5G无线通信技术的关键技术应用研究

徐 锋

（湖南省通信建设有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引 言

随着移动通信技术的不断发展，移动网络已经深入社会生活的各个领域，改变了人们的生产生活方式，并逐渐与工业、医疗以及交通行业等深度融合，促进社会各行各业的智能化和数字化转型。5G无线通信技术在4G无线通信技术基础上发展起来。与4G无线通信技术相比，5G无线通信技术具有高传输速率、大连接、低时延等优点，能够应用于更多场景，为用户提供多元化的体验服务。基于该背景，文章详细探讨5G无线通信技术的关键技术，加强对5G无线通信技术的开发和应用力度，从而更好地为人们提供服务，推动社会不断发展。

1 5G无线通信技术概述

1.1 5G无线通信技术概念

5G无线通信技术是新一代宽带移动通信技术。国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）定义了5G无线通信技术的8项关键性能指标和3类应用场景，其中较为突出的关键性能指标为高速率、低时延、大连接。3类应用场景包括面向移动互联网的增强移动宽带（enhance Mobile Broad Band，eMBB），面向自动驾驶、工业控制以及远程医疗等领域的超高可靠低时延通信（ultra Reliable and Low Latency Communications，uRLLC），面向环境监测、智慧城市以及智能家居的海量机器类通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）[1]。随着我国移动通信技术的不断发展，5G无线通信技术实现了技术创新，性能指标更加优越。例如，空中接口时延低至1 ms，峰值速率达到10～20 Gb/s，能够达到10 Mb/（m2·s）及以上的流量密度，可以更好地满足移动数据流量快速增长的需求，服务更多用户。

1.2 5G无线通信技术特征

1.2.1 频谱利用率高

如何在有限的频谱资源中融合更多的用户，始终是无线通信领域研究的重要内容。在5G无线通信技术中，运用频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TMDA）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）3大主流复用技术，可以大大提高频谱利用效率，从而高效应用高频段频谱资源。目前，信息技术的发展水平有待提高，高频段无线电波的穿透能力有限，导致高频段频谱资源的利用效率较低。

1.2.2 通信系统性能优越

基于传统通信系统理念的无线通信技术，核心目标在于信息编译码和点点之间的物理层面传输等技术。5G无线通信技术主要将研究重点放在多点、多天线、多用户以及多小区的组网和协作方面，因此基于5G无线通信技术支持的通信系统性能更加优越。

1.2.3 设计理念先进

室内通信业务在通信业务中占据主导地位，因此5G无线通信系统的设计目标以室内通信业务为主，具体包括无线网络的覆盖性能及其业务支撑能力。尤其是5G无线网络的“软”配置设计，使得运营商能够根据业务流量变化科学、合理地调整网络资源，从而降低能耗，节约网络资源运营成本。这是5G无线通信技术领域未来发展和探索的主要方向之一。

2 5G无线通信技术的关键技术

2.1 OFDMA技术

正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技术是一种多址接入技术。OFDMA多址接入系统将整个频带划分为一系列子载波集，将传输数据加载在部分子载波上再分配给不同的用户。OFDMA主要分为子信道OFDMA和跳频OFDMA。其中：子信道OFDMA对子载波的分配相对固定；跳频OFDMA不依赖信道条件，无论信道条件和时隙如何变化，用户都可以使用子载波发送。需注意，不同用户占用的子载波互不重叠，不会发生冲突。OFDMA系统可以根据用户业务量大小动态分配子载波数量，能够提高系统资源的利用率，还能抵抗无线传输环境中频率的选择性衰落，从而获得较高的频谱利用率。未来，需要继续加强对OFDMA技术的研究，充分发挥其频谱利用率高、抗干扰能力强、抵抗多径效应好等优势，为5G无线通信技术和6G无线通信技术的传输提供更多的技术支持[2]。

2.2 MIMO技术

多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术是一种相当复杂的天线分集技术。该技术的原理是在发送端使用多根发送天线，在接收端使用多根接收天线，使得收发之间具备多个信道天线系统来传输信号[3]。信号传输过程中，多径效应会对信号质量产生不利影响，而MIMO系统可以在既不增加发射功率又不用增加带宽的情况下，利用多径效应扩大系统容量和覆盖范围，保证信号传输质量。MIMO技术主要分为空间分集和空间复用。空间分集技术的原理是针对具有相同信号的信息，发送端使用多根发送天线以不同路径发送出去，接收端利用接收天线获得同一数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得最大分集增益，增强接收信号的可靠性。空间复用技术的原理是划分传输数据形成几个数据流后利用不同天线传输，从而提高系统的传输速率。在5G无线通信系统中，主要应用大规模MIMO技术，即配置多个基站端和若干数量的天线。若干数量的天线可以组成大规模天线矩阵，能够为多个用户提供服务，消除用户间的通信干扰，满足用户对通信服务的要求，从而提高用户满意度。

2.3 D2D通信技术

终端直通（Device to Device，D2D）通信技术的原理是2个对等的用户设备在一定距离范围直接通信。D2D通信技术具有明显的技术特征，使用的是蜂窝系统的频段，即使通信双方的距离增加，也能够保证通信质量不变，同时具有信道质量高、传输速率快、时延低等优点[4]。随着D2D通信技术的不断发展，它可以应用在不同的网络中。例如，基于D2D通信技术构成的分布式网络中，每个用户节点既可以接收信号又可以发送信号，能够加强链路传递数据信号能力，解决突发性通信问题。D2D通信技术在5G网络中是一项关键技术，可以加强用户之间的信息交互，缓解无线通信系统频谱资源匮乏的问题。

