5G 通信技術應用場景及關鍵技術分析

邵逸杰

（蘇州科技大學石湖校區，江蘇 蘇州215000）

自19 世紀80 年代移動通信出現到現在，已經過去了將近40年，它在提高我們的生活水平和生活質量的同時，也提高了國內移動通信的研究能力并且產生了新一代技術革新的需求。從2010 年誕生的4G 系統到當下，不斷有新的技術產生，也不斷有新的需求出現。隨著大型MIMO技術，超寬帶技術和非正交多址技術的出現，為新一代的5G通信技術提供了理論基礎。

1 5G 與其他移動通信方式的聯系與區別

1987 年第一代通信技術在中國出現，采用了模擬通信系統的第一代通信技術主要的優點是簡單直觀，但是和2G 的數字通信系統相比，在保密和抗干擾能力方面存在較大的缺陷。3G 利用蜂窩傳輸技術，提高了數據傳輸的速度，并且可以同時傳輸音頻和數據信息。當時的中國移動自主研發的TD-SCDMA 技術成為了我國通信技術發展歷史上的里程碑。TD-SCDMA采用了時分復用雙工技術，使得傳輸速度可以達到2Mbps。2010 年以后，4G采用時分復用，頻分復用，碼分復用和正交多址技術等，使得可以承載的終端數量大大提高，4G基站在全國各地加緊建設。截止到2019 年9月底，移動通信基站總數達808 萬個，其中4G 基站總數為519 萬個，占64.2%。現在，國際電信聯盟也發表聲明，5G 被命名為IMT-2020,暗示5G的標準化將會在2020 年形成。

5G 與之前通信技術不同的是，它將有更多元化的應用，應用的場景和對像也會十分的多樣。其中，最令人期待的是超寬帶技術，大型MIMO 技術和非正交多址技術會在5G 中使用和體現，為完成提高信息傳輸速率、減低傳輸誤差和優化用戶體驗的目標提供支撐。新的革新代表著新的機遇以及新的挑戰，具有低能耗、低時延、高效率的5G 通信技術值得討論發展，為5G 技術的普及提升和應用開拓更廣闊的領域。

2 5G 通信技術的應用場景

對5G 通信技術的應用場景進行整理，這不僅對技術人員在宏觀上形成認知，在思維層面也可以產生系統性的理解，明確5G技術的注意事項使用標準，強化技術人員使用時的針對性和有效性。長久以來，通信技術主要在提供寬帶服務方面集中服務，隨著5G 技術的發展，每秒可以傳輸的信息速度達到10G，可以服務的終端密度達到原來的100 倍以上，因此5G 通信技術受時空影響較少。因此，通信技術將會普及到移動醫療，智慧城市和移動電網等物聯網服務應用中。

從5G 部署方面來看，它擁有的大規模特點，使得5G 通信技術分布在人口密度大的小區，市中心等地。在這種場景中，每個終端和基站之間的距離不同，信號在傳輸過程中的損耗也不同，從而導致信噪比有明顯的差異。同時在此場景中，人口密度大具有的天線數量也多，數量龐大的用戶需要更高效的通信服務。因此采用了超寬帶技術和非正交多址技術的5G 通信系統將提供更穩定的通信服務。

5G技術所擁有的低時延特點讓它能在多種場景中發揮作用。比如，對時間把控要求非常高的制造業中，及時地快速地低時延地反饋將起到至關重要的作用。還有在智慧交通方面的使用，即使是一毫秒的時延也無可忽視，否則可能對即將發生的事故不能有效避免。

3 5G 通信技術的關鍵技術

3.1 無線傳輸技術

3.1.1 大型MIMO技術。此技術通過使用多種天線對同一信號進行同步收發工作，通過多種天線不同的特性來提升接受和發送能力，即多入多出。MIMO技術可以在不增加帶寬的前提下將信道容量提升數倍，所以MIMO 技術被稱為5G 通信的核心技術。在4G 時代中，OFED（正交頻分復用技術）技術推動了多天線技術的發展，讓天線信道從2T2R 增加到8T8R，最后實現了8T16R 的信道發展。假如增加天線的數量，就可以維持幾十個相互獨立的空間數據流，進一步提高頻帶利用率和信道容量，從而使得5G 技術可以支持的終端數量極大增加。

