5G通信技術應用場景及關鍵技術探討

張 舒

（中國通信建設集團有限公司 黑龍江省通信服務分公司，黑龍江 牡丹江 157000）

0 引 言

隨著這些年我國信息技術的不斷發展，人們的生活不僅產生了巨大的變化而且也越來越依賴通信技術。技術的進步促進了高級通信設備的產生，方便且功能繁多的通信設備吸引了越來越多的人們使用，移動網絡用戶每年都呈指數上漲，這使得移動網絡承受的壓力越來越大，網速也因為用戶的增多而變慢。為了不斷滿足人們的使用需求，2010—2021年，通信技術從發明2G網絡開始到4G網絡的普及和成熟，移動通信技術發展很快，但隨著網絡應用場景的不斷被開發，4G通信依然無法滿足人們的要求。因此，對于5G網絡的探索和開發已經成為必然趨勢，目前，初步的5G技術已經成形，但還需要進一步完善，以提高5G通信技術的整體效能。

1 5G通信技術概述

5G移動通信技術是在4G的基礎上進行提升和優化，主要是提升了數據傳輸速度，并且進一步降低延時和功耗，提高移動網絡的安全性和可靠性。5G網絡的這些優勢能更好地應用于物聯網領域，如智慧醫療、車載聯網、智能農業以及智能家居等[1]。5G網絡除了進一步拉近人與人之間的距離，提高人們之間的通信速度，更重要的突破是提高了人與物以及物與物之間的無線連接，給物聯網的普及提供了實現基礎。

與4G通信網絡相比，5G通信網絡技術具有很多前所未有的優勢，既保持了4G網絡的各種優點，又在這個基礎上再次提高了通信網絡的靈活性，能夠運用于更多的場景，相比4G網絡，競爭力和不可替代性都有了不小的提升。5G網絡將會給人們的生活帶來全新體驗，通信成本進一步降低的同時讓人們體驗到更加便捷、智能以及人性化的服務，獲得更快的沖浪體驗。5G網絡的普及將會解決人們如今依然會受到的網速和斷網困擾，讓自己的網絡與環境網絡快速連接，體會到更先進便利的網絡服務，這將是通信史上的又一里程碑式進程，在未來將會遍布人們的日常生活[2]。

2 5G通信技術的特點

與4G通信網絡技術相比，5G通信技術具有很多優點，探索研究5G網絡的前提是要充分了解5G網絡的特點，對5G網絡的各種情況形成正確認知，以避免在研究過程中因為對其了解不夠而造成研發偏差。

2.1 擴展性

5G通信技術是基于傳統通信技術的再次開發，將原來的通信網絡優點進行篩選整理，并在此基礎上進行技術的優化拓展，力圖讓全新的5G通信網絡給用戶提供更便捷多元的使用體驗[3]。5G技術很早就已經開始研發，2017年我國就建立了5G網絡基站，并首次進行了覆蓋能力測試。本次測試使用大規模的天線技術，測試顯示網絡覆蓋距離達到2 km以上，達到了與2.6 GHz頻段4G基站差不多的覆蓋能力，且網絡強度明顯提高，衰竭速度也明顯變緩，可以滿足較遠距離用戶的通信需求[4]。

2.2 節能性

4G網絡雖然也能滿足人們的日常需求，但耗能巨大，成本較高。而5G網絡在新通信技術支持下，高效建立了信息組織網和中心網絡，顯著提高了內部網絡的信息傳輸和交換速度，和4G相比大大減少了通信網絡的搭建成本，實現了5G通信網絡技術的節能性。

另外，節能性的實現大大降低了通信網絡的耗能量，進而也減少了電信網絡運營商和移動通信廣大用戶的運營和使用成本，這在一定程度上再一次提升了5G通信技術的普及性和實用性。同時，低能耗能夠做到最大限度地降低環境因素對于通信網絡的影響，使網絡更加穩定，用戶也能享受到更高質量的網絡服務。

2.3 可靠性

5G通信進行了技術革新，大大拓展了網絡帶寬，無線通信網絡的容量大幅度增加，使得信息數據的傳輸過程變得更加穩定可靠，無論是音頻、視頻還是圖片，各種形式的信息都能實現極短時間的高速傳遞[5]。并且通信網絡系統的容量擴增不僅可以承受現象級網絡訪問人數的使用需求，也同時提高了數據傳輸的安全性，使得人與人之間的通信不僅快速穩定，而且安全可靠。

3 5G通信技術應用場景

3.1 宏覆蓋增強應用場景

在宏覆蓋增強應用場景中，一大半都是低頻頻段。因此它的宏小區覆蓋率相比之下要寬廣得多，覆蓋半徑在幾千米以上。宏覆蓋增強應用場景中，不同用戶因為其不同的情況，網絡傳輸到基站過程中的損耗也不同，信噪差異也是因此產生。因此，在這樣的應用場景下一般會使用幾種不同的通信網絡技術包括非正交傳輸技術、新型調制編碼技術、大規模天線技術。這3種技術并不矛盾，甚至可以相輔相成，配合著同時使用會達到非常好的效果。

