1.2.2 通信系統(tǒng)性能優(yōu)越

基于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)理念的無(wú)線通信技術(shù)，核心目標(biāo)在于信息編譯碼和點(diǎn)點(diǎn)之間的物理層面?zhèn)鬏數(shù)燃夹g(shù)。5G無(wú)線通信技術(shù)主要將研究重點(diǎn)放在多點(diǎn)、多天線、多用戶以及多小區(qū)的組網(wǎng)和協(xié)作方面，因此基于5G無(wú)線通信技術(shù)支持的通信系統(tǒng)性能更加優(yōu)越。

1.2.3 設(shè)計(jì)理念先進(jìn)

室內(nèi)通信業(yè)務(wù)在通信業(yè)務(wù)中占據(jù)主導(dǎo)地位，因此5G無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)以室內(nèi)通信業(yè)務(wù)為主，具體包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能及其業(yè)務(wù)支撐能力。尤其是5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的“軟”配置設(shè)計(jì)，使得運(yùn)營(yíng)商能夠根據(jù)業(yè)務(wù)流量變化科學(xué)、合理地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，從而降低能耗，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源運(yùn)營(yíng)成本。這是5G無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展和探索的主要方向之一。

2 5G無(wú)線通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 OFDMA技術(shù)

正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技術(shù)是一種多址接入技術(shù)。OFDMA多址接入系統(tǒng)將整個(gè)頻帶劃分為一系列子載波集，將傳輸數(shù)據(jù)加載在部分子載波上再分配給不同的用戶。OFDMA主要分為子信道OFDMA和跳頻OFDMA。其中：子信道OFDMA對(duì)子載波的分配相對(duì)固定；跳頻OFDMA不依賴信道條件，無(wú)論信道條件和時(shí)隙如何變化，用戶都可以使用子載波發(fā)送。需注意，不同用戶占用的子載波互不重疊，不會(huì)發(fā)生沖突。OFDMA系統(tǒng)可以根據(jù)用戶業(yè)務(wù)量大小動(dòng)態(tài)分配子載波數(shù)量，能夠提高系統(tǒng)資源的利用率，還能抵抗無(wú)線傳輸環(huán)境中頻率的選擇性衰落，從而獲得較高的頻譜利用率。未來(lái)，需要繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)OFDMA技術(shù)的研究，充分發(fā)揮其頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)、抵抗多徑效應(yīng)好等優(yōu)勢(shì)，為5G無(wú)線通信技術(shù)和6G無(wú)線通信技術(shù)的傳輸提供更多的技術(shù)支持[2]。

2.2 MIMO技術(shù)

多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)是一種相當(dāng)復(fù)雜的天線分集技術(shù)。該技術(shù)的原理是在發(fā)送端使用多根發(fā)送天線，在接收端使用多根接收天線，使得收發(fā)之間具備多個(gè)信道天線系統(tǒng)來(lái)傳輸信號(hào)[3]。信號(hào)傳輸過程中，多徑效應(yīng)會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，而MIMO系統(tǒng)可以在既不增加發(fā)射功率又不用增加帶寬的情況下，利用多徑效應(yīng)擴(kuò)大系統(tǒng)容量和覆蓋范圍，保證信號(hào)傳輸質(zhì)量。MIMO技術(shù)主要分為空間分集和空間復(fù)用?？臻g分集技術(shù)的原理是針對(duì)具有相同信號(hào)的信息，發(fā)送端使用多根發(fā)送天線以不同路徑發(fā)送出去，接收端利用接收天線獲得同一數(shù)據(jù)符號(hào)的多個(gè)獨(dú)立衰落的信號(hào)，從而獲得最大分集增益，增強(qiáng)接收信號(hào)的可靠性。空間復(fù)用技術(shù)的原理是劃分傳輸數(shù)據(jù)形成幾個(gè)數(shù)據(jù)流后利用不同天線傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。在5G無(wú)線通信系統(tǒng)中，主要應(yīng)用大規(guī)模MIMO技術(shù)，即配置多個(gè)基站端和若干數(shù)量的天線。若干數(shù)量的天線可以組成大規(guī)模天線矩陣，能夠?yàn)槎鄠€(gè)用戶提供服務(wù)，消除用戶間的通信干擾，滿足用戶對(duì)通信服務(wù)的要求，從而提高用戶滿意度。

