5G关键技术及其在公共图书馆的应用前景

李 路

（山东医学高等专科学校，山东 济南 250100）

1 引言

随着全球信息技术的飞速发展，高科技信息技术对政治、经济、文化等各领域的影响不断扩大，使人们的工作、生活的节奏和方式持续发生转变。习近平总书记曾在讲话中指出：“世界正在进入以信息产业为主导的经济发展时期。我们要把握数字化、网络化、智能化融合发展的契机，以信息化、智能化为杠杆培育新动能。”由此可见，信息控制技术将对推进“五位一体”总体布局和“四个全面”战略布局产生深远的意义和影响。

2019年6月，工业和信息化部向移动、联通、电信、广电四家企业发放了5G 商用牌照，因此2019年也被称为5G 商用元年。从1G 到5G，信息技术革命的每一次更迭，都使社会发生深刻的变革和巨大的进步。5G从概念诞生到标准制定再到各国开始组网，所有国家都想掌控话语权，占领5G 技术的制高点，因为全世界都知道这是“数字经济动力的新引擎”，掌握了5G 就掌握了未来一段时期发展的先机。5G技术必将引发一场数字文化及产业颠覆式的变革，即将催生文化事业的转型，为加快中华优秀传统文化传播、经典文化保护传承以及文化事业和产业的创新，开辟出一个崭新的维度空间。

2 5G在世界各国的发展战略审视

5G 是实现万物互联的底层基础设施，是领跑未来的重要武器，是未来经济、军事的权柄所在。5G技术将成为提升智能、提高效率、增加财富的关键，会给未来社会的产业经济带来深刻的变革。世界各国都对5G技术十分重视，中国和美国已将5G上升为国家战略。

2.1 中国

中国政府高度重视5G 产业的发展，在相关关键政策方面为5G 产业的发展指明了方向，《中国制造2025》指出要全面突破第五代移动通信（5G）技术；《国家信息化发展战略纲要》指出5G 要在2020取得突破性进展；《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》要求加快构建高速、移动、安全、泛在的新一代信息基础设施，积极推进5G 商用；《关于进一步扩大和升级信息消费持续释放内需潜力的指导意见》要求进一步扩大和升级信息消费，力争2020年启动5G商用。

2.2 美国

美国在4G 时代作为技术领导者，仅依靠技术就获得了大量的进出口收入来源，使美国的经济发展有了一个质的飞跃。美国认为5G 所能创造的价值将超过4G，因此也想将5G 的制造、标准及专利牢牢地掌握在其手中。5G更被赋予了国家安全的重要含义，美国原首席战略顾问史蒂夫·班农发表无道理的“中国威胁论”演讲，他认为中共十九大制定了通过推进包括5G 网络在内的四大经济战略来实现国家战略目标，如果中国的这种发展状况不加以遏制，西方尤其是美国将再次陷入20世纪上半叶的大萧条。

2.3 德国

以德国为代表的欧盟认为，5G 或将成为欧洲数字化经济变革的关键使能器。他们主要以推动5G 研究为主，重点关注5G 技术在垂直行业的应用，计划到 2020年实现 5G 商业化应用，2025年实现5G国内全覆盖。德国还期待与世界各国合作，一道增强5G 网络的联通性，共同开发5G 网络应用。

2.4 韩日

2019年4月3日，韩国正式开启5G网络商用，成为全球第一个商用5G 网络的国家。5G 技术助力平昌冬奥会开幕式，韩国三大运营商专门针对AR、VR、游戏推出了基于5G 的内容和平台活动，大大提升了客户的体验感。韩国未来还计划在打造沉浸式内容、智慧工厂、无人驾驶汽车、智慧城市、数字健康等更多领域中运用5G。

日本提出了“Beyond 5G”。预计2020年在移动终端投入使用的5G 传输速度将达到当前网络通信速度的100 倍。在进入到超高速通信标准之后逐渐推进开发无人驾驶和无线输电等新技术，到2040年相关经济产业规模扩大3倍，达到112万亿日元。

从以上描述中我们可以看出：中国和美国将5G 视为国家战略；以德国为首的欧盟国家专注于技术和现实应用；韩日的目光更多聚焦于经济效益。

3 5G的发展和关键技术

5G 技术即第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Network，简称5G 或5G 技术）是最新的移动通信技术，也是继4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）、2G（GSM）和1G（模拟蜂窝）之后的技术延伸，是集高数据速率（下载速度是4G的100倍）、低延迟（传输延时是4G的百分之一）、高系统容量（同面积下用户连接数是4G的100倍）于一身并更加安全的蜂窝移动通信技术。

3.1 1G到5G的发展

从1G的语音通话到4G的多媒体服务，再到即将迎来的5G万物互联，深刻地影响着社会大众的日常生活，下面将1G 到5G 的发展历程、技术应用简要加以说明（见表1）。

表1 1G到5G的功能和技术发展

3.2 5G关键技术

5G的通信性能提升并不是仅靠一种技术就可以实现，而是需要多种技术相互配合共同实现，以下介绍5G技术应用中的几种关键技术。

3.2.1 超密集异构网络

5G 使用场景大多要求高传输速率，所以未来5G 网络的主要频段将集中于高频段，需要建设更多的微基站，新增大量的网络设备，又基于5G 网络的设计需求，即5G不是取代之前几代的通信技术，而是需要多种无线网络接入共存，因此如要满足5G场景下高速率、低延迟、高容量、高密度流量的用户体验要求，就需要采用超密集异构网络架构。这也使超密集异构网络技术成为5G 网络研发、推广不可绕过的关键技术之一。