3.1.2 超寬帶技術。超寬帶技術（UWB，Ultra Wide Band）是一種新型的無線通信技術。它最主要的特點是，直接對信號進行調制，使得帶寬可以達到GHZ的級別。同時提高了數據傳輸速率，可以分辨納秒級別的時間，相比于藍牙技術和Wi-Fi 技術，超寬帶技術大大降低了時延。同時UWB技術不需要載波，只在發送信號是需要消耗能量，所以具有低能耗的特點。將UWB技術結合在5G通信系統中，對智慧交通領域的發展起到了很大的推動作用，提高了系統在車輛位置、車間距離、快速反應能力。裝載了UWB 技術的汽車具有了防碰撞和檢測障礙物的能力，尤其在停車過程中為駕駛員提供了周圍環境的信息。超寬帶技術在對時間把控要求非常高的制造業中也可以發揮作用。綜上所述，超寬帶技術為5G通信技術在低時延、低功耗方面的應用提供了技術支撐。

3.1.3 非正交多址技術。多址技術也是無線通信的基礎技術之一，每一代無線通信技術的革新都伴隨著多址技術的進步。隨著網絡需求的不斷擴張，多址技術也需要再一次的革新，傳統的正交多址技術的性能已經難以滿足現在的需求。時分多址是將時間域等量的劃分為數個小時間域，每個用戶在自己的小時間域中發送和接收信息。頻分多址是將頻域等量的劃分產生等量頻段的信道，每個用戶使用各自的頻段收發信息。這兩種方法的缺點是不能無限的分割時間域和頻域，以免造成嚴重的互相干擾。4G 中廣泛應用的正交多址原理是分配地址碼，只有同樣的地址碼相乘求積分等于1，不同的地址碼相乘求積分等于0（即地址碼滿足正交）。這種方法缺點是沒有足夠的地址碼。因此，在5G通信系統中需要引入非正交多址技術，以滿足越來越多的用戶需求。

3.2 無線網絡技術

3.2.1 NFV技術和SDN技術。無線傳輸技術側重于提高5G通信技術對數據的傳輸能力，無線網絡技術側重于優化用戶的體驗，同時減少數據傳輸錯誤所產生的資源浪費。進一步完善了5G 通信技術。NFV 技術又稱網絡虛擬化技術，一般來說計算機的運算速率很快，但是需要的數據由網絡提供，所以產生了計算機因為數據的不及時提供導致宏觀上降低運算速率的情況。因此NFV技術是將網絡虛擬化，即將一臺計算機里應用的網絡集中起來，去除所需要的網絡設備。這樣就可以釋放掉一些“待機”狀態下占用的網絡資源，盡量多的利用于正需要網絡的應用，從而提高網絡速度，計算機的運轉也將更快，用戶的體驗就會提高。與此同時，不再依賴網絡設備既可以讓應用開發者更早地發布產品，也可以讓用戶降低對硬件的需求，減少硬件的更換。

SDN 技術的核心是將網絡結構虛擬化。從以往的情況來看，一個節點從外部獲得信息后，只能傳輸到相鏈接的其他節點，所以要最終到達目的節點，中間需要經過數個中間節點，一個網絡越大越復雜，這一過程所需要的時間和資源就越多。并且，如果兩個節點間的鏈接出現問題，節點并不會解決或者發現問題，它會繼續不停地輸送信息，不僅降低了傳輸的速率，所產生的冗余信息還會引發錯誤，需要額外的資源來清除冗余，進一步降級速率。SDN 技術則是將節點之間的鏈接虛擬化，產生一個擁有同樣節點的虛擬網絡。當一個節點接受到外部信息，首先反應給虛擬網絡，虛擬網絡會實時改變節點之間的鏈接，是網絡結構達到傳輸最快的狀態。

3.2.2 D2D通信。D2D技術是指兩個同等級的節點可以在不依靠基站的前提下直接進行短距離信息交流的技術，有效地節省了網絡資源，提高了頻帶利用率，減少4G 中存在的基站壓力過大而導致網絡不穩定的情況。可以結合蜂窩通信技術，將區域劃分成蜂窩的樣子，每一個六邊形內的交流可以直接進行，相隔的交流在經過基站。但是加入5G 通信系統也同樣存在困難，首先，D2D 技術提供的通信能力需要進一步地提高，不僅要增加能夠通信的距離，還要優化通信的質量和保密性。其次，D2D通信本身會不會對傳統通信方式造成干擾，還需要進一步的研究和優化。

4 結論

5G 通信系統總的來說就是在4G 的基礎上盡可能多地應用近年來提出的各種技術，同時在傳輸技術和網絡技術上尋找突破口，根本的做法都是盡量增加傳輸資源和網絡資源的利用效率，在傳統的通信技術中搜尋再次利用的可能。盡管存在著一些未確定的情況和未攻克的難題，但只要全體全身心地投入進去，一定可以實現5G通信系統的實用性和商業化的推廣。