5G通信网络关键技术及应用研究

2021-04-04张海力彭泽民施莹弘何元峰

信息记录材料 2021年5期

张海力，彭泽民，施莹弘，刘葵，何元峰

（浙江纺织服装职业技术学院<物联网应用技术研究院> 浙江宁波 315211）

1 引言

互联网的发展与普及不断更新着人们的通信形式，使人们的交流方式发生了翻天覆地的变化，也加快了各行业的运作速度。近些年来，新一代网络通信技术诞生了，它就是5G。如今5G在通信领域备受关注并成为研究重点。为提高通信网络的性能、确保数据传输的稳定性与高效性、优化用户的使用体验，5G通信网络的关键技术是必不可少的。并且我们相信未来5G通信网络技术的应用领域会变得越来越广泛。

2 5G通信网络

我国的移动通信网络已经先后经历了2G、3G、4G这几个阶段。2G通信网络实现了数字语音、短信与上网，但信号不稳；3G通信网络实现了通话与信息的同时传送；4G通信网络满足了移动数据、移动计算及移动多媒体运作的需求。5G通信网络是基于第五代移动通信技术的网络，是4G通信网络的升级产物[1]。对于5G通信网络来说，目前还没有统一的概念及标准规范。5G通信网络与4G通信网络相比有一定的优势，前者具有较快的数据传输速度、较大的容量、较高的数据传输稳定性以及较强的信号抗干扰能力[2]。其也能对多种多样的数据资源进行深入挖掘、优化配置与利用，更好地满足人们在工作和生活中的需求。5G通信网络的特点如下：①网络连接功能增强。人们无论在何时何地都能迅速地连上网络，这能有效避免出现网络连不上、网络中断等问题，而且5G网络运行速度非常快，能缩短用户的等待时间，使用户获得更好的使用体验感受。②能耗降低。由于智能手机、智能手表等移动通信设备的使用数量增加，其电能消耗效率受到人们的关注。为使用户的通信设备具有更长的运行时间、待机时间，5G通信网络可在确保信号稳定的基础上，消耗更少的电能。③热点高容量。在人员密集的地方，4G通信网络可能出现因流量需求大而传输速度变慢的情况，而5G通信网络能实现平均分配流量，从而避免产生数据传输滞后、卡顿的现象。

3 5G通信网络关键技术分析

5G通信网络的运行需以关键技术为支撑。总体来说，5G通信网络关键技术包括无线传输技术、无线网络技术及其他关键技术。

（1）无线传输技术又包括大规模MIMO技术、F-OFDM技术与全双工技术。①大规模MIMO技术是5G通信网络中的关键技术之一，是一种确保通信网络运行稳定且安全的技术。该技术不仅操作简单，而且能达到很好的效果，如今已经获得人们的广泛应用。其实现了天线阵列的组成，使多个天线进行连接，而且无须改变基站带宽和密度，提升频谱效率，确保信息传输质量，从而使多地区多用户安全、稳定、高效地进行同时通信。需要注意的是，在使用该技术时应对天线进行合理调配，即结合现场实际对天线数量进行适当的增加，并科学应用混合配置方式，增强天线分布配置效果，从而提升信息传输、接收的效率。除此之外，这种天线配置方式能有效提高智能设备对空间资源的利用率，即便出现信号干扰的问题，该技术也能对其进行屏蔽。②F-OFDM技术，也叫正交频分复用技术。该技术利用载波器，能将信道转变为很多子信道，将高速信息流分散为低速子信息流，并且使各正交子信道传输这些并行的子信息流，从而提升抗信号干扰能力，确保信息传输的实效性。而且，该技术能通过合理配置循环前缀、子载波间隔等来适应不同的业务需求，进而使时频资源得到更充分、有效的利用。③全双工技术。该技术应用于5G通信网络，能够有效除去信息发射端、信息接收端中存在的干扰因素，提高通信网络的抗干扰能力，使信息数据的传输变得稳定而高效，而且实现了信息在发送与接收过程中对时频资源的共享，使发送信号、接收信号的功率不会受到影响，从而促进5G通信网络使用效果的提升。

