梁國(guó)鑫

（青島科技大學(xué)，山東 青島 266100）

0 引 言

5G無線通信技術(shù)是新型技術(shù)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究認(rèn)為，應(yīng)用5G技術(shù)可支持大規(guī)模通信連接、顯著縮短通信延時(shí)、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(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，探討其應(yīng)用和發(fā)展前景。

1 5G通信技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

國(guó)際電信聯(lián)盟提出，5G主要應(yīng)用于增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶場(chǎng)景（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、高可靠低時(shí)延通信場(chǎng)景（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）以及大規(guī)模機(jī)器通信場(chǎng)景（massive Machine Type of Communication，mMTC）。5G無線通信應(yīng)用中用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸速率超過100 Mb/s，數(shù)據(jù)速率峰值可達(dá)10 Gb/s以上。通信線路中端口與端口之間的延遲時(shí)間為毫秒級(jí)，無線電延遲不超過1 ms，基礎(chǔ)設(shè)施IP層可用分組、終端IP層分組可行性持續(xù)時(shí)間較短。5G在設(shè)備連接方面也實(shí)現(xiàn)突破，接入性能優(yōu)化，靈活性更強(qiáng)，應(yīng)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(wù)發(fā)展。傳統(tǒng)通信時(shí)，依賴網(wǎng)絡(luò)布局和人工運(yùn)維，需要投入大量的人力、物力資源，運(yùn)營(yíng)成本控制困難，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化受限。利用數(shù)據(jù)分析，依靠相關(guān)技術(shù)，5G網(wǎng)可優(yōu)化用戶體驗(yàn)，改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[1]。

在信息時(shí)代，信息安全是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展必須予以重視的問題。在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，5G技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)是信息安全性較好，可有效進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)防護(hù)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)惡性攻擊等具有較好的防護(hù)性能，網(wǎng)絡(luò)總體穩(wěn)定性較好。在實(shí)施5G安全技術(shù)控制時(shí)，動(dòng)態(tài)構(gòu)建5G體系，應(yīng)急處理能力更強(qiáng)，數(shù)據(jù)分析質(zhì)量更高，可保障相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于突發(fā)性或緊急性網(wǎng)絡(luò)事件，5G通信網(wǎng)絡(luò)具有更好的安全防御能力。在當(dāng)前無線網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，5G技術(shù)可良好適應(yīng)不同領(lǐng)域的需求，對(duì)于建設(shè)信息安全的智慧城市等具有重要意義[2]。

2 5G無線通信關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)可用于提高通信可靠性。與常規(guī)MIMO技術(shù)相比，利用大規(guī)模MIMO技術(shù)可以在基站端建設(shè)大規(guī)模天線列陣，支持多個(gè)用戶同時(shí)頻通信業(yè)務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。該技術(shù)可在同一時(shí)頻資源內(nèi)進(jìn)行海量數(shù)據(jù)流傳輸，同時(shí)利用預(yù)編碼技術(shù)解決嚴(yán)重自擾和導(dǎo)頻污染問題。

2.2 毫米波

低頻帶無線通信難以滿足時(shí)代需求，必須探索新的頻譜資源。毫米波指波長(zhǎng)在1～10 mm的電磁波，處于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長(zhǎng)范圍，兼有兩種波譜的特點(diǎn)。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(shù)可開展大規(guī)模天線列陣施工，結(jié)合預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模MIMO系統(tǒng)創(chuàng)建，減弱外界磁場(chǎng)干擾，保證信號(hào)收發(fā)質(zhì)量和速度。毫米波技術(shù)在大規(guī)模天線列陣中的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 毫米波技術(shù)在大規(guī)模天線列陣中的應(yīng)用

2.3 波束成形技術(shù)

利用波束成形技術(shù)可消除外界干擾，解決天線列陣造成的信號(hào)功率損失等問題，提高信號(hào)傳輸質(zhì)量。在波束成形中存在眾多天線陣列波源，科學(xué)控制波幅，集中電磁波輻射能量，保證接收機(jī)順利接收信號(hào)，電磁波輻射能量散射較少，從而降低其他接收設(shè)備受到的干擾。應(yīng)用該技術(shù)可以加權(quán)合成處理多信號(hào)，促進(jìn)信號(hào)集中傳輸。

