5G通信應(yīng)用場景和關(guān)鍵技術(shù)研究

侯瑞東

（南京廣播電視系統(tǒng)集成有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

5G通信系統(tǒng)具有高帶寬、低延時以及低功耗的特點，對通信技術(shù)發(fā)展具有顯著潛力，尤其是在大數(shù)據(jù)和人工智能等方面具有基礎(chǔ)支持作用，同時作為信息時代的基石，為大數(shù)據(jù)、人工智能、通信、計算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的萬物互聯(lián)和智慧生態(tài)的建設(shè)提供引擎和動力。因此加強(qiáng)對5G技術(shù)的理論技術(shù)研究和應(yīng)用場景領(lǐng)域研究顯得極為重要，對此本文從技術(shù)層面和應(yīng)用層面進(jìn)行了探討，旨在為5G通信技術(shù)發(fā)展縷清脈絡(luò)，促進(jìn)其發(fā)展。

1 5G通信技術(shù)內(nèi)涵

5G通信系統(tǒng)涵蓋MIMO技術(shù)、空時編碼技術(shù)、自組織網(wǎng)絡(luò)SON技術(shù)、M2M通信技術(shù)、非正交多址技術(shù)以及超寬帶技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，具有極高的頻帶寬度，以及高容量和高速通信的效能。其使用了較高的波段，傳輸能力相比前代系統(tǒng)顯著降低，大規(guī)模MIMO技術(shù)的應(yīng)用成為推動這一缺陷彌合的關(guān)鍵，但是大規(guī)模的天線陣列的應(yīng)用將會占用大量的場景空間，這樣會對整體環(huán)境布局有所影響，此外中繼基站的設(shè)置成為最大問題，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全維護(hù)難度也會有所增加，因此短期內(nèi)這一項新技術(shù)的應(yīng)用將面臨很多不確定的問題。

2 5G通信關(guān)鍵技術(shù)概述

5G通信技術(shù)作為新一代通信技術(shù)，具有如下特點及優(yōu)勢。一是注重用戶體驗，技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展提速，二是點對點通信傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)槎帱c傳輸、多用戶、多天線以及多小區(qū)組合成為技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵，三是使用更高的通信波段，這樣雖然會削減傳輸能力，但是使用的頻帶資源會更多，四是具備較好的軟配置能力，這樣運營方可以根據(jù)客戶需求對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行優(yōu)化配置，從而削減成本，提升用戶體驗。

2.1 MIMO技術(shù)

對于無線通信網(wǎng)絡(luò)而言，當(dāng)進(jìn)行收發(fā)信息的過程中采用多個天線來傳輸信號的方式被稱作為MIMO無線通信，具體如圖1所示。MIMO技術(shù)的核心環(huán)節(jié)就是采用了多天線技術(shù)手段實現(xiàn)了信道容量的顯著擴(kuò)大，其中一般采用分布式天線技術(shù)，這種方式的天線布置能夠顯著增大各個天線之間的距離，由此使得獲取的信號保持近似的相對獨立。另外還會采用空時編碼技術(shù)，這一技術(shù)主的作用在于調(diào)整來自各個天線信號的融合等，由此提升信號的增益或者通量。

圖1 MIMO傳輸系統(tǒng)示意圖

根據(jù)上述的分析可知，MIMO技術(shù)的本質(zhì)在于為當(dāng)前的通信系統(tǒng)提供足夠的空間分集增益和空間復(fù)用增益。前者可以有效改善信號傳輸?shù)目煽慷龋⒂行Ы档驼`碼率，而后者的作用則是提升信息傳輸速率。

2.2 空時編碼技術(shù)

空時編碼（Space Time Coding，STC）技術(shù)對提升天線分集對應(yīng)的通信容量有著開創(chuàng)性意義，其作為一種高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a技術(shù)，實現(xiàn)了信號傳輸在空間和時間上的結(jié)合，依托多天線技術(shù)實現(xiàn)了空間分集，而且在時間上實現(xiàn)了時分復(fù)用，極大地提升了分集和編碼增益，傳輸速率也顯著提升?？諘r編碼在不同天線所發(fā)送的信號中引入了時間和空間的相關(guān)性，從而能夠在不增加帶寬使用量的基礎(chǔ)上在接收端獲得不同編碼條件下的分集和編碼增益。從其表現(xiàn)特征上看，空時編碼技術(shù)可以根據(jù)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是否需要獲取信道狀態(tài)信息分為兩個兩大類別，第一類是需要知曉信道狀態(tài)信息，其可以進(jìn)一步分為分層空時編碼（LSTC）、空時格型編碼（STTC）以及空時分組碼（STBC），第二類編碼為不需要知曉信道狀態(tài)信息的編碼，其可以進(jìn)一步分為酉空時編碼（USTC）和差分空時編碼（DSTBC）。

