5G網絡通信技術的應用與發展

胡碧峰

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引 言

2019年是5G網絡通信技術商用的元年，5G網絡通信技術作為最新一代的移動通信技術，一經出現就受到了人們的廣泛關注。與專為移動互聯網設計的4G網絡通信技術不同，5G網絡通信技術借助于全新的無線傳輸技術顯著提高了資源利用率，是4G網絡通信技術的10倍以上，利用新的體系結構，如超密集小區結果等以及更強大的智能化水平，使得系統的吞吐率提高了約25倍，有效改善了網絡性能[1]。在實際應用中，5G網絡通信技術的優勢主要包括網速快、容量大、安全性高以及能耗低等。

1 5G網絡通信技術的優勢

1.1 更高的網絡通信速率

4G網絡通信技術是5G網絡通信技術得以實現的基礎，當前我國的4G網絡通信技術逐漸成熟，在各行各業的應用中發揮了非常重要的作用。因此，在5G網絡通信技術發展的過程中，我國具有著較為堅實的基礎。隨著我國經濟發展速度的加快，逐漸對移動通信網絡的速率有了更高的要求。而以往的4G網絡通信技術雖然在速率上遠超于3G網絡通信技術和2G網絡通信技術，但卻難以滿足當前用戶的需求。4G網絡通信技術和5G網絡通信技術在速率等方面的對比情況如表1所示。

表1 4G網絡通信技術與5G網絡通信技術的對比

用戶通常是基于低信道頻段內進行數據傳輸，這樣的方式能夠保證傳輸質量，同時在對基站進行建設的過程中投入較少。低頻資源具有有限性的特點，這就將會限制到網絡用戶的接入，因此能夠享受到接入服務的用戶就非常有限。國內外在資源頻段的分配上存在差異，我國基本都是由政府負責對資源頻段的分配，國外則是以競爭的形式獲取。我國針對低頻資源的分配缺乏足夠的市場競爭，從而影響了移動通信技術的發展。就目前來看，4G網絡通信技術的載波頻率約20 MHz，在傳輸的過程中基本都使用了多載波碼分多指技術，從而實現對眾多載波的聚合，提高傳輸速度。因此，對5G網絡通信技術進行研究時應當對高頻資源予以更多的關注，確保傳輸速率可以大大提高。通過高頻段資源加快信息傳輸速度，借助更短的波長縮短天線長度，降低天線間距離上的要求，促使基站實現集成天線的設計[2]。

1.2 更大的容量

近年來，物聯網實現了突飛猛進的發展，各行各業均對物聯網引起了較高的重視。物聯網在當前的發展中存在明顯缺陷，還有許多不足需要改進，主要原因就是移動終端的能耗，且無線網絡的覆蓋也是有限的。該情況的原因是終端在接入網絡的過程中將存在非常多的節點，而許多終端在使用時不具備二次充電條件，只能夠憑借自身電池來維持運行。為此，針對這種情況，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）曾以窄帶物聯網技術控制終端使用公路，從而減小網絡傳輸帶寬，并降低發射功率，從而節約電能。4G網絡通信技術和5G網絡通信技術在容量等方面的對比如圖1所示。

圖1 4G網絡通信技術與5G網絡通信技術在容量等方面的對比

2 5G網絡通信的關鍵技術

2.1 大規模多進多出技術

大規模多進多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術是5G網絡通信技術中不可缺少的重要部分，使用此技術可以提高頻譜效率。在實際應用中，該技術還被叫做為大型天線，其是以4G網絡通信技術為基礎，借助多根天線來實現對至多上千根服務天線的使用，在對此技術進行使用的過程中，可以促使基站的多個用戶實現即時通信。MIMO技術示意如圖2所示。

圖2 MIMO技術示意圖

在額外天線的作用下，信號能量的傳輸及接收被整合到小空間內，并且MIMO技術能夠在調度大量用戶終端的同時，實現更多的吞吐量，還可以進一步提高能源效率。在實踐中，該技術最初的設想是時分雙工操作，還可以使用頻分雙工操作。具體來看，該技術的主要優勢包括使用元件成本不高、功耗較小等，有效降低延遲，因此在許多領域都得到了運用[3]。該技術的發展和應用不但解決了眾多問題，并且還對信息技術的發展方向進行了明確。

