5G移动通信技术的应用与发展

2022-07-08黄津国

通信电源技术 2022年4期

黄津国

（陆军装甲兵学院蚌埠校区，安徽蚌埠 233000）

1 通信技术发展简史

回望移动通信技术的发展历程，经历了1G、2G、3G、4G时代，目前正处于5G推广应用阶段和6G萌芽阶段。第一代蜂窝移动通信系统由美国贝尔实验室发明，是模拟通信系统，实现了语音通信，并被推广应用。应用最为广泛的移动通信网络标准是2G全球移动通信系统，它由欧洲电信标准化协会组建，采用时分多址无线接入等相关技术，是数字通信系统，实现了分组数据通信。在3G移动通信系统出现之前，移动通信系统主要采用的是欧洲定义的标准，缺少一套全球统一的标准，直至1998年才诞生了全球首个通用移动系统，该系统由3GPP组织提出，采用宽带码分多址技术构建无线接入网，实现了高带宽多媒体通信。依据各国使用习惯不同，3G系统包括3种模式，分别是针对美韩设计的CDMA 2000、针对中国设计的TDS-CDMA以及针对欧洲设计的WCDMA[1]。4G移动通信系统主要采用了正交频分复用和多输入多输出两大关键技术，在兼顾容量及稳定性的基础上实现了高速无线互联网通信。

不同于4G技术，5G技术可以应用于人与物之间的通信，具有增强移动宽带、低功耗、高可靠以及低时延的特点，其核心可概括为实现无线新技术、网络切片、边缘计算[2]。5G通信技术旨在提供更高的数据速率、出色的用户体验、更低的功耗以及更短的延迟，其蜂窝网络将实施多样化的多层模型，帮助客户获得所需的服务质量。随着5G技术的发展，一个更加移动和互联的社会将会出现。从2000年到2020年，全球数据流量迅速增长，因此应广泛引入第五代蜂窝通信系统，以满足前几代系统无法满足的不断发展的需求。

2 5G移动通信技术的应用

通信系统是当前各垂直行业的基础，以5G网络为依托产生了5G移动通信技术。该技术的出现使得人们生活生产方式发生了极大的转变，提高了基础设施的效率，带来了更好的交互式体验。5G移动通信技术的应用情况如图1所示。

图1 5G移动通信技术的应用分类

3 5G技术在泛互联网中的融合应用

3.1 远程医疗

通过5G通信技术与互联网的结合，可打破远距离导致的无法及时就医的技术壁垒，很大程度上缓解了医生与患者因距离远就医困难的问题，实现了跨区域诊断与治疗[3]。通过5G高速传输技术实时传送高清影像，对数十千米外机器人进行远程控制，成功为实验动物进行手术，并取得了不错的效果，术后恢复良好，各项生命指标平稳。搭载5G技术的远程医疗技术可实现远程手术操作，是5G移动通信技术与医疗技术的新结合，可以帮助患者降低医疗的成本，以接受更为优质的医疗服务。

3.2 无人机通信

由于现有通信传输技术无法突破无线电发射功率的极限距离，需要借助5G移动通信技术才能使无人机在物流运输、基础设施巡查、公共安全以及视频直播等领域发挥更大作用。5G+无人机技术可以提高图传的画面清晰度和数据传输速率，由此可激发出许多新兴行业应用。低空无人机可以通过遥控其飞行路线将包裹自动投递到相应目的地，缓解交通拥堵问题，消除地形等因素干扰，提高投递效率[4]。视频直播方面，无人机通过搭载全景摄像头进行视频拍摄。可快速完成视频流的采集、拼接与处理，然后通过5G网络下行传输给用户，可以实时上传和共享视频数据。

4 智慧农业

智慧农业是将大数据、云计算、人工智能以及无线通信等现代信息技术进行融合，并将其充分运用到传统农业的各个环节，进而对农业生产进行合理管控，降低农业成本和消耗，减少环境破坏，提高农业生产效率和资源利用率[5]。

首先，5G通信技术在数据信息采集中发挥着重要作用，通过无线传感器、视频摄像头等智能化硬件设备对农作物生长中的环境信息进行采集，之后将采集到的数据回传至云端分析系统，以此实现对农作物生长情况以及生长环境的监测，为广大农户提供有效的农业农情信息。

其次，5G通信技术在智能控制方面也发挥了不小的作用。云端控制系统对前端传感器等设备所采集到的信息进行实时分析，以保障农作物处于最佳的生长环境，农户们只需利用手机等移动终端设备就能轻松监测农作物的生长情况，实现农作物的精细化管理[6]。

最后，5G通信技术可应用于食品溯源技术。利用物联网技术就可以实现农产品信息的溯源，消费者通过食品二维码就能追溯到农产品的生长情况等信息，助力食品安全监管，让大家买的放心、安心。

在各个智能设备间建立起有效连接和信息传递，正是5G移动通信技术的高效体现[7]。5G移动通信技术是具有更高数据传输速率和更快连接速度以及更低延时的新一代通信技术，能够为精准农业、智慧农业再添新力量。

