5G通信技术应用场景及关键技术探讨

张 舒

（中国通信建设集团有限公司 黑龙江省通信服务分公司，黑龙江 牡丹江 157000）

0 引 言

随着这些年我国信息技术的不断发展，人们的生活不仅产生了巨大的变化而且也越来越依赖通信技术。技术的进步促进了高级通信设备的产生，方便且功能繁多的通信设备吸引了越来越多的人们使用，移动网络用户每年都呈指数上涨，这使得移动网络承受的压力越来越大，网速也因为用户的增多而变慢。为了不断满足人们的使用需求，2010—2021年，通信技术从发明2G网络开始到4G网络的普及和成熟，移动通信技术发展很快，但随着网络应用场景的不断被开发，4G通信依然无法满足人们的要求。因此，对于5G网络的探索和开发已经成为必然趋势，目前，初步的5G技术已经成形，但还需要进一步完善，以提高5G通信技术的整体效能。

1 5G通信技术概述

5G移动通信技术是在4G的基础上进行提升和优化，主要是提升了数据传输速度，并且进一步降低延时和功耗，提高移动网络的安全性和可靠性。5G网络的这些优势能更好地应用于物联网领域，如智慧医疗、车载联网、智能农业以及智能家居等[1]。5G网络除了进一步拉近人与人之间的距离，提高人们之间的通信速度，更重要的突破是提高了人与物以及物与物之间的无线连接，给物联网的普及提供了实现基础。

与4G通信网络相比，5G通信网络技术具有很多前所未有的优势，既保持了4G网络的各种优点，又在这个基础上再次提高了通信网络的灵活性，能够运用于更多的场景，相比4G网络，竞争力和不可替代性都有了不小的提升。5G网络将会给人们的生活带来全新体验，通信成本进一步降低的同时让人们体验到更加便捷、智能以及人性化的服务，获得更快的冲浪体验。5G网络的普及将会解决人们如今依然会受到的网速和断网困扰，让自己的网络与环境网络快速连接，体会到更先进便利的网络服务，这将是通信史上的又一里程碑式进程，在未来将会遍布人们的日常生活[2]。

2 5G通信技术的特点

与4G通信网络技术相比，5G通信技术具有很多优点，探索研究5G网络的前提是要充分了解5G网络的特点，对5G网络的各种情况形成正确认知，以避免在研究过程中因为对其了解不够而造成研发偏差。

2.1 扩展性

5G通信技术是基于传统通信技术的再次开发，将原来的通信网络优点进行筛选整理，并在此基础上进行技术的优化拓展，力图让全新的5G通信网络给用户提供更便捷多元的使用体验[3]。5G技术很早就已经开始研发，2017年我国就建立了5G网络基站，并首次进行了覆盖能力测试。本次测试使用大规模的天线技术，测试显示网络覆盖距离达到2 km以上，达到了与2.6 GHz频段4G基站差不多的覆盖能力，且网络强度明显提高，衰竭速度也明显变缓，可以满足较远距离用户的通信需求[4]。

2.2 节能性

4G网络虽然也能满足人们的日常需求，但耗能巨大，成本较高。而5G网络在新通信技术支持下，高效建立了信息组织网和中心网络，显著提高了内部网络的信息传输和交换速度，和4G相比大大减少了通信网络的搭建成本，实现了5G通信网络技术的节能性。

另外，节能性的实现大大降低了通信网络的耗能量，进而也减少了电信网络运营商和移动通信广大用户的运营和使用成本，这在一定程度上再一次提升了5G通信技术的普及性和实用性。同时，低能耗能够做到最大限度地降低环境因素对于通信网络的影响，使网络更加稳定，用户也能享受到更高质量的网络服务。

2.3 可靠性

5G通信进行了技术革新，大大拓展了网络带宽，无线通信网络的容量大幅度增加，使得信息数据的传输过程变得更加稳定可靠，无论是音频、视频还是图片，各种形式的信息都能实现极短时间的高速传递[5]。并且通信网络系统的容量扩增不仅可以承受现象级网络访问人数的使用需求，也同时提高了数据传输的安全性，使得人与人之间的通信不仅快速稳定，而且安全可靠。

3 5G通信技术应用场景

3.1 宏覆盖增强应用场景

在宏覆盖增强应用场景中，一大半都是低频频段。因此它的宏小区覆盖率相比之下要宽广得多，覆盖半径在几千米以上。宏覆盖增强应用场景中，不同用户因为其不同的情况，网络传输到基站过程中的损耗也不同，信噪差异也是因此产生。因此，在这样的应用场景下一般会使用几种不同的通信网络技术包括非正交传输技术、新型调制编码技术、大规模天线技术。这3种技术并不矛盾，甚至可以相辅相成，配合着同时使用会达到非常好的效果。