2.3 D2D通信技術(shù)

終端直通（Device to Device，D2D）通信技術(shù)的原理是2個(gè)對(duì)等的用戶設(shè)備在一定距離范圍直接通信。D2D通信技術(shù)具有明顯的技術(shù)特征，使用的是蜂窩系統(tǒng)的頻段，即使通信雙方的距離增加，也能夠保證通信質(zhì)量不變，同時(shí)具有信道質(zhì)量高、傳輸速率快、時(shí)延低等優(yōu)點(diǎn)[4]。隨著D2D通信技術(shù)的不斷發(fā)展，它可以應(yīng)用在不同的網(wǎng)絡(luò)中。例如，基于D2D通信技術(shù)構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)既可以接收信號(hào)又可以發(fā)送信號(hào)，能夠加強(qiáng)鏈路傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)能力，解決突發(fā)性通信問題。D2D通信技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以加強(qiáng)用戶之間的信息交互，緩解無(wú)線通信系統(tǒng)頻譜資源匱乏的問題。

2.4 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算技術(shù)的原理是將巨大的數(shù)據(jù)計(jì)算程序使用網(wǎng)絡(luò)“云”分解成無(wú)數(shù)個(gè)小程序，然后處理和分析這些小程序，再將結(jié)果反饋給用戶。云計(jì)算技術(shù)屬于一種分布式計(jì)算技術(shù)，可以在幾秒鐘完成數(shù)以萬(wàn)計(jì)的數(shù)據(jù)處理，從而為用戶提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[5]。現(xiàn)階段，云計(jì)算不僅能夠?qū)崿F(xiàn)分布式計(jì)算，還能夠?qū)崿F(xiàn)效用計(jì)算、并行計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)存以及虛擬化等。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式相比，云計(jì)算具有高靈活性、高性價(jià)比以及可擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)。將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于5G無(wú)線通信系統(tǒng)，可以改善5G無(wú)線通信系統(tǒng)的應(yīng)用效果。首先，云計(jì)算技術(shù)的高靈活性和可擴(kuò)展性能夠豐富5G無(wú)線通信技術(shù)的功能，使其能夠應(yīng)用于更多場(chǎng)景。其次，基于云計(jì)算技術(shù)，通信系統(tǒng)能夠自動(dòng)分配網(wǎng)絡(luò)資源，有利于提高資源的利用率，降低能耗。最后，應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)能夠提高數(shù)據(jù)傳輸效率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2.5 綠色通信技術(shù)

綠色通信技術(shù)是新一代通信理念，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排、減少環(huán)境污染以及避免資源浪費(fèi)等目標(biāo)[6]。綠色通信技術(shù)通過使用智能溫控、多載波以及分布式等技術(shù)，改造能耗較高的基站，從而達(dá)到綠色節(jié)能的目的。隨著我國(guó)通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，綠色通信技術(shù)不斷發(fā)展，5G無(wú)線通信系統(tǒng)逐漸融入綠色通信理念，采取相應(yīng)的調(diào)整措施，改善5G通信系統(tǒng)能耗大的問題。例如：針對(duì)5G基站器件功率大的問題，可以根據(jù)5G無(wú)線通信業(yè)務(wù)量變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；針對(duì)5G通信系統(tǒng)器件功放單元功耗大的問題，可以采用主動(dòng)縮減其信號(hào)包絡(luò)的峰值因子來(lái)降低功耗；針對(duì)5G通信系統(tǒng)傳輸功耗大的問題，可以通過科學(xué)合理應(yīng)用高能效傳輸技術(shù)，優(yōu)化其鏈路層傳輸功率。5G無(wú)線通信基站主要由電源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明裝置、配電系統(tǒng)以及收發(fā)設(shè)備5部分組成。實(shí)際運(yùn)行過程中，這5部分會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的能耗，其中空調(diào)系統(tǒng)耗能占據(jù)46%，收發(fā)設(shè)備耗能占據(jù)43%，電源系統(tǒng)、照明裝置、配電系統(tǒng)共占11%的耗能。。為了降低空調(diào)系統(tǒng)耗能和收發(fā)設(shè)備耗能，可以在5G無(wú)線通信基站中設(shè)置自動(dòng)化控制系統(tǒng)，監(jiān)控空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，合理調(diào)控空調(diào)功率，從而降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。此外，可以采用分布式基站組網(wǎng)防水和智能關(guān)斷技術(shù)控制基站收發(fā)設(shè)備，降低收發(fā)設(shè)備的能耗。