3.2.2 自组织网络

自组织网络（Self-Organizing Network）可以在没有固定的基础设施或者无法使用现有网络基础设施的情况下，使得终端之间能够保持相互通信。自组织网络技术主要可以解决网络部署阶段的自规划和自配置以及网络维护阶段的自优化和自愈合。自规划能够对网络进行动态规划和执行；自配置使新增网络节点实现即插即用；自优化可以对网络参数进行判断并自动提升网络性能，减少人工业务量；自愈合则指自动检测问题并排除故障，降低维护成本、提高用户体验。

3.2.3 内容分发网络

内容分发网络（Content Delivery Network），有时也被称作内容传递网络，通过实时判断网络中的流量和负载状况、用户距离及响应速度等，从而将用户的请求引到离用户最近的服务节点上。这样一来用户可以就近取需，缓解网络拥挤，提高响应速度。内容分发网络作为一种提高网络服务质量，特别是流媒体数据传输的质量，节省基础网络带宽的技术，在国内外得到越来越广泛的应用，将会对5G 网络中用户访问环节起到关键的支撑作用。

3.2.4 信息中心网络

信息中心网络（Information-Centric Network）以信息为中心，只将IP地址作为一种传输标识，某个信息第一次被请求时，网络链路各节点顺次发送请求到信息发布方，发布方接到信息请求后将相应信息反馈给需求方，此过程中链路上各节点会将该信息记入缓存，当其他人再次有对该信息的请求时，离其最近的节点则直接将缓存中的信息回应给请求发起者，达到快速响应的目的。

3.3 5G的黑科技

3.3.1 毫米波

毫米波（Millimeter Wave），因其波长仅为1～10毫米，所以被称之为毫米波，它在波谱中位于微波与远红外波相交叠的范围，因而兼有微波和远红外波的特点，其频率高、波长短、频谱宽，能够大幅度提升信道容量，增强信道稳定性，又因其传输波束较窄，不易被窃听，因此适用于稳定、高速的数据安全传输，可以满足5G时代数据传输要求。

3.3.2 微基站

微基站（Micro Site）是相对于之前大功率发射基站（宏基站）而言的，因为上面提及的毫米波有一个缺点，那就是遇到障碍物时的穿透性比较差，而利用毫米波传输数据的5G 网络要想广覆盖和深覆盖，就势必要增加基站的数量来保证网络的覆盖范围。相对之前的宏基站，微基站具有外形小巧美观、综合成本低、可海量装设、覆盖面更广、网络信号更稳定等优势。

3.3.3 波束赋形

波束赋形（Beamforming）是为了自适应用户应用场景而自动调整天线阵列的辐射方向的一种技术。在3G、4G时代，遇到高密度人群时，即使手机上显示满满的3G或4G信号，网速都是无法令人满意的。因为传统的基站是机械式的向四面八方发射网络信号，不管每个方向上人多还是人少，在很大程度上造成了资源的浪费。而5G 的基站利用波束赋形技术可以使电磁波直接指向用户的设备，并且可以跟随用户的设备移动自动改变方向，使得用户不用再刻意寻找信号强的位置，也不用担心其他信号的干扰。

3.3.4 D2D

D2D（Device-to-Device）简单理解就是设备到设备，也可以称作终端直通。在之前的通信技术下，每对用户无论是发送和接受请求，还是发送和接受数据都需要通过基站中转，即发送方发送通信请求和数据传送指令给基站，基站确认目标后再发送接收请求给指定的接收方，造成了传输高延迟、低效率。在5G 网络中，基站只负责传输请求指令，而数据则不再通过基站转发，直接在用户手中的终端之间传输，无形当中减轻了基站的负担，大大减少了数据传输的延迟，从而提升了网络性能，增强了用户体验。

4 5G在公共图书馆的应用模式探索

在5G 网络建设成型之后，各类新的应用将成为下一阶段5G 研发、使用的新方向。工业4.0、无人驾驶、虚拟现实、远程协助等新型产业应用都将在第五代通信技术下得以实现。未来5G 与垂直行业的深度融合及大规模商用将为互联网传媒、安防、消费电子、金融、文化教育等行业带来新升级的巨大机遇。

5G将开启万物互联时代，而图书馆作为信息、知识的存储和传播者，在5G时代的业务内容和服务方式都将产生巨大的改变。依托上述5G 的智能无线网络架构，在未来可实现连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低延时高可靠等部署场景。从公共图书馆业务实践的视角，探讨图书馆5G 服务模式，细化其可能提供的服务内容，具有一定的前瞻性及现实意义。现就以上几大特点，结合公共图书馆的业务需求就5G技术的应用前景加以探索。