（2）无线网络技术又包括超密集异构网络技术、自组织网络技术等。①超密集异构网络技术。该技术的应用使网络系统容量得到扩展，这样信息数据就能同时进行存储与传输，而且信息数据传输速率不会受到影响。与此同时，为达到5G通信网络的运行标准，可适当调整传输距离与终端距离。此外，为提升抗干扰能力，应对结构节点距离予以调节，对结构形状进行改进优化。②自组织网络技术。该技术是解决5G网络部署问题的一种有效手段，能对超密集网络进行及时有效的处理，对通信网络进行智能化恢复，促进系统自配效率的提升，不断优化完善网络结构，而且能自动检测分析通信网络运行中的故障，并将产生的问题上报到核心系统，以便工作人员及时进行维修，同时可大大降低人为操作失误的发生频率，以保证网络运营的可靠性与稳定性。

（3）其他关键技术又包括毫米波通信技术、D2D通信技术等。其中，毫米波通信技术是一种能实现微波向高频变化、光波向低频变化的新技术。毫米波是一种电磁波，其波长为1～10mm，频率为30～300GHz。为使该技术更好地应用于5G通信网络，提高毫米波利用率很有必要。而为增加信息传输频率，需改变天线数量与改进波长。由于毫米波具有传输损耗较大的缺点，故需与大规模MIMO技术进行有效结合，降低毫米波的传输损耗，从而促进信号质量的提高。D2D通信技术指的是使两个对等的用户节点进行直接通信的一种技术。D2D通信主要分为单播、多播与广播等三种形式，这些通信形式在结构上较为复杂，在调度上相对困难，目前这个问题还有待解决。此外该技术与WIFI、蓝牙通信技术相比具有明显的优势，其能更好地使设备与蜂窝网络相连接，并避免蜂窝网络数据传输消耗很多流量，在数据连接上具有更高的稳定性，能在更远距离下进行数据传输，具有较高的信息数据传输速率，而且在数据传输上延时性较低、功耗较少。

4 5G通信网络技术的应用探索

（1）在物联网中的应用。物联网的一个现存问题是缺少对海量终端数据的支持力。通常来说，物联网中机器终端的成本应比手机终端低。而且，在物联网应用中，延长设备中电池使用时间的做法是确保功率低，且对网络覆盖范围也有一定要求[3]。5G通信网络技术能很好地解决这些问题。

（2）在汽车自动驾驶中的应用。汽车自动驾驶指的是汽车依靠无线通信技术、移动通信技术等，处于复杂的通行环境中，能进行自动识别、控制及避险。5G通信网络技术可对汽车自动驾驶通信技术进一步优化升级，即可为驾驶路线做出清晰的规划，确保车与车之间、车与环境之间能进行数据交换，并能提高汽车行驶过程中信息数据传输效率、降低信息数据延迟频率，规避车与车之间发生碰撞的风险，从而提升汽车自动驾驶的安全指数，降低事故发生频率，进而保护人们的生命安全、财产安全。

（3）在智能电网中的应用。5G通信网络技术应用于智能电网中，能实现智能供电的优化升级，可有效处理电力故障问题，也能控制电力设备在运行过程中的能量消耗，减少智能电网的运行成本，从而提高电力企业的实际效益。

（4）在云技术中的应用。带宽、信息数据传输与环境是云技术运行的影响因素，故云技术运行存在一定的安全隐患。5G通信网络技术在基础架构与数据传输上有明显的优势，倘若将其融入云技术，则能为云技术运行提供安全保障，避免信息数据传输的延迟或中断，也能使云技术运行成本得以降低。

（5）在远程诊疗中的应用。远程医疗对网络具有非常高的要求，5G通信网络的信号覆盖范围较广，而且5G通信网络技术可以帮助医疗数据与超高清图像的传输，并零延时地传达操控指令。这样一来，专家医生可以不必到现场进行手术，所以该技术应用具有很强的现实意义。

（6）在教育中的应用。5G通信网络技术可以使教育领域获得更多的人工智能产品，为学校提供优质的教育资源，而且可以有效解决教育资源分配不均问题。