5G通信技術的關鍵技術與應用場景

李 維

（湖北郵電規劃設計有限公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

眾所周知，在移動通信網絡1G到4G的發展中，其通信的核心始終定位在人和人之間，而5G移動通信技術則不僅僅是將人和人之間的通信作為核心，它在人與人之間通信的基礎上也包含了人與物之間的通信以及物與物之間的通信[1]。因此，相比于1G到4G移動通信網絡，5G移動通信網絡已經實現了重大的突破，無論是在通信的時延方面、功耗方面還是在速度方面，都已經實現了顯著提升。同時，該技術的應用也可以讓現代移動通信的安全性、低成本、智能化以及高效性等的諸多需求得以全面滿足。

1 5G通信技術的關鍵技術分析

1.1 大規模天線技術

所謂大規模天線技術，就是可以將系統容量提升數十倍乃至數百倍的一種無線技術。該技術可以為多用戶的波束智能賦型，以降低用戶之間的信號干擾，讓無線信號在覆蓋性能上得到進一步改善。相比于可以對2*2MIMO天線提供支持的3G移動通信技術以及對8*8MIMO天線提供支持的4G移動通信技術，5G基站需要對天線陣列進行大規模使用，其天線的數量可以達到上百根，并借助于極化域、頻域、時域以及空域等的各種維度來實現能量和頻譜利用效率的全面提升[2]。

通過大量天線將同傳服務提供給相對比較少的用戶，該技術主要的優勢可表現在如下3個方面：第一，顯著提升了能量效率與系統容量；第二，顯著降低了上行發射以及下行發射中的能量；第三，用戶之間實現信道正交，可將噪聲和干擾消除；第四，具備了更加穩定的信道統計特征。

1.2 非正交多址接入技術（NOMA）

相比較以往的OFDMA技術，非正交多址接入技術（NOMA）的頻譜效率實現了30%～40%的提升。為符合5G對于頻譜效率提升到原來效率5～15倍的要求，可以將NOMA技術結合MIMO技術應用，這樣就可以在基站生成更多的波束，每一個波束可以服務于兩個用戶[3]。具體應用中，接收端可以通過SIC干擾連接技術以及IRC干擾抑制合并技術將干擾抵消，前者主要用來抵消波束之內的用戶干擾，后者主要用來抑制波束之間的干擾。

1.3 直接通信D2D技術

在5G通信技術中，D2D技術的應用可以讓用戶和用戶之間不通過基站就實現直接通信的目標，進而實現網絡接入以及連接方式的進一步拓展。因為D2D可以在短距離之內直接進行通信，且有著很高的信道質量，所以該技術的應用可以讓移動終端能耗以及時延得以大幅度降低，同時也可以讓頻諧資源發揮出更高的利用率。

D2D技術可以按照兩種控制類型進行劃分，具體如下。第一，集中式控制。此類控制主要是通過基站對D2D連接進行控制，移動終端可以將測量信息上報給基站，以實現基站對鏈路信息的全面獲取，但是此類控制會讓信令負荷增加。第二，分布式控制。此類控制主要是通過D2D設備來自主建立與聯系D2D鏈路。與前一種控制類型相比，此類控制可以讓D2D設備間的鏈路信息獲取變得更加便捷，但是此類控制會讓D2D設備復雜度增加。圖1是D2D技術的連接示意圖。