3.2 超密集部署

5G通信网络技术的应用场景绝大部分都和超密集部署有着或多或少的关联。超密集环境通常情况下都会按照其网络的应用范围划分成3种不同的小区，小区的拓扑形状基本具有多样性和异构性两种特点。除此之外，不同小区部署的天线高度和网络增益也不尽相同，发射信号的频率也会根据实际情况而相差很多[6]。

在这种应用场景下，一般采用的几种技术包括虚拟小区技术、无线回传技术以及新型调制编码技术。这3种技术各不相同，但都各有各的作用，不能互相替代。如果是在室内场景要提高网络信息传输速度，则一般利用高频通信完成，这样可以有效避免不同小区之间的互相影响。具体部署模式如图1所示。

图1 部署模式

3.3 机器间通信场景

5G网络技术的一个重要应用场景就是物联网应用，目前物联网的实现还有很多问题没有得到解决，其中最严重的问题是巨量终端数据的支持能力不足。物联网应用场景对每个机器的终端都有不同要求，且每个机器的终端成本都必须要比移动设备终端小[7]。另外，物联网技术反过来对应用场景也有要求，最大的要求就是应用机器的功率必须很低，保证电池能够使用相对来说比较长的时间。而且物联网应用场景要求通信网络的覆盖面积必须非常大，至少要包含所在空间楼上楼下的所有机器设备。

同样的，物联网应用场景中也能够采用几种不同的技术包括控制信令优化技术、非正交传输技术、窄带传输技术。这几种技术是为了实现不同的需求，如非正交传输技术是供很多不同的终端设备在同时调用无线网络资源而不出现混乱。

3.4 低时延和高可靠场景

这两种场景的需求实际上都是要降低延时。就好比在精密仪器的制作要求中，不同设备间的信息数据传递如果存在一定的延时，那么仪器的质量一定会被降低。当5G通信用于智能交通系统时，技术要求的延时误差绝对不能超过1 ms，并且它的检测率必须非常低，最好无限接近于0，如果达不到这种要求，就会大大增加交通事故的发生概率，安全性会被大大降低。在这两种最大需求都是降低时延的应用场景中，通常采用的技术不是终端直通技术就是链路自适应技术，这两种技术的功能各有不同，但都能明显降低时延[8]。

3.5 uRLLC型应用场景

自动驾驶技术就是一种uRLLC型应用场景，最能够体现通信网络的及时性和可靠性。虽然5G技术的应用场景非常广泛，但在各种应用场景中，uRLLC型应用场景最能体现5G技术的优点和优势。与原有的通信网络技术对比，5G网络的数据下载和上传速度都达到了4G网络的几十倍，且传输过程的连续性和稳定性也非常好，这在一定程度上加速了5G场景的实现和普及。

3.6 eMBB型应用场景

目前，最具有代表性的eMBB型应用场景是虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术。eMBB应用场景其实是5G通信网络技术的一个最基础的应用场景。如今关于5G通信网络技术的探索研发中，最核心、最重要的要求是快速、精准以及稳定。为了检测这3个核心功能是否达到要求，将其应用于最为基本的eMBB场景中是最方便有用的方式，VR技术应用场景可以准确地体现出网络信息的传输是否快速和精准[9]。

3.7 mMTC型应用场景

智慧城市是一种典型的mMTC型应用场景，这种应用场景主要可以体现出5G网络在物联网方面的能力。相比起自动驾驶应用和VR技术应用是在体现5G通信技术微观层面的功能和优势，智慧城市则是在测试5G通信网络技术宏观方面的能力。值得注意的是，唯有mMTC型应用场景要求网络强连接。强连接功能不但包含产品的消费阶段，还同时包含产品生产的环节。生产和消费两个环节都与5G网络结合，并且通过物联网与销售市场产生联系，实现物与物的大批量互相连接。在智慧城市中，利用强连接功能能够将城市的路灯、井盖以及红路灯等基础公共设施连接在一起，实现智能化的统一管理，使城市运行更加通畅合理，提升城市生活的便利性和安全性。

4 5G通信技术关键技术

4.1 智能化技术

智能化技术是5G通信网络技术中非常关键的技术，也是4G到5G的一次革新式技术进步。其研究和探索已经开始了很久，人们生活中也早就已经出现了各种各样的智能产品，如扫地机器人、电脑管家以及智能音箱等，这些智能化的产品都使人们的生活越来越方便舒适，而想要将5G通信技术也用于实现产品的智能化，则需要在已经成熟的智能化产品基础上再进行技术创新。5G通信网络基于云平台建立，网络云平台能够方便高效地将不同的智能化产品互相联系起来，使这些产品之间形成一个互联网络，实现数据共享。且这个数据共享平台可以随着智能化产品的变化而不断变化，当5G网络升级时，基于这个网络的产品智能化也能一并升级，实现和5G网络同步的通信服务，确保产品的智能化始终能为人们提供高效优质的服务。