3.2 超密集部署

5G通信網絡技術的應用場景絕大部分都和超密集部署有著或多或少的關聯。超密集環境通常情況下都會按照其網絡的應用范圍劃分成3種不同的小區，小區的拓撲形狀基本具有多樣性和異構性兩種特點。除此之外，不同小區部署的天線高度和網絡增益也不盡相同，發射信號的頻率也會根據實際情況而相差很多[6]。

在這種應用場景下，一般采用的幾種技術包括虛擬小區技術、無線回傳技術以及新型調制編碼技術。這3種技術各不相同，但都各有各的作用，不能互相替代。如果是在室內場景要提高網絡信息傳輸速度，則一般利用高頻通信完成，這樣可以有效避免不同小區之間的互相影響。具體部署模式如圖1所示。

圖1 部署模式

3.3 機器間通信場景

5G網絡技術的一個重要應用場景就是物聯網應用，目前物聯網的實現還有很多問題沒有得到解決，其中最嚴重的問題是巨量終端數據的支持能力不足。物聯網應用場景對每個機器的終端都有不同要求，且每個機器的終端成本都必須要比移動設備終端小[7]。另外，物聯網技術反過來對應用場景也有要求，最大的要求就是應用機器的功率必須很低，保證電池能夠使用相對來說比較長的時間。而且物聯網應用場景要求通信網絡的覆蓋面積必須非常大，至少要包含所在空間樓上樓下的所有機器設備。

同樣的，物聯網應用場景中也能夠采用幾種不同的技術包括控制信令優化技術、非正交傳輸技術、窄帶傳輸技術。這幾種技術是為了實現不同的需求，如非正交傳輸技術是供很多不同的終端設備在同時調用無線網絡資源而不出現混亂。

3.4 低時延和高可靠場景

這兩種場景的需求實際上都是要降低延時。就好比在精密儀器的制作要求中，不同設備間的信息數據傳遞如果存在一定的延時，那么儀器的質量一定會被降低。當5G通信用于智能交通系統時，技術要求的延時誤差絕對不能超過1 ms，并且它的檢測率必須非常低，最好無限接近于0，如果達不到這種要求，就會大大增加交通事故的發生概率，安全性會被大大降低。在這兩種最大需求都是降低時延的應用場景中，通常采用的技術不是終端直通技術就是鏈路自適應技術，這兩種技術的功能各有不同，但都能明顯降低時延[8]。

3.5 uRLLC型應用場景

自動駕駛技術就是一種uRLLC型應用場景，最能夠體現通信網絡的及時性和可靠性。雖然5G技術的應用場景非常廣泛，但在各種應用場景中，uRLLC型應用場景最能體現5G技術的優點和優勢。與原有的通信網絡技術對比，5G網絡的數據下載和上傳速度都達到了4G網絡的幾十倍，且傳輸過程的連續性和穩定性也非常好，這在一定程度上加速了5G場景的實現和普及。

3.6 eMBB型應用場景

目前，最具有代表性的eMBB型應用場景是虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術。eMBB應用場景其實是5G通信網絡技術的一個最基礎的應用場景。如今關于5G通信網絡技術的探索研發中，最核心、最重要的要求是快速、精準以及穩定。為了檢測這3個核心功能是否達到要求，將其應用于最為基本的eMBB場景中是最方便有用的方式，VR技術應用場景可以準確地體現出網絡信息的傳輸是否快速和精準[9]。

3.7 mMTC型應用場景

智慧城市是一種典型的mMTC型應用場景，這種應用場景主要可以體現出5G網絡在物聯網方面的能力。相比起自動駕駛應用和VR技術應用是在體現5G通信技術微觀層面的功能和優勢，智慧城市則是在測試5G通信網絡技術宏觀方面的能力。值得注意的是，唯有mMTC型應用場景要求網絡強連接。強連接功能不但包含產品的消費階段，還同時包含產品生產的環節。生產和消費兩個環節都與5G網絡結合，并且通過物聯網與銷售市場產生聯系，實現物與物的大批量互相連接。在智慧城市中，利用強連接功能能夠將城市的路燈、井蓋以及紅路燈等基礎公共設施連接在一起，實現智能化的統一管理，使城市運行更加通暢合理，提升城市生活的便利性和安全性。

4 5G通信技術關鍵技術

4.1 智能化技術

智能化技術是5G通信網絡技術中非常關鍵的技術，也是4G到5G的一次革新式技術進步。其研究和探索已經開始了很久，人們生活中也早就已經出現了各種各樣的智能產品，如掃地機器人、電腦管家以及智能音箱等，這些智能化的產品都使人們的生活越來越方便舒適，而想要將5G通信技術也用于實現產品的智能化，則需要在已經成熟的智能化產品基礎上再進行技術創新。5G通信網絡基于云平臺建立，網絡云平臺能夠方便高效地將不同的智能化產品互相聯系起來，使這些產品之間形成一個互聯網絡，實現數據共享。且這個數據共享平臺可以隨著智能化產品的變化而不斷變化，當5G網絡升級時，基于這個網絡的產品智能化也能一并升級，實現和5G網絡同步的通信服務，確保產品的智能化始終能為人們提供高效優質的服務。

