5G的关键技术及应用研究

房静伟

【摘  要】现代通讯面临着海量数据的快速增长，大量的数据对信息的传送速率提出了更高的要求。与此同时，4G商用的成功以及消费者对于更高质量网络的需求促使更多的人才、资金与技术投入5G的开发与研究当中。论文以5G的关键技术为研究对象，对5G的关键技术及应用进行了分析。

【Abstract】Modern communication is faced with the rapid growth of massive data， large amounts of data put forward higher requirements on the transmission rate of information. At the same time， the commercial success of 4G and consumers' demand for higher quality networks have prompted more talents， funds and technologies to be invested in the development and research of 5G. This paper takes the key technologies of 5G as the research object， and analyzes the key technologies and applications of 5G.

【关键词】5G;关键技术;应用

【Keywords】5G; key technology; application

【中图分类号】TN929.5                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）07-0185-02

1 引言

数据信息化的时代对于高速率、高质量通信的要求进一步提高，对人们的生活产生了深刻的影响。因此，5G研究已经成为全球移动通信领域研究的热点。2012年，欧盟正式启动METIS（mobile and wireless communications enables for the 2020 information society）项目，进行5G移动通信网络的研究。此外，日本、韩国等作为对5G重点关注的国家也先后对5G开展了研究。我国的IMT2020推进组也于2013年成立，共同推进5G的发展。本文重点介绍了5G的关键技术，同时对于5G技术的应用进行了分析。

2 5G概述

5G是面向2020年以后的新一代移动通信网络。与传统的通信技术相比，5G具有更好的拓展性、节能性以及可靠性。同时其传输速率的峰值要达到10Gbit/s，设备的连接密度要增加10到100倍，仅有1ms的超低空口时延等。5G是包括多种新型的无线通信技术与现有的无线通信技术的集成，而不是单纯的几种新型通信技术的结合，是对4G网络的发展与提升。5G网络的实现将不仅支持移动互联网的发展，还将极大地促进人工智能、物联网的发展。

3 5G通信的关键技术

3.1 超密集异构网络

各类智能终端的普及导致网络数据与信息交换将呈现爆炸式的增长。为保证未来的5G网络较当前的网络实现1000倍的数据流量增长，减小区域半径，降低节点功耗与增加节点的数量是解决问题的关键。因此，超密集异构网络将成为未来5G的关键技术之一。由于大量节点的部署，拉近了终端与节点间的距离，极大地提高了网络与频谱的利用效率，扩展了系统的容量，增强了系统的灵活性。但是，由于此技术在运行时节点距离过短以及空间的变化会造成节点之间的自干扰，因此，节点距离的调整，系统结构的优化对于抗干扰的性能提升显得尤为重要，这也是这一技术提升与改善的方向。

3.2 自组织网络技术

自组织网络是指具有智能化、自组织能力的网络。随着网络智能化的不断深入，这一技术的应用性将会得到很大的提高。由于对网络增加了自组织能力，网络能够自动执行网络的规划，维护与排障的功能。相较于之前的人工进行网络部署的移动通信网络，自组织网络技术减少了人员的参与，极大地降低了由于人力资源运行、维护成本带来的弊端，提高了5G网络的运营效率。此外，自组织网络中，对于部分功能失效的节点会由其他的节点取代其功能，网络的自愈能力很强，增强了网络的稳定性。

3.3 同时同频全双工技术

同时同频全双工通信技术是一种在通信过程中同时通信、同频接收的通信技术。其原理是在接受过程中尽可能地减少发射机信号的干扰，因而能够最大限度地避免外界環境的干扰。与传统的通信技术相比，由于同步同频全双工技术可以使用相同的频率资源同时实现上行和下行之间的双向通信，使用同时同频全双工通信技术的通讯系统其频谱利用率增加了1倍。随着软硬件发展的不断完善以及数字信号处理技术的不断进步，在5G网络中使用同时同频全双工技术在一定程度上提高了频谱的灵活性。