4.1 导览导航、无感借阅

基于热点高容量特点，读者在进入图书馆后通过5G 超高带宽、超快网速，可利用终端APP 进行导览导航，结合无线精准定位技术享受导览系统内包括语音、视频、虚拟形象的AR服务，也可进行讲座、演出区域的座位导航等服务。另外读者在进馆时就通过人脸识别技术等多重验证方式完成身份认证，并与图书馆中的智能书架、门禁闸机等系统进行连接，使读者能够顺利地找到自己所需图书，进行阅览或者完成借还操作，最终确认信息通过后台返回到读者的终端显示。

4.2 超清全景互动

超高清视频业务被普遍认为是5G 网络可以最先实现的场景，5G 网络良好的承载能力能够毫无压力地解决8K 超高清与VR 视频的传输问题。结合热点高容量和低延时高可靠特点，5G 时代的图书馆可以将各种面向读者的活动和会议通过多点定位的摄像头进行拍摄，同时将馆内的主题空间全景拍摄并实时展示，读者们可以通过VR装置进行观看并虚拟互动。

4.3 云课堂

在5G 场景下，公共图书馆可以在真实空间和虚拟空间中同时举办讲座、展览及培训等活动，以VR 方式来直播互动，同时涉及的相关资料以AR方式呈现在读者的视线当中，而讲座将自动转录成慕课之后在网络上发布，图书馆读者利用5G毫秒级D2D的时延，用几秒钟甚至不到1秒的时间下载流畅、高清的慕课视频，极大地提升了读者的图书馆体验。

4.4 精准推送

目前的智慧图书馆已经开始使用大数据技术来分析读者阅读和活动的喜好与个性化，只是受限于当前网络的传输速度和承载能力无法满足海量读者日益增长的文化需求。5G技术将较好地解决这个问题，依靠5G技术可以将信息系统加入云计算系统，缓解服务器的计算压力，把多媒体阅读、游戏场景阅读等多元化阅读体验按需精准推送给所需读者，随着技术的更新升级图书馆也会进行各种服务的创新，加深图书馆对读者的吸引力。

4.5 智慧场馆、智能安防

在5G 技术的支持下，图书馆建筑中的所有电子设备可以实现全部在线智能控制，通过系统实时监测和分析保障图书馆运行的各个关键信息，包括楼宇内所有的空调、灯光、电梯等设备，可以按照规则要求提供客流管理、人脸识别、绿色节能、灾害防护等服务。

视频监控作为智能安防最核心的部分，5G 网络可以大幅提升4G 环境下监控视频的传输和反馈速度，并提前预警，使安防系统做出更合理的判断，同时在5G 技术和环境的支持下，也会有更多的智能安防机器人出现在巡检体系中，依照指令进行巡查、应急处理等工作，减轻了人工压力。

4.6 口袋图书馆

当今社会，手机、PAD等多种小巧的移动终端不断满足着我们对生活个性化、品质化的追求，那么浩如烟海的中国优秀传统文化是否也可以装到可随身携带的设备放到口袋中，变得随手可及、随时可学呢？作为传统文化的传承和传播者，5G 时代的图书馆将积极推进数字化、信息化、智慧化建设。公共图书馆可以利用5G 广域覆盖的场景特点加强自身对AR/VR、全息影像等高新技术的融合应用，使读者能够在5G+AR/VR 的环境下穿越时空，让书籍中的场景得以还原，而不再依靠脑海中的想象，从而为读者带来生动的沉浸式全新文化体验。实现这一切，读者只需使用便携的移动设备、可穿戴设备，让公共图书馆真正成为口袋图书馆。

4.7 总分馆全覆盖

为有效扩大服务半径，打通图书馆基层服务的“最后一公里”，当前公共图书馆都在大力推进总分馆制的建设和发展。分馆共享总馆的资源，一切行为都依靠网络来和总馆进行通信，这就对网络通信有很高的要求。受限于现有的网络通信条件，那些经济薄弱、网络基础建设尚未完善的地区，无法开展总分馆建设，使图书馆服务拓展陷入停顿。基于连续广域覆盖的特点，5G 技术的应用能够打破当前网络通信的瓶颈，总分馆之间突破数字链路物理连接的限制，分馆地区可通过5G信号超越时间和空间的桎梏，在任意时间、任意地点与总馆进行业务通信，使图书馆服务真正实现全覆盖。

5 结语

与科技融合是文化发展繁荣的重要驱动力，文化也是科技应用的重要领域。信息随心而至，文化触手可及。随着大数据、云计算、移动互联网、人工智能、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等高新技术的广泛应用，深刻改变着文化发展的路径，文化与科技联手，势必开启5G时代图书馆创新发展的新篇章，而促进图书馆行业的信息化建设与服务创新，也必将为5G技术的应用提供更加广阔的舞台。图书馆界要提高认识，抢抓机遇，着力制定规划、完善机制、加强统筹、深化服务，在“5G+图书馆”事业中抢占先机、赢得主动，由此必将在5G技术的创新科技驱动下为推动中国图书馆事业的发展，推动公共文化服务的繁荣，推动文化强国和学习强国建设做出更大的贡献。