5G 通信技术应用场景及关键技术分析

邵逸杰

（苏州科技大学石湖校区，江苏 苏州215000）

自19 世纪80 年代移动通信出现到现在，已经过去了将近40年，它在提高我们的生活水平和生活质量的同时，也提高了国内移动通信的研究能力并且产生了新一代技术革新的需求。从2010 年诞生的4G 系统到当下，不断有新的技术产生，也不断有新的需求出现。随着大型MIMO技术，超宽带技术和非正交多址技术的出现，为新一代的5G通信技术提供了理论基础。

1 5G 与其他移动通信方式的联系与区别

1987 年第一代通信技术在中国出现，采用了模拟通信系统的第一代通信技术主要的优点是简单直观，但是和2G 的数字通信系统相比，在保密和抗干扰能力方面存在较大的缺陷。3G 利用蜂窝传输技术，提高了数据传输的速度，并且可以同时传输音频和数据信息。当时的中国移动自主研发的TD-SCDMA 技术成为了我国通信技术发展历史上的里程碑。TD-SCDMA采用了时分复用双工技术，使得传输速度可以达到2Mbps。2010 年以后，4G采用时分复用，频分复用，码分复用和正交多址技术等，使得可以承载的终端数量大大提高，4G基站在全国各地加紧建设。截止到2019 年9月底，移动通信基站总数达808 万个，其中4G 基站总数为519 万个，占64.2%。现在，国际电信联盟也发表声明，5G 被命名为IMT-2020,暗示5G的标准化将会在2020 年形成。

5G 与之前通信技术不同的是，它将有更多元化的应用，应用的场景和对像也会十分的多样。其中，最令人期待的是超宽带技术，大型MIMO 技术和非正交多址技术会在5G 中使用和体现，为完成提高信息传输速率、减低传输误差和优化用户体验的目标提供支撑。新的革新代表着新的机遇以及新的挑战，具有低能耗、低时延、高效率的5G 通信技术值得讨论发展，为5G 技术的普及提升和应用开拓更广阔的领域。

2 5G 通信技术的应用场景

对5G 通信技术的应用场景进行整理，这不仅对技术人员在宏观上形成认知，在思维层面也可以产生系统性的理解，明确5G技术的注意事项使用标准，强化技术人员使用时的针对性和有效性。长久以来，通信技术主要在提供宽带服务方面集中服务，随着5G 技术的发展，每秒可以传输的信息速度达到10G，可以服务的终端密度达到原来的100 倍以上，因此5G 通信技术受时空影响较少。因此，通信技术将会普及到移动医疗，智慧城市和移动电网等物联网服务应用中。

从5G 部署方面来看，它拥有的大规模特点，使得5G 通信技术分布在人口密度大的小区，市中心等地。在这种场景中，每个终端和基站之间的距离不同，信号在传输过程中的损耗也不同，从而导致信噪比有明显的差异。同时在此场景中，人口密度大具有的天线数量也多，数量庞大的用户需要更高效的通信服务。因此采用了超宽带技术和非正交多址技术的5G 通信系统将提供更稳定的通信服务。

5G技术所拥有的低时延特点让它能在多种场景中发挥作用。比如，对时间把控要求非常高的制造业中，及时地快速地低时延地反馈将起到至关重要的作用。还有在智慧交通方面的使用，即使是一毫秒的时延也无可忽视，否则可能对即将发生的事故不能有效避免。

3 5G 通信技术的关键技术

3.1 无线传输技术

3.1.1 大型MIMO技术。此技术通过使用多种天线对同一信号进行同步收发工作，通过多种天线不同的特性来提升接受和发送能力，即多入多出。MIMO技术可以在不增加带宽的前提下将信道容量提升数倍，所以MIMO 技术被称为5G 通信的核心技术。在4G 时代中，OFED（正交频分复用技术）技术推动了多天线技术的发展，让天线信道从2T2R 增加到8T8R，最后实现了8T16R 的信道发展。假如增加天线的数量，就可以维持几十个相互独立的空间数据流，进一步提高频带利用率和信道容量，从而使得5G 技术可以支持的终端数量极大增加。