2.4 D2D通信技術(shù)

所謂D2D通信技術(shù)，即指兩個(gè)對(duì)等用戶節(jié)點(diǎn)直接通信。D2D通信網(wǎng)絡(luò)中，用戶節(jié)點(diǎn)均可發(fā)送信號(hào)、接收信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)消息。其中，部分硬件資源可在網(wǎng)絡(luò)參與者中共享。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)使用上述共享資源時(shí)，用戶無需經(jīng)過中間實(shí)體，可以直接訪問。5G通信用戶節(jié)點(diǎn)可互相接收、轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，促進(jìn)設(shè)備間順利通信，不受基站束縛，可提高頻譜效率。復(fù)用小區(qū)社會(huì)資源時(shí)會(huì)干擾下行鏈路用戶，通過干擾協(xié)調(diào)、資源優(yōu)化可有效降低D2D通信負(fù)面影響，提高通信質(zhì)量。

2.5 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的構(gòu)建

在5G通信技術(shù)應(yīng)用中，必須構(gòu)建新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。5G通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建設(shè)以傳統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過新型多元化通信技術(shù)改造，完善網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)異構(gòu)結(jié)構(gòu)，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(luò)架構(gòu)的重要組成部分，符合5G通信技術(shù)的應(yīng)用要求。5G無線通信技術(shù)應(yīng)用后可提高運(yùn)行速度，應(yīng)用多種技術(shù)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。以長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）接入網(wǎng)為例，構(gòu)建此種網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可顯著降低系統(tǒng)時(shí)延，同時(shí)減少建設(shè)成本和維護(hù)成本。C-RAN架構(gòu)是5G未來接入網(wǎng)的可行性結(jié)構(gòu)，以集中化處理為特點(diǎn)，所用無線電為協(xié)作模式，還可進(jìn)行實(shí)時(shí)云計(jì)算。在其應(yīng)用時(shí)，所用的光傳輸網(wǎng)絡(luò)不僅速度更快，且成本更低，將無線信號(hào)從遠(yuǎn)端天線傳輸至集中節(jié)點(diǎn)，服務(wù)區(qū)域覆蓋面較廣[3]。

2.6 移動(dòng)邊緣計(jì)算

移動(dòng)邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing，MEC)是通過就近無線接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)云端計(jì)算功能和IT服務(wù)等，構(gòu)建電信級(jí)服務(wù)環(huán)境。該技術(shù)性能優(yōu)于常規(guī)通信技術(shù)，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(shù)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(zhuǎn)發(fā)等，可在業(yè)務(wù)優(yōu)化處理、數(shù)據(jù)服務(wù)以及本地分流等場(chǎng)景中應(yīng)用，提高平臺(tái)開放能力，增強(qiáng)服務(wù)水平。

3 5G通信技術(shù)的具體運(yùn)用

3.1 遠(yuǎn)程醫(yī)療

5G的大帶寬特性可以傳輸多路數(shù)據(jù)，為遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)示教、精準(zhǔn)傳輸治療視頻、圖片等提供保障，還可遠(yuǎn)程及時(shí)有效開展診療活動(dòng)，把握最佳救治時(shí)間，具有較高的應(yīng)用價(jià)值[4]。此外，醫(yī)師可利用5G通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程會(huì)診來評(píng)估患者病情，對(duì)患者病情進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，有效解決基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)醫(yī)護(hù)人員緊缺的問題。不僅如此，5G通信可同時(shí)連接多個(gè)用戶終端，突破會(huì)診時(shí)間、空間局限性，在急性會(huì)診中具有重要作用[5]。

3.2 自動(dòng)駕駛

自動(dòng)駕駛技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，應(yīng)用覆蓋面持續(xù)擴(kuò)大，消費(fèi)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(dòng)駕駛技術(shù)研發(fā)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和車輛產(chǎn)品等趨于多樣化。自動(dòng)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(jìn)行交互，自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎、避讓等操作，合理調(diào)整車速和剎車，避免急剎，可以大大提高用戶的體驗(yàn)感和舒適度。不僅如此，5G通信技術(shù)的優(yōu)化對(duì)于提高自動(dòng)識(shí)別過程的反應(yīng)速度具有積極意義，同時(shí)還可以提高駕駛過程中風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的靈敏度，進(jìn)而提高自動(dòng)駕駛的安全性。