2.3 自組織網(wǎng)絡(luò)SON技術(shù)

SON作為重要的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為了改善無線通信中的自主性問題，通過自治方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，從而減低人工干預(yù)，降低運營成本。對于該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而言，主要功能可以概括為自配置、自優(yōu)化以及自愈3個方面。對于自配置而言，主要涉及設(shè)備在安裝上電到用戶設(shè)備正接入業(yè)務(wù)過程中，網(wǎng)絡(luò)自動完成配置，減少安全調(diào)試過程，實現(xiàn)即插即用功效。自優(yōu)化是調(diào)整用戶終端和基站之間的網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)，參數(shù)優(yōu)化均通過網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)優(yōu)化以實現(xiàn)性能改善。自愈是指整個網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行自我故障修復(fù)、網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警及定位，并能夠自動消除部分問題，從而以最小化影響網(wǎng)絡(luò)用戶使用程度[1,2]。

2.4 M2M通信技術(shù)

M2M是指數(shù)據(jù)從一個用戶終端轉(zhuǎn)移到另一個用戶終端，實現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間的對話，這種方式目前在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，具體技術(shù)形式見圖2。從當(dāng)前發(fā)展來看，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用多個領(lǐng)域，具體包括智能化機(jī)器設(shè)備、M2M硬件設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)以及中間結(jié)構(gòu)等。其中智能化機(jī)器就是讓機(jī)器具有一定的分析能力，進(jìn)行一定領(lǐng)域上對人的取代，M2M硬件是使機(jī)器可具備聯(lián)網(wǎng)能力和遠(yuǎn)程通信的部件，可以進(jìn)行信息提取，實現(xiàn)自我分析，通信網(wǎng)絡(luò)是在以以太網(wǎng)和廣域網(wǎng)為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)M2M轉(zhuǎn)化，而中間結(jié)構(gòu)可以使M2M網(wǎng)關(guān)完成在不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，在通信網(wǎng)絡(luò)和IT系統(tǒng)之間建立橋梁。

圖2 M2M技術(shù)

2.5 非正交多址技術(shù)

非正交多址技術(shù)（NOFDM）起源于正交多址技術(shù)（OFDM），后者信號各個子載波呈現(xiàn)相互正交性，在使用OFDM技術(shù)時，信號解調(diào)過程中只會解調(diào)出對應(yīng)子載波上的信號，不會影響其他子載波上的信號。由于OFDM信號子載波間是相互正交的，因此可以使子載波的頻譜相互重疊，這樣極大地提高了頻帶效率。而在NOFDM技術(shù)下，這種正交性被打破，子載波之間的重疊會更高，因而能夠提升信號中涵蓋的子載波數(shù)目，由此實現(xiàn)了單一信號符號涵蓋更多信息，提升信息傳輸效率。當(dāng)然高度重疊的子載波導(dǎo)致接收端解調(diào)難度增大，對此需要打破常規(guī)，采用稀疏理論，在稀疏變換域空間實現(xiàn)各個子載波的變換表達(dá)，從而離散各個子載波，實現(xiàn)載波信息的有效提取，進(jìn)而實現(xiàn)高容量信息的傳輸過程[3,4]。

2.6 超寬帶技術(shù)

超寬帶技術(shù)（UWB）作為一種信息無線通信技術(shù)，通過尖銳上下變動的脈沖信號直接調(diào)制來實現(xiàn)數(shù)量級為GHz的寬帶容量。這一技術(shù)的出現(xiàn)顯著提升了無信通信能力，使得便捷極速的5G通信成為可能。通過相應(yīng)技術(shù)測試可知，該技術(shù)對無線通信信道不敏感，并且設(shè)計系統(tǒng)復(fù)雜度不高，抗截獲能力強(qiáng)并且呈現(xiàn)出低功耗特性，因而成為5G通信技術(shù)體系中最為重要的技術(shù)細(xì)節(jié)，在智能交通、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及成像系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的前景。