2.2 毫米波通信

毫米波是微波向高頻的延伸，也是光波向低頻的發展。現階段，世界范圍內所使用的頻段資源都是比較稀缺的，應用較多的無線電通信系統的頻譜基本在6 GHz以下，而在毫米波段內具有眾多未得到開發與利用的資源。基于該情況，5G網絡通信技術將在9.9～86 GHz的領域針對無線接入技術（Radio Access Technology，RAT）展開研究，基于長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術對網絡廣域覆蓋實施深入研究。隨著經濟的發展，當前基站天線的規模有了很大的提高，在原本的空間中所能夠部署的天線數量變得更多，這就對天線波長的控制提出了要求。就目前來看，我國的貝爾實驗室將大規模MIMO技術運用到了毫米波波段，其在提高容量的同時，進一步提高了效率。通過使用峰值傳輸效率達到50 Gb/s的原型機，我國于28 GHz毫米波段的頻譜效率達到100 （b/s）/Hz，在這樣的傳輸效率下，用戶可以更便捷地借助網絡來高效下載，僅需短短幾秒就能夠傳輸百兆數據。在今后可觸式互聯網以及3D等的研究與發展中，毫米波通信技術將會發揮出有效作用[4]。

2.3 D2D通信技術

在5G網絡通信技術中，終端直通（Device—to—Device，D2D）通信技術同樣是非常重要的部分，主要就是與設備間進行通信，其功能是為用戶提供更好的體驗，確保用戶的通信質量。隨著5G網絡通信技術的發展與應用，與D2D通信技術有關的研究逐漸增多，經過多年的發展，此技術已成為5G網絡通信技術中的關鍵技術。D2D通信技術與一般通信技術相比（見圖3），更加簡單、方便。

圖3 D2D通信技術與一般通信技術對比

與藍牙、Wi-Fi等通信技術相比，D2D通信技術能夠在蜂窩系統頻段內運行，即參與通信的雙方在通信距離增加的情況下還能穩定通信，極大改善了用戶的使用體驗。同時，D2D通信在傳輸效率以及實驗性方面也有著較好的表現。現階段，D2D通信技術包括了眾多形式，如廣播、單播、多播等，也正是因為如此，其往往更加難以調度，還具有一定的復雜性。與藍牙技術相比，D2D通信技術在實踐中有著正常的通信距離，并且使用過程也有著更高的穩定性，而藍牙的通信質量相對更低，穩定性也較差。因此，在5G時代下D2D通信技術將會發揮出更大的作用。

3 5G網絡通信技術的實際應用

3.1 5G網絡通信技術在交易領域的應用

5G網絡通信技術在實際應用中具有眾多優勢，如網速快、容量大、安全性高以及能耗低等。網絡基站決定了移動網絡的覆蓋面積，隨著5G技術的廣泛應用，當前對網絡基站的設置將會更加迅速的推進。5G網絡通信技術有著更廣且穿透性更強的局域網信號，能夠更加方便地接收信號，解決了偏遠地區難以連接網絡的問題。線上經濟的發展基于安全且穩定的網絡環境，因此國家應當出臺有關的法律來提供支持。在5G網絡通信技術的作用下，安全系統與工作系統更加協調，其借助列陳天線實現對數據指向性傳輸的信息傳遞模式，防止信息傳遞過程中遭受惡意攻擊，確保了網絡傳輸的穩定。在網絡環境下，安全隱患難免存在，但經過不斷的發展與創新，5G網絡通信技術和其所衍生的各種應用必定會為線上經濟的發展提供足夠安全的交易環境[5]。

