5G 无线通信技术概念及相关应用的思考

2019-08-23刘明阳

数字通信世界 2019年7期

刘明阳

（湖南省邮电规划设计院有限公司，长沙 410126）

5G 移动通信系统的覆盖广、延时低、功耗小等多种优点促进了互联网的发展。在5G 无线通信技术的应用中，需要从不同角度出发，采取有效的方法来完善相应的技术体系，调整互联网组织结构，实现信息多层面控制的效果，有效提升互联网的使用效率。

1 5G 无线通信技术概述

在云计算、大数据、5G 技术、物联网等技术的推动下，互联网进入了全新的发展时代，在市场经济和相关的国家政策双重作用下，互联网迎来了新的发展热潮。互联网是机器、人、物料、信息系统之间连接的基础性网络，全面感知工业生产数据，并实现动态传输和实时分析，优化制造资源配置，对企业制定科学的决策和生产智能化控制起到了积极的推动作用，已经成为企业在激烈的竞争市场上立足的关键，使我国面向全球化发展，朝着国际化的制造大国努力。

5G 技术在国内外的研究均取得了巨大的突破，例如毫米波、自动驾驶机动车、无人机、接入单元等，我国从2009年就已经开始5G 技术的研究，并建立了5G 原型机基站。通过升级改造相关的基础设施，使工业互联网得到了稳步发展，不断引入先进的通信技术，如低功耗广域网、软件定义网络、5G 等，使工厂内部的网络实现扁平化、IP 化和柔性化发展，外部网络延时性更低、可靠性更高、覆盖更广。5G 技术除了连接着人与人之，还是物与物、人与物之间的联系，根据发展趋势来看，5G 系统需要满足以下几种技术要求：一是传输速率需要提高10至100倍，用户体验速率达到每秒钟0.1 ～1Gb，用户峰值速率达到每秒钟10Gb；二是延时降低5 ～10倍，达到毫秒量级；三是设备连接密度要求提高10 ～100倍，达到每平方千米600万个；四是流量密度要求提高100 ～1000倍，达到每平方千米20Tb/s；五是为了提高用户体验，移动性要求超过每小时500km。

2 5G 无线通信技术的应用

2.1 智能传感器

互联网通过射频识别、传感器等对全生命周期实现不同维度的信息监控和收集，包含人员、流程、设备、原料、生产环境等多种数据信息，在这个过程中成千上万各传感器和执行器，功能型号随生产场景的不同而存在一定的差异，它们之间的联系需要依靠5G 技术的支持。传感器由转换元件、敏感元件和转换电路组成，分为内部和外部两种传感器类型，相当于人体的器官。一台智能化机器人身上综合应用了触觉、视觉、力觉、超声波、听觉等多种传感器，以便对生产过程中的参数实现全方位的监视及控制，从而确保生产出高质量的产品。当生产制造环节对环境敏感程度要去较高时，传感器收集信息后需要进行极低延时的信息传递，信息快速到达执行器件进行高精度的生产制造，这个过程5G 技术能够很好地实现低延时、高可靠的需求，有效提高网络可靠性，为安全高效的生产提供保障。采用FPGA 为控制核心，以状态机的形式，通过A/D 转换芯片与FPGA 芯片之间的数据接口，编程设计采集单元的控制时序和读写时序，用于控制A/D的时序转换及数据采集。然后再由光电转换模块将采样结果发送至综合监测单元。FPGA 控制整个采集单元的时序。系统功能结构框图如图1所示。

图1 系统功能结构框图

2.2 云AR/VR 与5G 相结合

智能化生产通过AR/VR 大大提升生产效率并减少安全隐患，例如：在进行工业装配、工业维护的智能化制造时，进行虚拟装配培训，通过VR 技术实现图纸向VR 工厂的转化。这个过程要去辅助AR 设施具有极强的灵活性，使维护工作更加高效，仅要求AR 设备具有显示和连接的功能，借助无线网络将AR 设备与云端联系，在云端实现设备信息的处理过程，有效减小硬件成本的投入。经过计算，无线网络双向传输的延时只有控制在10ms之内，才可以有较好的实时体验效果，LTE 网络无法达到这种延时要求，将5G 与VR/AR 相结合能够拓展交互性，满足相关要求，这种结合方式具有较强的通用型，被广泛地应用在各个领域。

2.3 云端机器人

5G 环境下的机器人是纯粹的执行器，智能处理功能都集中在云端，通过5G 网络使机器人共享云端处理指令。阿尔法狗这一级别的需要176个GPU 和1202个CPU 才能实现相应的处理能力，在每个机器人上都装入这些是不切实际的，而5G 技术将这种复杂的处理转移到云端，将机器人获取的信息发送至云端，然后将云端处理结果反馈到机器人本体，有效控制新增硬件的成本并提高处理效率。为了整个处理过程高质、高效地完成，对网络的要求较为严格，首先要求网络传送时间和远端处理时间相加在100ms 以内，其次，为了实现3D 视觉，机器人需要安装两个以上的高清摄像头，5G 网络的带宽应不低于10Gb/s。