3 5G通信應(yīng)用場景分析

3.1 5G通信技術(shù)在城市軌道系統(tǒng)中的應(yīng)用

當(dāng)前在我國的城市軌道交通系統(tǒng)中已經(jīng)實現(xiàn)了2.4 GHz頻段的無線通信覆蓋，并且結(jié)合WLAN技術(shù)實現(xiàn)了車地之間的網(wǎng)絡(luò)連接，而且其連接的穩(wěn)定性能直接對軌道車的安全平穩(wěn)運行產(chǎn)生直接影響。對此在5G通信技術(shù)背景下，要求不斷提升城市軌道交通無線通信，根據(jù)當(dāng)前運行情況，穩(wěn)定、安全可靠以及具有高速高容量的信息傳輸成為重要需求，低功耗的設(shè)計作為資源節(jié)約型社會發(fā)展需求也是一種重要考慮方面。此外，如何將單站點的低功耗效果轉(zhuǎn)化為整體層面的節(jié)能現(xiàn)象成為5G通信技術(shù)在城市軌道交通系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵支撐。總體來說，良好環(huán)境適應(yīng)力、安全穩(wěn)定以及大帶寬的車地傳輸網(wǎng)絡(luò)是最主流的技術(shù)選擇，因此如何滿足這些要求成為5G通信技術(shù)接入的關(guān)鍵問題。當(dāng)前為了實現(xiàn)車地直接的穩(wěn)定可靠的通信連接，需要不斷采用最新和最成熟的無線通信技術(shù)，且同時考慮軌道交通具體要求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)整合，緊跟時代步伐。

3.2 5G通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)背景下的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)思維模式的核心在于感知，即感和知，前者主要是獲取數(shù)據(jù)，后者則是分析信息。對于物聯(lián)網(wǎng)而言，獲取數(shù)據(jù)和分析信息是組建千變?nèi)f化智慧生態(tài)的基礎(chǔ)單元和思路，而實現(xiàn)這個環(huán)節(jié)需要強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，5G通信成為首選。因此在物聯(lián)網(wǎng)形勢下，需要根據(jù)萬物互聯(lián)思維，除了在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用上下功夫外，還需要通過5G通信網(wǎng)絡(luò)掌握各類信息，并對信息中有價值部分進(jìn)行挖掘獲取，從而形成對整個物聯(lián)網(wǎng)體系建設(shè)調(diào)整的重要依據(jù)。由此可見，5G通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)體系搭建的基本單元，而物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)則是5G技術(shù)高級拓展應(yīng)用的關(guān)鍵目標(biāo)，二者之間相互關(guān)聯(lián)，密不可分。此外，物聯(lián)網(wǎng)背景下，各種智能化的設(shè)備設(shè)施開始深入到人們的生活，為人類生活的便捷化提供了可靠的技術(shù)途徑。智能化技術(shù)作為智能設(shè)備和設(shè)施的技術(shù)支撐，在整個智能化業(yè)務(wù)發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用，實現(xiàn)這些關(guān)鍵作用的主要基礎(chǔ)技術(shù)則是通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而在通信技術(shù)不斷發(fā)展中，多元化發(fā)展勢不可擋，5G通信技術(shù)必將引領(lǐng)通信網(wǎng)絡(luò)潮流，其高通量和低延時的優(yōu)勢能夠迅捷地實現(xiàn)高通量數(shù)據(jù)交互，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)時效性分析有著重要促進(jìn)作用。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合5G通信技術(shù)，重點探討了5G通信關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用情況，通過分析MIMO技術(shù)、空時編碼技術(shù)、自組織網(wǎng)絡(luò)SON技術(shù)、M2M通信技術(shù)、非正交多址技術(shù)以及超寬帶技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)明確了5G通信技術(shù)基本體系，在此基礎(chǔ)探討了5G通信技術(shù)在城市軌道交通智能化建設(shè)和物聯(lián)網(wǎng)體系擴(kuò)展應(yīng)用等主要應(yīng)用場景，闡述了5G通信技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景。