3.2 5G網絡通信技術在教育領域的應用

隨著5G網絡通信技術的發展，今后的移動學習將會更加便利，逐漸實現教育領域的“學習泛在化”“情景真實化”以及“學習交互化”等，推動教育領域的信息化發展。隨著5G網絡通信技術的廣泛應用，移動寬帶將會得到有效增強，更好地實現物聯網相關連接數據的傳輸，在教育領域當中建立起超高清、語言交互的互聯線上課堂。5G網絡通信技術延時較低且安全性更高，能夠有效加強學生在課堂中學習的視覺體驗，并且可以更好地與授課者互動。積極組織優秀教師以及教育領域的專業人才來給學生提供遠程在線課堂教學，解答他們的困惑，從而提高教學效果，推動我國教育領域的全面發展。

3.3 5G網絡通信技術在物流領域的應用

對于目前我國物流環境的改善，既需要國家的支持，也需要發揮出先進信息技術的作用。5G網絡通信技術有著網速快、容量大、安全性高以及能耗低等特點，能夠有效實現人與人、人與物以及物與物間的互聯，從而為物流綜合性信息平臺的建設帶來良好的通信技術支持。在平臺中，對物流從加工倉儲到運輸、配送等的各個環節進行整合，以此為物流體系帶來更強大的信息系統支撐，提高物流的效率，為我國物流行業的現代化發展提供良好條件[6]。

3.4 5G網絡通信技術在電商領域的應用

5G網絡通信技術能夠實現對移動寬帶的增強，在超高清視頻、虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality，AR）等當中深入應用，顯著提高傳輸的速度。消費者通過手機App下單各種產品后，可以借助AR全景展示功能直觀地看到商品從生產開始到配送到家的整個過程。根據5G所具有的網速快、容量大、安全性高以及能耗低等的特點，將其運用到現如今非常流行的直播當中，能夠使消費者親眼看到商品生產與銷售的過程，并實現這一過程中的互動，從而幫助商家推銷自己的產品。通過對基于5G網絡通信技術的VR技術、大視頻技術等的應用，電商經營者能夠更加直觀地將產品的形象展示給視頻端對面的消費者，從而讓消費者可以得到更好的購物體驗，提高互動交流過程的順暢性。同時，5G網絡通信技術與電商技術的深入結合，將會有效改變消費者對電商的傳統認知[7]。

4 5G網絡通信技術在今后的發展

近年來，隨著科技水平的提高，針對5G網絡通信技術的研究更加豐富，并且5G網絡通信技術的應用領域也得到拓寬。在今后的發展中，5G網絡通信技術的發展趨勢表現為如下幾點。

（1）網絡層信息安全與隱私。就目前來看，網絡層信息安全及隱患均基于傳統計算機網絡的方式實現，5G網的通信技術在今后發展中所應用的主要是無線通信技術，和傳統技術相比有著更大的優勢。因此，5G網絡通信技術即將會更好地解決用戶隱私和終端安全的問題，安全與隱私問題也將成為5G網絡通信技術在今后發展的主要研究方向。

（2）深海地下高空的通信。5G網絡通信技術和3G網絡通信技術、4G網絡通信技術相比，最大的優勢就是有了更快的數據傳輸速度，因此能夠將其更多地運用到深海、地下等的各種區域，在這些區域實現更快且更順暢的數據傳輸。5G網絡通信技術的應用及發展將會有效解決許多原有的通信難題，對于各個領域的發展均有著重要意義。

（3）納米通信。在近些年中，納米通信是受關注較多的一個領域，主要是在微觀的層面上分析并借助其特性針對5G技術進行研究與應用。有學者指出要結合細胞核病毒傳播的激勵設計無線通信體制，在此基礎上研究天線調制和容量分析等[8-10]。

5 結 論

5G網絡通信技術的發展和應用對各個領域的發展具有十分關鍵的促進作用。5G時代下的“萬物互聯”，能夠幫助人們更方便、快捷地掌握各方面的有關信息，為各行業的發展提供良好的條件。本文對當下5G網絡通信技術的優勢進行了介紹，針對主要的5G網絡通信關鍵技術進行了概述，之后探究了該技術在實際中的應用，最后展望了5G網絡通信技術在今后的發展。總而言之，5G時代的到來必然會非常有效地推動我國各行各業的發展，逐漸被運用到更多的領域中，實現更好的經濟效益與社會效益。