3.3 智慧城市領(lǐng)域

智慧城市是新型城市構(gòu)建理念，對(duì)城市進(jìn)行智能性和智慧化規(guī)劃、建設(shè)與運(yùn)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(jì)算機(jī)建模，能更加全面與適宜地規(guī)劃智慧城市。5G技術(shù)的應(yīng)用賦予計(jì)算機(jī)更高效的計(jì)算，從而幫助城市規(guī)劃、城鄉(xiāng)布局以及基礎(chǔ)設(shè)施配備等更加科學(xué)。另外，利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以根據(jù)智慧城市業(yè)務(wù)需求提供個(gè)性化定制服務(wù)，創(chuàng)建符合政府、企業(yè)、居民需求的服務(wù)架構(gòu)?；诔鞘星闆r和用戶分布等針對(duì)性布局，保證信號(hào)質(zhì)量，提升網(wǎng)速，改善用戶用網(wǎng)體驗(yàn)[6]。5G在智慧城市中的應(yīng)用如圖2所示。

圖2 5G在智慧城市中的應(yīng)用

3.4 信息消費(fèi)領(lǐng)域

信息消費(fèi)是現(xiàn)代商業(yè)理念，在信息消費(fèi)領(lǐng)域中，消費(fèi)對(duì)象通常并非客觀實(shí)體，而是信息服務(wù)或產(chǎn)品等。通過5G技術(shù)的應(yīng)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(duì)信息相關(guān)的生活需求和工作需求?？茖W(xué)應(yīng)用5G技術(shù)，積極滿足用戶需求，優(yōu)化信息消費(fèi)領(lǐng)域環(huán)境，改善用戶體驗(yàn)。移動(dòng)設(shè)備的普及是5G網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)支持，在分析5G技術(shù)對(duì)信息消費(fèi)領(lǐng)域的影響時(shí)，應(yīng)基于用戶數(shù)量科學(xué)分析用戶和潛在用戶的真實(shí)需求，實(shí)現(xiàn)合理規(guī)劃[7]。

3.5 教育領(lǐng)域

基于5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以全面提升教學(xué)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)全時(shí)域、全空域、全受眾覆蓋。將5G虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中，通過全息投影將名校名師課件進(jìn)行裸眼3D效果展示，支持線上交互遠(yuǎn)程教學(xué)，以優(yōu)化教育資源的分配?！?G+全息投影”技術(shù)有利于促進(jìn)校-校連接，構(gòu)建智慧教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)直播互動(dòng)教學(xué)，促進(jìn)教育優(yōu)質(zhì)資源共享[8]。此外，應(yīng)用5G構(gòu)建教育物聯(lián)網(wǎng)有利于優(yōu)化教育環(huán)境，提高教育質(zhì)量。應(yīng)用5G構(gòu)建教育網(wǎng)絡(luò)，利用物理設(shè)施和虛擬網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建教育教學(xué)高級(jí)服務(wù)模式。同時(shí)聯(lián)合應(yīng)用無線射頻識(shí)別技術(shù)、納米技術(shù)、智能技術(shù)以及傳感器技術(shù)等可構(gòu)建更完善的教育平臺(tái)[9]。智慧教學(xué)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 智慧教學(xué)系統(tǒng)

3.6 攝影攝像領(lǐng)域

攝影攝像領(lǐng)域的光場(chǎng)相機(jī)對(duì)于傳輸速率要求較高，而5G技術(shù)傳輸速率高、延遲低等優(yōu)勢(shì)能夠充分滿足光場(chǎng)相機(jī)的應(yīng)用需求[10]。光場(chǎng)相機(jī)以光場(chǎng)技術(shù)為依托，使用前無需提前聚焦，拍照時(shí)可自動(dòng)聚焦，使用者僅需構(gòu)圖拍攝即可。該類相機(jī)在執(zhí)行拍照任務(wù)時(shí)，只要被拍攝物體處于相機(jī)焦距范圍內(nèi)，即可通過任何形式對(duì)焦。在拍照聚義階段需要保證焦距內(nèi)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(chǔ)空間。

4 結(jié) 論

5G無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著。通過5G關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用可縮短信息傳輸延遲，促進(jìn)高效率傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與安全性，覆蓋范圍更廣，應(yīng)用可行性更高，全面優(yōu)化客戶體驗(yàn)。利用大規(guī)模MIMO、波束成形、毫米波、D2D通信、移動(dòng)邊緣計(jì)算和新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等，可促進(jìn)自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧城市建設(shè)，還可應(yīng)用于信息消費(fèi)領(lǐng)域、教育領(lǐng)域、智慧城市領(lǐng)域以及攝影攝像領(lǐng)域應(yīng)用等。