3.4 大规模多天线技术

大规模多天线的概念是由贝尔实验室于2010年底首次提出的。这一技术是以大规模天线系统为基础，通过将这一技术在5G网络中集成，以降低功耗与成本。信息论表明，随着天线数量的增加，传输的可靠性以及频谱的利用率提升明显。当发送与接受天线的数目很大时，信道容量会随着发送与接受天线中的最小值近似线性增长。因此，增加天线数量是大幅度提升系统容量的有效途径之一，这已成为5G通信中的核心技术。在实际的应用中，为得到更好的效果，往往要将集中分布与散落分布结合在一起使用，提高了移动设备对于空间资源的利用率，降低发射功率，减少信号的干扰。

3.5 D2D通信技术

D2D通信是一种基于蜂窝系统的短距离数据直接传输技术。其特点是消耗较低、通信距离远、应用平稳。在5G网络中，除频谱效率与网络容量的提升，更好的终端用户体验也是重要的发展方向，而D2D通信技术正好满足了终端用户对于更多样通信模式的需求。在D2D通信技术中，通信的控制命令如会话的建立与维持、计费、通信资源的分配等交给蜂窝网络处理，但会话的数据将直接在终端与终端之间传输而并不会通过基站转发。这一技术实现了设备与蜂窝网络数据的远距离连接，通信效率较好，用户的体验也得到了保证。

4 5G技术的应用

4.1 5G为扩展现实XR的发展提供了机遇

扩展现实（XR）是对VR、AR、MR、HR多种视频呈现与交互方式的綜合。基于XR的通信业务在众多垂直行业中有着巨大的应用潜力。

4.1.1 虚拟原型设计

通过5G网络，使计算机产生一个虚拟与现实相组合的、可人机交互的环境，让设计师能够便捷地与包含原型的虚拟世界进行交互，从而快速地进行修改。特别是在商业中，对于房地产、建筑业、航天、家具、服饰以及医疗器械等的设计能够起到重要的作用。

4.1.2 远程医疗

鉴于医疗资源分布的不均衡，很多的患者不能够接触到更好的医疗服务。医生可以通过远程的XR技术为患者提供实时的治疗方案，有效地缓解了医疗发展分布式不均衡的问题。由于5G网络的低延时性，医生为患者进行远距离的手术也成为了可能。

4.1.3 教育

利用5G技术的XR可以很好地还原历史场景，对于人文学科与历史学科的教育可以起到很大辅助作用。可以突破时空的限制，让教学过程中不能接触到的实物用XR的技术得以实时再现。

4.2  5G通信使能泛在电力物联网

4.2.1 万物互联

5G时代下将所有的家用电器互联，不仅可以实现每个家庭的智能家居，而且能够协调多个家庭的用电情况;5G时代下的交通导航延时性小，将5G技术应用于交通之中可以实现智能城市与智能交通。此外，将电力系统接入5G网络，能够对电力系统进行实时检测，评估电力系统的健康状态。因此，5G通信时代下能真正高效地实现电网配电，实现万物互联。

4.2.2 精准控制

无人汽车是未来5G时代一个重要的应用领域。在5G通信中，可以为汽车提供大量稳定可靠的数据，结合5G极低的通信延时对智能无人汽车的及时刹车、转向等决策提供很高的安全性保证。电力系统中的电力以光束传播，速度远远高于高速行驶的汽车，因此。5G的精准控制是其可靠性的保证。

4.2.3 海量检测与高效计算

未来的5G通信为大数据时代多元化数据的获取提供了基础。传统的电力系统，限于通信的压力，仅能保留基本的信息，缺失了细节性的信息。5G使万物互联，解决了通信方面的难题，使网络可以安装更多的传感器以获取多样的数据。而5G时代极高的数据传输效率又促使云计算与边缘计算广泛应用，大大地提高了计算的效率。

5 结语

5G通信是在第四代移动通信技术基础上的发展，大幅度提升了通信的速率与质量。随着互联网技术的发展，相应的通信技术也一定需要不断的改进与创新。

未来的5G一定会更加注重“人的体验”，在用户体验的层面上不断地完善。同时，绿色节能也将会是5G的一个重点研究方向，以实现无线通信的可持续性发展。因此，5G技术具有极大的发展潜力，在今后的建设中，5G建设一定会得到极大的推进。

【参考文献】

【1】赵国锋，陈婧，韩远兵，等.5G移动通信网络关键技术综述[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2015，27（4）：441-452.

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【3】王毅，陈启鑫，张宁，等.5G通信与泛在电力物联网的融合：应用分析与研究展望[J].电网技术，2019，48（5）：1575-1585.