5G通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究

張海力，彭澤民，施瑩弘，劉 葵，何元峰

（浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院<物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究院> 浙江 寧波 315211）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與普及不斷更新著人們的通信形式，使人們的交流方式發(fā)生了翻天覆地的變化，也加快了各行業(yè)的運(yùn)作速度。近些年來，新一代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)誕生了，它就是5G。如今5G在通信領(lǐng)域備受關(guān)注并成為研究重點(diǎn)。為提高通信網(wǎng)絡(luò)的性能、確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與高效性、優(yōu)化用戶的使用體驗(yàn)，5G通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)是必不可少的。并且我們相信未來5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)變得越來越廣泛。

2 5G通信網(wǎng)絡(luò)

我國的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)先后經(jīng)歷了2G、3G、4G這幾個(gè)階段。2G通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字語音、短信與上網(wǎng)，但信號(hào)不穩(wěn)；3G通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了通話與信息的同時(shí)傳送；4G通信網(wǎng)絡(luò)滿足了移動(dòng)數(shù)據(jù)、移動(dòng)計(jì)算及移動(dòng)多媒體運(yùn)作的需求。5G通信網(wǎng)絡(luò)是基于第五代移動(dòng)通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，是4G通信網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)產(chǎn)物[1]。對(duì)于5G通信網(wǎng)絡(luò)來說，目前還沒有統(tǒng)一的概念及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。5G通信網(wǎng)絡(luò)與4G通信網(wǎng)絡(luò)相比有一定的優(yōu)勢(shì)，前者具有較快的數(shù)據(jù)傳輸速度、較大的容量、較高的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性以及較強(qiáng)的信號(hào)抗干擾能力[2]。其也能對(duì)多種多樣的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行深入挖掘、優(yōu)化配置與利用，更好地滿足人們?cè)诠ぷ骱蜕钪械男枨蟆?G通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)如下：①網(wǎng)絡(luò)連接功能增強(qiáng)。人們無論在何時(shí)何地都能迅速地連上網(wǎng)絡(luò)，這能有效避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連不上、網(wǎng)絡(luò)中斷等問題，而且5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速度非常快，能縮短用戶的等待時(shí)間，使用戶獲得更好的使用體驗(yàn)感受。②能耗降低。由于智能手機(jī)、智能手表等移動(dòng)通信設(shè)備的使用數(shù)量增加，其電能消耗效率受到人們的關(guān)注。為使用戶的通信設(shè)備具有更長的運(yùn)行時(shí)間、待機(jī)時(shí)間，5G通信網(wǎng)絡(luò)可在確保信號(hào)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，消耗更少的電能。③熱點(diǎn)高容量。在人員密集的地方，4G通信網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)因流量需求大而傳輸速度變慢的情況，而5G通信網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)平均分配流量，從而避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸滯后、卡頓的現(xiàn)象。

3 5G通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)分析

5G通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行需以關(guān)鍵技術(shù)為支撐。總體來說，5G通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)包括無線傳輸技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其他關(guān)鍵技術(shù)。

（1）無線傳輸技術(shù)又包括大規(guī)模MIMO技術(shù)、F-OFDM技術(shù)與全雙工技術(shù)。①大規(guī)模MIMO技術(shù)是5G通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，是一種確保通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定且安全的技術(shù)。該技術(shù)不僅操作簡單，而且能達(dá)到很好的效果，如今已經(jīng)獲得人們的廣泛應(yīng)用。其實(shí)現(xiàn)了天線陣列的組成，使多個(gè)天線進(jìn)行連接，而且無須改變基站帶寬和密度，提升頻譜效率，確保信息傳輸質(zhì)量，從而使多地區(qū)多用戶安全、穩(wěn)定、高效地進(jìn)行同時(shí)通信。需要注意的是，在使用該技術(shù)時(shí)應(yīng)對(duì)天線進(jìn)行合理調(diào)配，即結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際對(duì)天線數(shù)量進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾樱⒖茖W(xué)應(yīng)用混合配置方式，增強(qiáng)天線分布配置效果，從而提升信息傳輸、接收的效率。除此之外，這種天線配置方式能有效提高智能設(shè)備對(duì)空間資源的利用率，即便出現(xiàn)信號(hào)干擾的問題，該技術(shù)也能對(duì)其進(jìn)行屏蔽。②F-OFDM技術(shù)，也叫正交頻分復(fù)用技術(shù)。該技術(shù)利用載波器，能將信道轉(zhuǎn)變?yōu)楹芏嘧有诺溃瑢⒏咚傩畔⒘鞣稚榈退僮有畔⒘鳎⑶沂垢髡蛔有诺纻鬏斶@些并行的子信息流，從而提升抗信號(hào)干擾能力，確保信息傳輸?shù)膶?shí)效性。而且，該技術(shù)能通過合理配置循環(huán)前綴、子載波間隔等來適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)需求，進(jìn)而使時(shí)頻資源得到更充分、有效的利用。③全雙工技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用于5G通信網(wǎng)絡(luò)，能夠有效除去信息發(fā)射端、信息接收端中存在的干擾因素，提高通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，使信息數(shù)據(jù)的傳輸變得穩(wěn)定而高效，而且實(shí)現(xiàn)了信息在發(fā)送與接收過程中對(duì)時(shí)頻資源的共享，使發(fā)送信號(hào)、接收信號(hào)的功率不會(huì)受到影響，從而促進(jìn)5G通信網(wǎng)絡(luò)使用效果的提升。

