5G通信应用场景和关键技术研究

侯瑞东

（南京广播电视系统集成有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

5G通信系统具有高带宽、低延时以及低功耗的特点，对通信技术发展具有显著潜力，尤其是在大数据和人工智能等方面具有基础支持作用，同时作为信息时代的基石，为大数据、人工智能、通信、计算机及互联网为基础的万物互联和智慧生态的建设提供引擎和动力。因此加强对5G技术的理论技术研究和应用场景领域研究显得极为重要，对此本文从技术层面和应用层面进行了探讨，旨在为5G通信技术发展缕清脉络，促进其发展。

1 5G通信技术内涵

5G通信系统涵盖MIMO技术、空时编码技术、自组织网络SON技术、M2M通信技术、非正交多址技术以及超宽带技术等关键技术，具有极高的频带宽度，以及高容量和高速通信的效能。其使用了较高的波段，传输能力相比前代系统显著降低，大规模MIMO技术的应用成为推动这一缺陷弥合的关键，但是大规模的天线阵列的应用将会占用大量的场景空间，这样会对整体环境布局有所影响，此外中继基站的设置成为最大问题，网络系统的安全维护难度也会有所增加，因此短期内这一项新技术的应用将面临很多不确定的问题。

2 5G通信关键技术概述

5G通信技术作为新一代通信技术，具有如下特点及优势。一是注重用户体验，技术创新发展提速，二是点对点通信传输转变为多点传输、多用户、多天线以及多小区组合成为技术发展关键，三是使用更高的通信波段，这样虽然会削减传输能力，但是使用的频带资源会更多，四是具备较好的软配置能力，这样运营方可以根据客户需求对网络资源进行优化配置，从而削减成本，提升用户体验。

2.1 MIMO技术

对于无线通信网络而言，当进行收发信息的过程中采用多个天线来传输信号的方式被称作为MIMO无线通信，具体如图1所示。MIMO技术的核心环节就是采用了多天线技术手段实现了信道容量的显著扩大，其中一般采用分布式天线技术，这种方式的天线布置能够显著增大各个天线之间的距离，由此使得获取的信号保持近似的相对独立。另外还会采用空时编码技术，这一技术主的作用在于调整来自各个天线信号的融合等，由此提升信号的增益或者通量。

图1 MIMO传输系统示意图

根据上述的分析可知，MIMO技术的本质在于为当前的通信系统提供足够的空间分集增益和空间复用增益。前者可以有效改善信号传输的可靠度，并有效降低误码率，而后者的作用则是提升信息传输速率。

2.2 空时编码技术

空时编码（Space Time Coding，STC）技术对提升天线分集对应的通信容量有着开创性意义，其作为一种高效数据传输的编码技术，实现了信号传输在空间和时间上的结合，依托多天线技术实现了空间分集，而且在时间上实现了时分复用，极大地提升了分集和编码增益，传输速率也显著提升。空时编码在不同天线所发送的信号中引入了时间和空间的相关性，从而能够在不增加带宽使用量的基础上在接收端获得不同编码条件下的分集和编码增益。从其表现特征上看，空时编码技术可以根据发射机和接收机是否需要获取信道状态信息分为两个两大类别，第一类是需要知晓信道状态信息，其可以进一步分为分层空时编码（LSTC）、空时格型编码（STTC）以及空时分组码（STBC），第二类编码为不需要知晓信道状态信息的编码，其可以进一步分为酉空时编码（USTC）和差分空时编码（DSTBC）。

2.3 自组织网络SON技术

SON作为重要的网络技术，为了改善无线通信中的自主性问题，通过自治方式实现网络共享，从而减低人工干预，降低运营成本。对于该网络架构而言，主要功能可以概括为自配置、自优化以及自愈3个方面。对于自配置而言，主要涉及设备在安装上电到用户设备正接入业务过程中，网络自动完成配置，减少安全调试过程，实现即插即用功效。自优化是调整用户终端和基站之间的网络运行状态，参数优化均通过网络自适应优化以实现性能改善。自愈是指整个网络能够进行自我故障修复、网络故障预警及定位，并能够自动消除部分问题，从而以最小化影响网络用户使用程度[1,2]。

2.4 M2M通信技术

M2M是指数据从一个用户终端转移到另一个用户终端，实现机器与机器之间的对话，这种方式目前在物联网领域应用较为普遍，具体技术形式见图2。从当前发展来看，该技术已经应用多个领域，具体包括智能化机器设备、M2M硬件设备、通信网络以及中间结构等。其中智能化机器就是让机器具有一定的分析能力，进行一定领域上对人的取代，M2M硬件是使机器可具备联网能力和远程通信的部件，可以进行信息提取，实现自我分析，通信网络是在以以太网和广域网为基础的通信网络中实现M2M转化，而中间结构可以使M2M网关完成在不同协议之间的转换，在通信网络和IT系统之间建立桥梁。