2.4 云计算技术

云计算技术的原理是将巨大的数据计算程序使用网络“云”分解成无数个小程序，然后处理和分析这些小程序，再将结果反馈给用户。云计算技术属于一种分布式计算技术，可以在几秒钟完成数以万计的数据处理，从而为用户提供强大的网络服务[5]。现阶段，云计算不仅能够实现分布式计算，还能够实现效用计算、并行计算、网络储存以及虚拟化等。与传统的网络应用模式相比，云计算具有高灵活性、高性价比以及可扩展等优势。将云计算技术应用于5G无线通信系统，可以改善5G无线通信系统的应用效果。首先，云计算技术的高灵活性和可扩展性能够丰富5G无线通信技术的功能，使其能够应用于更多场景。其次，基于云计算技术，通信系统能够自动分配网络资源，有利于提高资源的利用率，降低能耗。最后，应用云计算技术能够提高数据传输效率，保证数据传输的安全性。

2.5 绿色通信技术

绿色通信技术是新一代通信理念，能够实现节能减排、减少环境污染以及避免资源浪费等目标[6]。绿色通信技术通过使用智能温控、多载波以及分布式等技术，改造能耗较高的基站，从而达到绿色节能的目的。随着我国通信技术的不断进步，绿色通信技术不断发展，5G无线通信系统逐渐融入绿色通信理念，采取相应的调整措施，改善5G通信系统能耗大的问题。例如：针对5G基站器件功率大的问题，可以根据5G无线通信业务量变化进行动态调整；针对5G通信系统器件功放单元功耗大的问题，可以采用主动缩减其信号包络的峰值因子来降低功耗；针对5G通信系统传输功耗大的问题，可以通过科学合理应用高能效传输技术，优化其链路层传输功率。5G无线通信基站主要由电源系统、空调系统、照明装置、配电系统以及收发设备5部分组成。实际运行过程中，这5部分会产生相应的能耗，其中空调系统耗能占据46%，收发设备耗能占据43%，电源系统、照明装置、配电系统共占11%的耗能。。为了降低空调系统耗能和收发设备耗能，可以在5G无线通信基站中设置自动化控制系统，监控空调系统的运行情况，合理调控空调功率，从而降低空调系统能耗。此外，可以采用分布式基站组网防水和智能关断技术控制基站收发设备，降低收发设备的能耗。

3 5G无线通信技术中关键技术的应用

3.1 在车联网与自动化驾驶方面的应用

近年来，我国车辆的数量不断增多，但是交通信息化水平不高，无法有效解决交通堵塞和交通安全问题。基于5G网络的大带宽、低时延特点，5G车联网技术应运而生。运用该技术能够为汽车和交通行业提供如车载虚拟现实（Virtual Reality，VR）视频通话和实景导航等实时业务，推动汽车和交通应用服务的智能化升级。基于5G无线通信技术的车联网架构，如图1所示。一方面，车辆可以实时对外广播车辆的基本安全消息，包括车辆自身定位和车辆的运行状态等；另一方面，车辆可以广播交通管理与指示信息，包括交通灯和电子标志标识等，引导车辆安全通过交通路口，并且实现路口碰撞预警，为车辆安全驾驶提供安全保障。此外，5G车联网技术可以应用于多种场景，如远程遥控驾驶和车辆编队行驶等。

图1 基于5G通信技术的车联网架构

3.2 在智慧城市方面的应用

在城市化水平和5G无线通信技术水平不断提高的背景下，如何打造智慧城市受到人们的关注。5G无线通信技术的应用可以大大促进城市服务管理水平的提高。一是助力城市安防监控。5G无线通信技术与大数据、人工智能技术充分结合，能够精准识别人脸、行为、车辆以及特殊物品，尽早发现可能存在的危险，增强危险预判能力和快速响应能力。二是助力城市安全巡检。基于5G无线通信技术的无人机、无人车、机器人等，能够为安防巡检工作提供便利，提高城市日常巡查的效率。三是助力城市应急救援。城市应急救援过程中，运用5G通信保障车与卫星回传技术，能够加强5G网络的全覆盖，迅速定位救援位置。同时，5G无线通信技术与虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术、增强现实（Augmented Reality，AR）技术的结合，使指挥人员能够及时、全面、直观地了解现场情况，为应急救援方案的制定提供重要依据，大大提高应急救援效率[7]。

3.3 在医疗领域方面的应用

医疗作为城市服务体系的重要组成部分，是人们关注的重点。医疗领域中，基于5G无线通信技术的医疗应用场景主要包括远程医疗和应急救护等，有利于提高医疗行业的服务能力和医疗服务管理水平。在现有的智慧医疗体系中应用5G无线通信技术，能够实现远程会诊、医学影像、电子病历等服务。例如，基于5G无线通信技术搭建远程医疗系统，实现各类应用，包括远程查房、远程阅片、床旁远程会诊等，大大缓解医疗资源紧张的问题，为危重症患者救治提供有力支持。

4 结 论

5G无线通信技术作为新一代通信技术，具有频谱利用率高、通信系统性能优越以及设计理念先进等优势，应用场景广泛，能够满足用户对通信多样化的需求。文章主要探讨5G无线通信技术的关键技术，包括OFDMA技术、MIMO技术、D2D技术、云计算技术以及绿色通信技术，并从车联网与自动化驾驶、智慧城市以及医疗领域分析5G无线通信技术关键技术的具体应用，以期提高5G无线通信技术的应用水平。未来，相关工作者需要加强对5G无线通信技术中关键技术的研究，推动我国通信行业不断进步，为社会发展提供技术支持。