3 5G無(wú)線通信技術(shù)中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

3.1 在車聯(lián)網(wǎng)與自動(dòng)化駕駛方面的應(yīng)用

近年來(lái)，我國(guó)車輛的數(shù)量不斷增多，但是交通信息化水平不高，無(wú)法有效解決交通堵塞和交通安全問題?；?G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延特點(diǎn)，5G車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。運(yùn)用該技術(shù)能夠?yàn)槠嚭徒煌ㄐ袠I(yè)提供如車載虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）視頻通話和實(shí)景導(dǎo)航等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，推動(dòng)汽車和交通應(yīng)用服務(wù)的智能化升級(jí)?；?G無(wú)線通信技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，如圖1所示。一方面，車輛可以實(shí)時(shí)對(duì)外廣播車輛的基本安全消息，包括車輛自身定位和車輛的運(yùn)行狀態(tài)等；另一方面，車輛可以廣播交通管理與指示信息，包括交通燈和電子標(biāo)志標(biāo)識(shí)等，引導(dǎo)車輛安全通過交通路口，并且實(shí)現(xiàn)路口碰撞預(yù)警，為車輛安全駕駛提供安全保障。此外，5G車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以應(yīng)用于多種場(chǎng)景，如遠(yuǎn)程遙控駕駛和車輛編隊(duì)行駛等。

圖1 基于5G通信技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

3.2 在智慧城市方面的應(yīng)用

在城市化水平和5G無(wú)線通信技術(shù)水平不斷提高的背景下，如何打造智慧城市受到人們的關(guān)注。5G無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用可以大大促進(jìn)城市服務(wù)管理水平的提高。一是助力城市安防監(jiān)控。5G無(wú)線通信技術(shù)與大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)充分結(jié)合，能夠精準(zhǔn)識(shí)別人臉、行為、車輛以及特殊物品，盡早發(fā)現(xiàn)可能存在的危險(xiǎn)，增強(qiáng)危險(xiǎn)預(yù)判能力和快速響應(yīng)能力。二是助力城市安全巡檢?；?G無(wú)線通信技術(shù)的無(wú)人機(jī)、無(wú)人車、機(jī)器人等，能夠?yàn)榘卜姥矙z工作提供便利，提高城市日常巡查的效率。三是助力城市應(yīng)急救援。城市應(yīng)急救援過程中，運(yùn)用5G通信保障車與衛(wèi)星回傳技術(shù)，能夠加強(qiáng)5G網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，迅速定位救援位置。同時(shí)，5G無(wú)線通信技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)的結(jié)合，使指揮人員能夠及時(shí)、全面、直觀地了解現(xiàn)場(chǎng)情況，為應(yīng)急救援方案的制定提供重要依據(jù)，大大提高應(yīng)急救援效率[7]。

3.3 在醫(yī)療領(lǐng)域方面的應(yīng)用

醫(yī)療作為城市服務(wù)體系的重要組成部分，是人們關(guān)注的重點(diǎn)。醫(yī)療領(lǐng)域中，基于5G無(wú)線通信技術(shù)的醫(yī)療應(yīng)用場(chǎng)景主要包括遠(yuǎn)程醫(yī)療和應(yīng)急救護(hù)等，有利于提高醫(yī)療行業(yè)的服務(wù)能力和醫(yī)療服務(wù)管理水平。在現(xiàn)有的智慧醫(yī)療體系中應(yīng)用5G無(wú)線通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程會(huì)診、醫(yī)學(xué)影像、電子病歷等服務(wù)。例如，基于5G無(wú)線通信技術(shù)搭建遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)用，包括遠(yuǎn)程查房、遠(yuǎn)程閱片、床旁遠(yuǎn)程會(huì)診等，大大緩解醫(yī)療資源緊張的問題，為危重癥患者救治提供有力支持。

4 結(jié) 論

5G無(wú)線通信技術(shù)作為新一代通信技術(shù)，具有頻譜利用率高、通信系統(tǒng)性能優(yōu)越以及設(shè)計(jì)理念先進(jìn)等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，能夠滿足用戶對(duì)通信多樣化的需求。文章主要探討5G無(wú)線通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，包括OFDMA技術(shù)、MIMO技術(shù)、D2D技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)以及綠色通信技術(shù)，并從車聯(lián)網(wǎng)與自動(dòng)化駕駛、智慧城市以及醫(yī)療領(lǐng)域分析5G無(wú)線通信技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)的具體應(yīng)用，以期提高5G無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用水平。未來(lái)，相關(guān)工作者需要加強(qiáng)對(duì)5G無(wú)線通信技術(shù)中關(guān)鍵技術(shù)的研究，推動(dòng)我國(guó)通信行業(yè)不斷進(jìn)步，為社會(huì)發(fā)展提供技術(shù)支持。