（2）無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)又包括超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。①超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量得到擴(kuò)展，這樣信息數(shù)據(jù)就能同時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)與傳輸，而且信息數(shù)據(jù)傳輸速率不會(huì)受到影響。與此同時(shí)，為達(dá)到5G通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，可適當(dāng)調(diào)整傳輸距離與終端距離。此外，為提升抗干擾能力，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)距離予以調(diào)節(jié)，對(duì)結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。②自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該技術(shù)是解決5G網(wǎng)絡(luò)部署問題的一種有效手段，能對(duì)超密集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時(shí)有效的處理，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能化恢復(fù)，促進(jìn)系統(tǒng)自配效率的提升，不斷優(yōu)化完善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且能自動(dòng)檢測分析通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中的故障，并將產(chǎn)生的問題上報(bào)到核心系統(tǒng)，以便工作人員及時(shí)進(jìn)行維修，同時(shí)可大大降低人為操作失誤的發(fā)生頻率，以保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的可靠性與穩(wěn)定性。

（3）其他關(guān)鍵技術(shù)又包括毫米波通信技術(shù)、D2D通信技術(shù)等。其中，毫米波通信技術(shù)是一種能實(shí)現(xiàn)微波向高頻變化、光波向低頻變化的新技術(shù)。毫米波是一種電磁波，其波長為1～10mm，頻率為30～300GHz。為使該技術(shù)更好地應(yīng)用于5G通信網(wǎng)絡(luò)，提高毫米波利用率很有必要。而為增加信息傳輸頻率，需改變天線數(shù)量與改進(jìn)波長。由于毫米波具有傳輸損耗較大的缺點(diǎn)，故需與大規(guī)模MIMO技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，降低毫米波的傳輸損耗，從而促進(jìn)信號(hào)質(zhì)量的提高。D2D通信技術(shù)指的是使兩個(gè)對(duì)等的用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信的一種技術(shù)。D2D通信主要分為單播、多播與廣播等三種形式，這些通信形式在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，在調(diào)度上相對(duì)困難，目前這個(gè)問題還有待解決。此外該技術(shù)與WIFI、藍(lán)牙通信技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其能更好地使設(shè)備與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相連接，并避免蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸消耗很多流量，在數(shù)據(jù)連接上具有更高的穩(wěn)定性，能在更遠(yuǎn)距離下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有較高的信息數(shù)據(jù)傳輸速率，而且在數(shù)據(jù)傳輸上延時(shí)性較低、功耗較少。

4 5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用探索

（1）在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)現(xiàn)存問題是缺少對(duì)海量終端數(shù)據(jù)的支持力。通常來說，物聯(lián)網(wǎng)中機(jī)器終端的成本應(yīng)比手機(jī)終端低。而且，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，延長設(shè)備中電池使用時(shí)間的做法是確保功率低，且對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍也有一定要求[3]。5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能很好地解決這些問題。

（2）在汽車自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用。汽車自動(dòng)駕駛指的是汽車依靠無線通信技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)等，處于復(fù)雜的通行環(huán)境中，能進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、控制及避險(xiǎn)。5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可對(duì)汽車自動(dòng)駕駛通信技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)，即可為駕駛路線做出清晰的規(guī)劃，確保車與車之間、車與環(huán)境之間能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并能提高汽車行駛過程中信息數(shù)據(jù)傳輸效率、降低信息數(shù)據(jù)延遲頻率，規(guī)避車與車之間發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，從而提升汽車自動(dòng)駕駛的安全指數(shù)，降低事故發(fā)生頻率，進(jìn)而保護(hù)人們的生命安全、財(cái)產(chǎn)安全。

（3）在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)中，能實(shí)現(xiàn)智能供電的優(yōu)化升級(jí)，可有效處理電力故障問題，也能控制電力設(shè)備在運(yùn)行過程中的能量消耗，減少智能電網(wǎng)的運(yùn)行成本，從而提高電力企業(yè)的實(shí)際效益。

（4）在云技術(shù)中的應(yīng)用。帶寬、信息數(shù)據(jù)傳輸與環(huán)境是云技術(shù)運(yùn)行的影響因素，故云技術(shù)運(yùn)行存在一定的安全隱患。5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在基礎(chǔ)架構(gòu)與數(shù)據(jù)傳輸上有明顯的優(yōu)勢(shì)，倘若將其融入云技術(shù)，則能為云技術(shù)運(yùn)行提供安全保障，避免信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t或中斷，也能使云技術(shù)運(yùn)行成本得以降低。

（5）在遠(yuǎn)程診療中的應(yīng)用。遠(yuǎn)程醫(yī)療對(duì)網(wǎng)絡(luò)具有非常高的要求，5G通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)覆蓋范圍較廣，而且5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以幫助醫(yī)療數(shù)據(jù)與超高清圖像的傳輸，并零延時(shí)地傳達(dá)操控指令。這樣一來，專家醫(yī)生可以不必到現(xiàn)場進(jìn)行手術(shù)，所以該技術(shù)應(yīng)用具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

（6）在教育中的應(yīng)用。5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以使教育領(lǐng)域獲得更多的人工智能產(chǎn)品，為學(xué)校提供優(yōu)質(zhì)的教育資源，而且可以有效解決教育資源分配不均問題。

4 結(jié)語

5G通信網(wǎng)絡(luò)改變了人們以往的通信方式，在網(wǎng)絡(luò)連接、信號(hào)傳輸上具有突出的優(yōu)勢(shì)，使智能設(shè)備的利用率得到提升，將成為未來通信的主流。現(xiàn)在5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)尚處于研究開發(fā)階段，且具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＨ藗儗?duì)5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求，會(huì)使其未來在多種領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常可觀，將有力推動(dòng)我國通信行業(yè)的發(fā)展。