4.2 高频段传输

目前，人们日常生活中的移动通信基本采用低频段传输，但是5G时代的来临势必会导致移动通信用户的大幅度增多，再联合物联网等数据的传输，人们对于移动通信的流量需求必然也会呈现翻倍的加大，导致低频段传输无法满足5G网络的需求。因此，高频段传输是5G通信网络的一个必要关键技术，其毫米波频率一般可以达到28 GHz，覆盖范围非常广，并且经过测试，2 km之内的覆盖区域都能够实现非常快的数据传输。但是，高频段传输依然有一些需要解决的问题，其中最为突出的就是这种传输方式极易受到外界环境因素的影响，并不稳定，因此还需要进行技术研究来规避这一劣势[10]。

4.3 直接通信

直接通信也是5G通信网络的关键技术之一，这项技术的发明能够大幅度降低信息数据传输过程中的能耗和延时，使通信的质量成倍提高。直接通信技术需要很多其他技术的支持，比如要想利用5G通信技术提升通信速度，就需要密集网络技术的支持才能更加合理地实现该需求。

4.4 多天线传输技术

多天线传输技术主要是用来扩大移动网络的覆盖范围，但到目前为止，国内多天线传输技术依然有很多还没能攻破的难题亟待解决，还需要长时间的进步和优化。而5G技术可以在一定程度上推进多天线传输技术的发展速度，需要配合5G网络对于多天线传输的天线阵列做出合理调整，进而提高频谱利用率。将多天线传输技术用于5G通信网络能够大大降低移动通信的成本。

4.5 大规模多输入多输出技术

多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术是5G通信网络中非常重要的技术，它能够基于自身特点显著提高通信网络的频谱效率，是5G通信网络技术信号传输质量的保证和前提，其结构如图2所示。

图2 大规模MIMO技术结构

4.6 同时同频双全工技术

同时同频双全工技术是5G通信网络中唯一可以最大限度屏蔽环境因素对通信影响的技术。这项技术能够帮助5G网络在通信时过滤和消除干扰数据，提高频谱工作效率。同时同频双全工技术也是5G通信技术中比较关键的技术，但是和前几项技术不同，该技术到目前为止的应用范围并不广泛，这是因为其在应用过程中还存在很多问题，导致应用范围非常狭窄。未来，通过5G网络的不断优化发展，这种技术可能会得到更多的应用。

4.7 新型网络构架技术

目前，移动通信领域还处于不断发展的阶段，5G技术并没有完全成熟，相关技术人员还在不断地探索研究。对于通信技术来说，非常重要的一点是要提高业务效率，对此首先需要做的是整合资源，将通信业务一边整合一边增加，逐渐使5G通信网络渗透到日常生活的方方面面，搭建一个自组织网络。而在这个自组织网络中，用户能够拥有非常真实的场景体验，并且可以在虚拟网络中进行真实的互动。而实现这一切的关键技术就是新型网络架构技术，这项技术能够在5G通信网络中创造新的交付方式给用户，提高通信的质量，还能够组合云端中的信号传输峰值速度和通信数据，给用户带来更好的服务体验，同时能够最大限度地保证网络储存的稳定性。

5 5G通信技术的市场应用前景

5.1 增强现实技术和VR技术领域

随着科技的不断进步，增强现实（Augmented Reality，AR）和VR的技术必然将被应用于更多领域，得到更广泛的普及。而这两种技术目前还存在成本太高、时延太长以及网速不够等问题，导致用户的体验感并不是很好。5G通信技术无疑将会帮助AR/VR技术改善这些不足，可以大幅度降低通信网络的时延，和现实无限接近同步，同时能够实现虚拟图像的高速稳定传输，提高虚拟现实的真实感。

5.2 车联网与自动驾驶方面

自动驾驶技术是一个热门研究方向，目前车联网技术已经相对成熟，正在向自动驾驶技术过渡，而将5G通信技术应用于汽车领域会加速这种过渡，5G网络高传输速度、低时延以及安全稳定的优势将解决自动驾驶技术的大部分难题。在不久的将来，自动驾驶技术将能够轻松量产，在全国范围内普及。

6 结 论

5G通信网络技术的研发绝不仅仅是让人们的网速更快，而是能给许多行业和领域带来革新式的改变。5G网络技术的应用场景非常广泛，能够大大提高移动通信的数据传输速度，从而进一步扩大移动通信的覆盖面。但要完全发挥出5G通信网络技术的优势和价值，还需要应用很多其他先进技术，因此在深入研究5G技术之前需要先详细了解其关键技术和应用场景，以便在实际应用中能够发挥出全部实力。