图2 M2M技术

2.5 非正交多址技术

非正交多址技术（NOFDM）起源于正交多址技术（OFDM），后者信号各个子载波呈现相互正交性，在使用OFDM技术时，信号解调过程中只会解调出对应子载波上的信号，不会影响其他子载波上的信号。由于OFDM信号子载波间是相互正交的，因此可以使子载波的频谱相互重叠，这样极大地提高了频带效率。而在NOFDM技术下，这种正交性被打破，子载波之间的重叠会更高，因而能够提升信号中涵盖的子载波数目，由此实现了单一信号符号涵盖更多信息，提升信息传输效率。当然高度重叠的子载波导致接收端解调难度增大，对此需要打破常规，采用稀疏理论，在稀疏变换域空间实现各个子载波的变换表达，从而离散各个子载波，实现载波信息的有效提取，进而实现高容量信息的传输过程[3,4]。

2.6 超宽带技术

超宽带技术（UWB）作为一种信息无线通信技术，通过尖锐上下变动的脉冲信号直接调制来实现数量级为GHz的宽带容量。这一技术的出现显著提升了无信通信能力，使得便捷极速的5G通信成为可能。通过相应技术测试可知，该技术对无线通信信道不敏感，并且设计系统复杂度不高，抗截获能力强并且呈现出低功耗特性，因而成为5G通信技术体系中最为重要的技术细节，在智能交通、传感器网络以及成像系统等领域有着广阔的前景。

3 5G通信应用场景分析

3.1 5G通信技术在城市轨道系统中的应用

当前在我国的城市轨道交通系统中已经实现了2.4 GHz频段的无线通信覆盖，并且结合WLAN技术实现了车地之间的网络连接，而且其连接的稳定性能直接对轨道车的安全平稳运行产生直接影响。对此在5G通信技术背景下，要求不断提升城市轨道交通无线通信，根据当前运行情况，稳定、安全可靠以及具有高速高容量的信息传输成为重要需求，低功耗的设计作为资源节约型社会发展需求也是一种重要考虑方面。此外，如何将单站点的低功耗效果转化为整体层面的节能现象成为5G通信技术在城市轨道交通系统中应用的关键支撑。总体来说，良好环境适应力、安全稳定以及大带宽的车地传输网络是最主流的技术选择，因此如何满足这些要求成为5G通信技术接入的关键问题。当前为了实现车地直接的稳定可靠的通信连接，需要不断采用最新和最成熟的无线通信技术，且同时考虑轨道交通具体要求进行网络整合，紧跟时代步伐。

3.2 5G通信技术在物联网背景下的应用

物联网思维模式的核心在于感知，即感和知，前者主要是获取数据，后者则是分析信息。对于物联网而言，获取数据和分析信息是组建千变万化智慧生态的基础单元和思路，而实现这个环节需要强大的通信网络进行数据传输，5G通信成为首选。因此在物联网形势下，需要根据万物互联思维，除了在物联网技术的应用上下功夫外，还需要通过5G通信网络掌握各类信息，并对信息中有价值部分进行挖掘获取，从而形成对整个物联网体系建设调整的重要依据。由此可见，5G通信技术是物联网体系搭建的基本单元，而物联网系统则是5G技术高级拓展应用的关键目标，二者之间相互关联，密不可分。此外，物联网背景下，各种智能化的设备设施开始深入到人们的生活，为人类生活的便捷化提供了可靠的技术途径。智能化技术作为智能设备和设施的技术支撑，在整个智能化业务发展中起到了关键作用，实现这些关键作用的主要基础技术则是通信网络技术，而在通信技术不断发展中，多元化发展势不可挡，5G通信技术必将引领通信网络潮流，其高通量和低延时的优势能够迅捷地实现高通量数据交互，为实现数据时效性分析有着重要促进作用。

4 结 论

本文结合5G通信技术，重点探讨了5G通信关键技术和应用情况，通过分析MIMO技术、空时编码技术、自组织网络SON技术、M2M通信技术、非正交多址技术以及超宽带技术等关键技术明确了5G通信技术基本体系，在此基础探讨了5G通信技术在城市轨道交通智能化建设和物联网体系扩展应用等主要应用场景，阐述了5G通信技术的广阔应用前景。