4.2 高頻段傳輸

目前，人們日常生活中的移動通信基本采用低頻段傳輸，但是5G時代的來臨勢必會導致移動通信用戶的大幅度增多，再聯合物聯網等數據的傳輸，人們對于移動通信的流量需求必然也會呈現翻倍的加大，導致低頻段傳輸無法滿足5G網絡的需求。因此，高頻段傳輸是5G通信網絡的一個必要關鍵技術，其毫米波頻率一般可以達到28 GHz，覆蓋范圍非常廣，并且經過測試，2 km之內的覆蓋區域都能夠實現非常快的數據傳輸。但是，高頻段傳輸依然有一些需要解決的問題，其中最為突出的就是這種傳輸方式極易受到外界環境因素的影響，并不穩定，因此還需要進行技術研究來規避這一劣勢[10]。

4.3 直接通信

直接通信也是5G通信網絡的關鍵技術之一，這項技術的發明能夠大幅度降低信息數據傳輸過程中的能耗和延時，使通信的質量成倍提高。直接通信技術需要很多其他技術的支持，比如要想利用5G通信技術提升通信速度，就需要密集網絡技術的支持才能更加合理地實現該需求。

4.4 多天線傳輸技術

多天線傳輸技術主要是用來擴大移動網絡的覆蓋范圍，但到目前為止，國內多天線傳輸技術依然有很多還沒能攻破的難題亟待解決，還需要長時間的進步和優化。而5G技術可以在一定程度上推進多天線傳輸技術的發展速度，需要配合5G網絡對于多天線傳輸的天線陣列做出合理調整，進而提高頻譜利用率。將多天線傳輸技術用于5G通信網絡能夠大大降低移動通信的成本。

4.5 大規模多輸入多輸出技術

多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術是5G通信網絡中非常重要的技術，它能夠基于自身特點顯著提高通信網絡的頻譜效率，是5G通信網絡技術信號傳輸質量的保證和前提，其結構如圖2所示。

圖2 大規模MIMO技術結構

4.6 同時同頻雙全工技術

同時同頻雙全工技術是5G通信網絡中唯一可以最大限度屏蔽環境因素對通信影響的技術。這項技術能夠幫助5G網絡在通信時過濾和消除干擾數據，提高頻譜工作效率。同時同頻雙全工技術也是5G通信技術中比較關鍵的技術，但是和前幾項技術不同，該技術到目前為止的應用范圍并不廣泛，這是因為其在應用過程中還存在很多問題，導致應用范圍非常狹窄。未來，通過5G網絡的不斷優化發展，這種技術可能會得到更多的應用。

4.7 新型網絡構架技術

目前，移動通信領域還處于不斷發展的階段，5G技術并沒有完全成熟，相關技術人員還在不斷地探索研究。對于通信技術來說，非常重要的一點是要提高業務效率，對此首先需要做的是整合資源，將通信業務一邊整合一邊增加，逐漸使5G通信網絡滲透到日常生活的方方面面，搭建一個自組織網絡。而在這個自組織網絡中，用戶能夠擁有非常真實的場景體驗，并且可以在虛擬網絡中進行真實的互動。而實現這一切的關鍵技術就是新型網絡架構技術，這項技術能夠在5G通信網絡中創造新的交付方式給用戶，提高通信的質量，還能夠組合云端中的信號傳輸峰值速度和通信數據，給用戶帶來更好的服務體驗，同時能夠最大限度地保證網絡儲存的穩定性。

5 5G通信技術的市場應用前景

5.1 增強現實技術和VR技術領域

隨著科技的不斷進步，增強現實（Augmented Reality，AR）和VR的技術必然將被應用于更多領域，得到更廣泛的普及。而這兩種技術目前還存在成本太高、時延太長以及網速不夠等問題，導致用戶的體驗感并不是很好。5G通信技術無疑將會幫助AR/VR技術改善這些不足，可以大幅度降低通信網絡的時延，和現實無限接近同步，同時能夠實現虛擬圖像的高速穩定傳輸，提高虛擬現實的真實感。

5.2 車聯網與自動駕駛方面

自動駕駛技術是一個熱門研究方向，目前車聯網技術已經相對成熟，正在向自動駕駛技術過渡，而將5G通信技術應用于汽車領域會加速這種過渡，5G網絡高傳輸速度、低時延以及安全穩定的優勢將解決自動駕駛技術的大部分難題。在不久的將來，自動駕駛技術將能夠輕松量產，在全國范圍內普及。

6 結 論

5G通信網絡技術的研發絕不僅僅是讓人們的網速更快，而是能給許多行業和領域帶來革新式的改變。5G網絡技術的應用場景非常廣泛，能夠大大提高移動通信的數據傳輸速度，從而進一步擴大移動通信的覆蓋面。但要完全發揮出5G通信網絡技術的優勢和價值，還需要應用很多其他先進技術，因此在深入研究5G技術之前需要先詳細了解其關鍵技術和應用場景，以便在實際應用中能夠發揮出全部實力。