圖1 D2D技術的連接示意圖

1.4 超密集組網DUN技術

在5G的DUN框架中，實現了CoMP技術、D2D技術、C-RAN技術、Small Cell技術以及宏站技術等的全面融合，這就使其具備了超密集形式的組網效果，可以實現網絡覆蓋的良好改善，讓系統容量得以大幅度提升，進而實現網絡部署的靈活性和頻率復用的高效性[4]。在5G通信技術中，超密集DUN組網形式主要有兩種，第一種是宏基站加微基站形式的組網，第二種是微基站加微基站形式的組網。前者可以實現控制和承載之間的良好分離，讓容量和覆蓋都單獨實現優化設計，這樣就可以在密集組網的條件下避免頻繁切換，讓資源利用率和用戶體驗得到進一步提升。后者可以實現數據面和控制面之間的良好分離。在低負載網絡中對微基站進行分簇化處理，在同一簇中，所有的微基站可以組成一個虛擬形式的宏基站，以實現相同數據的發送。通過這樣的方式，終端就可以實現分集收益的接收獲得，進而實現信號接收質量的顯著提升。在高負載網絡中，所有的微基站都可以作為一個獨立小區，以實現數據信息的獨立發送，通過小區分裂的方式實現網絡容量的顯著提升[5]。

2 5G通信技術的應用場景

2.1 eMMB（增強移動寬帶）型場景

VR技術作為eMBB型應用場景的主要代表，其能夠充顯現出通信寬帶的高能需求，對于5G通信技術來說，其基礎的應用場景之一就是eMBB。目前，快速、準確以及穩定作為5G通信技術的核心功能，其在基礎應用場景中就可以充分突出快速高效的信息傳輸優勢，如信息同步展示以及VR技術，同時也包括超級網絡下載。立足于5G通信技術理論角度，與4G通信技術相比，其信息傳輸速率要快幾十倍，其中最為直觀的應用場景描述就是在1 s內能夠順利下載一部時長為2 h、容量為2G的高清電影。在ERP形式的投影中，VR-8K分辨率如表1所示。

表1 ERP形式的投影中的VR-8K分辨率

2.2 uRLLC（超可靠、超低時速通信）型場景

uRLLC型應用場景最為典型的就是自動駕駛，其能夠充分體現出即時可靠的通信需求，在5G通信技術應用場景中優勢最為突出的就是uRLLC型應用場景。在我國現階段，5G通信技術最為突出的優勢就是高傳輸與可靠性。根據5G網絡理論可知，其下行速度為10 Gb/s，這也意味著其下載速度可以達到1.25 Gb/s，因此其傳輸過程中的連續性較好,并且可以確保數據在傳輸的過程中能夠實現即時性、可靠性以及高效性等，這就可以促進5G通信技術應用場景得以實現[6]。例如，自動駕駛與無人機等，均是5G通信技術的應用成果。表2是5G通信技術與4G通信技術的傳輸速度與時延對比。

表2 5G通信技術與4G通信技術的傳輸速度與時延對比

2.3 mMTC（海量機器類通信）型場景

在這一應用場景中，一個最具代表性的實例就是智慧城市，它是大量機器之間通信需求實現的一種充分體現。相比于mMTC，uRLLC以及eMMB都屬于5G通信技術的微觀應用場景，這兩種場景并不具備強大的連接功能，但是mMTC這一場景的連接功能卻十分強大。該場景的一個主要功能是實現生產環境以及消費環節之間的全面覆蓋[7]。通過這樣的方式，不僅可以在互聯網中實現生產環境以及消費環節的全面融入，同時也可以將整個市場都融入到互聯網環境中，以達到萬物互聯互通的效果。將5G通信技術應用到智慧城市中，可實現各種事物之間的智能化連接與管理，如井蓋管理、路口管理以及路燈管理等，同時也可以保障基礎交通設備運行的順利進行，實現其安全性和穩定性的進一步提升。

3 結 論

5G通信技術的關鍵技術有很多種，如大規模天線技術、非正交多址接入技術（NOMA）、直接通信D2D技術和超密集組網DUN技術等。通過這些關鍵技術，可以讓5G通信技術在原來4G通信技術的基礎上實現傳輸速度、穩定性和及時性的顯著提升，進而在各個領域中發揮出充分的技術優勢。同時，5G通信技術也有很多的應用場景，其中基礎應用場景包括eMMB（增強移動寬帶）型場景、uRLLC（超可靠、超低時速通信）型場景、mMTC（海量機器類通信）型場景。將5G通信技術應用到這些場景中，可更加充分地發揮出該技術在各個領域中的應用優勢，以全面促進各個領域的良好發展。