5 5G技术应用于工业互联网

5.1 云端机器人

疫情期间，依托5G通信技术的机器人大显身手，5G云端消毒清洁机器人、5G云端智能运输机器人、5G测温巡查机器人等相继亮相防疫前线，为“防疫”“抗疫”提供了技术保障，同时省去了不少人力成本[8]。云端机器人依靠多传感器融合，采用“云-网-端”架构，实现了导航和避障技术，其应用场景十分广泛。

5.2 无人驾驶

无人驾驶技术是未来汽车行业发展的重要趋势，在智能化发展降低人工操作的前提下还要保障行业发展的安全性。5G网络具有低延时和大容量特性，能够为无人驾驶提供实时的、准确的道路信息和车辆状况信息，并能进行路况预测，从而提高行车效率，降低发生事故的风险[9]。借助5G通信技术建立无人驾驶模式应用控制，网络延迟会在10 ms以内，这相比人类反应时间（500 ms）大幅缩短，从而提高了驾驶安全性，有效降低交通事故发生的概率。

5.3 智慧港口

智慧港口建设是将5G技术融合到传统港口的运作过程中，对其进行信息化和智能化改造，从而提高港口的工作效率，降低发生事故的风险[10]。目前，港口正在由以劳动力为主的作业模式向信息化模式发展，主要体现在码头操作系统和无人装载智慧方案两个方面。5G技术与北斗导航技术的有机结合可以有效助力智慧港口建设，实现从装卸到生产智能化的进一步发展，更广泛地感知内外部信息。

5.4 智慧矿业

对于煤矿开采等危险系数较高的工作，可以采用智慧矿业方案进行行业优化。运用远程控制系统对矿井环境信息进行监测分析，从而降低人工作业安全隐患。结合5G技术进行煤矿远程程序实时控制、高精度定位和井下情况远程协同运行维护，这将有力保障煤矿作业人员的生命安全，并提高煤炭开采的效率。

5.5 智能化铁路技术站

随着5G通信技术、人工智能、物联网等相关技术的高速发展，铁路智能化建设也开始大力推进。铁路技术站智能化建设借助先进的现代铁路管理理念，以现代化设施设备为基础，以5G移动通信、智能控制等新一代信息技术与技术站业务深度融合为核心，实现技术站作业最优化配置，满足更高标准的技术站需求，建设成为作业高效、管理先进、安全保障有力的智能化铁路技术站。

5.6 5G助力配电网优化

5G基站的海量接入为未来电力系统低碳发展注入了新的技术方式，通过激励5G基站参与需求响应，并将其纳入现有主动配电网运行框架，能够在降低5G基站自身用电成本的同时促进可再生能源的消纳和高效利用。5G技术与能源互联网发展战略、配电网业务需求高度吻合，是支撑配电网通信的最佳选择。

6 5G技术应用于广播电视

在广播电视行业中，5G移动通信技术的普及和推广让传统广播电视经营模式发生了变化。5G移动通信技术包含了新的视频编码标准和高阶正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等现代化技术，这些技术可以有效优化广播电视产业中的传输技术。基于此，ATSC 3.0构筑了多层数据传输平台，运用5G移动通信技术，与Numerology技术、动态时分复用技术、网络功能虚拟化技术等相结合，可提高移动数据接收的性能，为超高清技术发展提供强有力的技术支持，为广播电视产业提供了新思路。

7 5G移动通信技术的发展

7.1 生活云端化

移动5G网络技术正以前所未有的速度实现普及，给人们的日常生活带来重大转变。数据存储方式上发生了变化，已不再对移动存储硬件设备产生极大依赖，云存储技术可以有效提高数据可移植性和数据共享性，相较于传统的大文档储存方式，云端储存和共享文件具有更快的速度，提高了工作效率，节省了大量人力物力，随之而来的是依托云端的衍生产业。纵观5G移动通信技术的成功案例，人们的日常生活与工作生产变得更加便捷、高效。

7.2 系统智能化

智能化系统发展的越来越快，更多的行业都在不同的产业中应用了智能化系统。5G移动通信技术相关产业也通过智能技术来提升5G移动通信技术在处理海量数据时的品质与效能。此外，用户在使用5G移动通信技术时也更加重视使用感受，从而克服了实际应用中遇到的信息稳定性差与传输速率缓慢等问题，这也表明了5G移动通信技术已经越来越智能化。

8 5G移动通信面临的挑战

5G移动通信技术展现出高带宽、大容量、低时延等特点，对服务质量提出了新的要求。另外，5G通信技术相比于4G技术而言需要建设更多的基站，随之而来的是成本的提高和如何选址的问题。在能耗方面，5G移动通信技术在数据高速传输时会产生大量能耗，这也是一个亟需解决的问题。由于5G通信技术采用的是高频信号传输，而高频信号具有衰落快的性质，在有较多遮挡区域的地方会对信号传输产生干扰，甚至会造成大范围的网络质量变差情况。在安全性方面，5G网络架构较为开放，存在一定的安全隐患。综上，5G移动通信技术虽然前景无限，但依旧存在需要克服的问题，因此在后续的发展过程中需要不断优化升级。