3.1.2 超宽带技术。超宽带技术（UWB，Ultra Wide Band）是一种新型的无线通信技术。它最主要的特点是，直接对信号进行调制，使得带宽可以达到GHZ的级别。同时提高了数据传输速率，可以分辨纳秒级别的时间，相比于蓝牙技术和Wi-Fi 技术，超宽带技术大大降低了时延。同时UWB技术不需要载波，只在发送信号是需要消耗能量，所以具有低能耗的特点。将UWB技术结合在5G通信系统中，对智慧交通领域的发展起到了很大的推动作用，提高了系统在车辆位置、车间距离、快速反应能力。装载了UWB 技术的汽车具有了防碰撞和检测障碍物的能力，尤其在停车过程中为驾驶员提供了周围环境的信息。超宽带技术在对时间把控要求非常高的制造业中也可以发挥作用。综上所述，超宽带技术为5G通信技术在低时延、低功耗方面的应用提供了技术支撑。

3.1.3 非正交多址技术。多址技术也是无线通信的基础技术之一，每一代无线通信技术的革新都伴随着多址技术的进步。随着网络需求的不断扩张，多址技术也需要再一次的革新，传统的正交多址技术的性能已经难以满足现在的需求。时分多址是将时间域等量的划分为数个小时间域，每个用户在自己的小时间域中发送和接收信息。频分多址是将频域等量的划分产生等量频段的信道，每个用户使用各自的频段收发信息。这两种方法的缺点是不能无限的分割时间域和频域，以免造成严重的互相干扰。4G 中广泛应用的正交多址原理是分配地址码，只有同样的地址码相乘求积分等于1，不同的地址码相乘求积分等于0（即地址码满足正交）。这种方法缺点是没有足够的地址码。因此，在5G通信系统中需要引入非正交多址技术，以满足越来越多的用户需求。

3.2 无线网络技术

3.2.1 NFV技术和SDN技术。无线传输技术侧重于提高5G通信技术对数据的传输能力，无线网络技术侧重于优化用户的体验，同时减少数据传输错误所产生的资源浪费。进一步完善了5G 通信技术。NFV 技术又称网络虚拟化技术，一般来说计算机的运算速率很快，但是需要的数据由网络提供，所以产生了计算机因为数据的不及时提供导致宏观上降低运算速率的情况。因此NFV技术是将网络虚拟化，即将一台计算机里应用的网络集中起来，去除所需要的网络设备。这样就可以释放掉一些“待机”状态下占用的网络资源，尽量多的利用于正需要网络的应用，从而提高网络速度，计算机的运转也将更快，用户的体验就会提高。与此同时，不再依赖网络设备既可以让应用开发者更早地发布产品，也可以让用户降低对硬件的需求，减少硬件的更换。

SDN 技术的核心是将网络结构虚拟化。从以往的情况来看，一个节点从外部获得信息后，只能传输到相链接的其他节点，所以要最终到达目的节点，中间需要经过数个中间节点，一个网络越大越复杂，这一过程所需要的时间和资源就越多。并且，如果两个节点间的链接出现问题，节点并不会解决或者发现问题，它会继续不停地输送信息，不仅降低了传输的速率，所产生的冗余信息还会引发错误，需要额外的资源来清除冗余，进一步降级速率。SDN 技术则是将节点之间的链接虚拟化，产生一个拥有同样节点的虚拟网络。当一个节点接受到外部信息，首先反应给虚拟网络，虚拟网络会实时改变节点之间的链接，是网络结构达到传输最快的状态。

3.2.2 D2D通信。D2D技术是指两个同等级的节点可以在不依靠基站的前提下直接进行短距离信息交流的技术，有效地节省了网络资源，提高了频带利用率，减少4G 中存在的基站压力过大而导致网络不稳定的情况。可以结合蜂窝通信技术，将区域划分成蜂窝的样子，每一个六边形内的交流可以直接进行，相隔的交流在经过基站。但是加入5G 通信系统也同样存在困难，首先，D2D 技术提供的通信能力需要进一步地提高，不仅要增加能够通信的距离，还要优化通信的质量和保密性。其次，D2D通信本身会不会对传统通信方式造成干扰，还需要进一步的研究和优化。

4 结论

5G 通信系统总的来说就是在4G 的基础上尽可能多地应用近年来提出的各种技术，同时在传输技术和网络技术上寻找突破口，根本的做法都是尽量增加传输资源和网络资源的利用效率，在传统的通信技术中搜寻再次利用的可能。尽管存在着一些未确定的情况和未攻克的难题，但只要全体全身心地投入进去，一定可以实现5G通信系统的实用性和商业化的推广。