智慧城市中的5G技术全景应用研究

孙泰

(北京邮电大学 北京 100876)

据市场研究公司Gartner的预测，2024年一线城市5G的覆盖率将达到60%。5G的使用，提高了频谱资源的利用率，大大提高了传输效率，满足更多应用。5G相关的应用领域也不断延伸，比如智慧医疗、智慧物流、智慧教育等。5G 还采用多天线技术，使室外信号更加稳定，覆盖面更广，相对于5G 基站较为偏远的区域，信号功率与信号质量也得到了保障，也把人们的生活推向了云端化，比如：人们再不用为硬盘资料丢失而烦恼，一键上传云端储存即可，轻便快捷又高效。而且还在原来的移动通信基础上，进行了一些创新，充分地提高了用户的舒适度和体验感。随着5G的发展，万物互联时代已经到来，也符合当下倡导的建设数字中国、智慧社会，大力发展数字经济，增强国家综合竞争力。

1 城市中通信技术的发展及挑战

1.1 城市中通信技术的发展

移动通信技术在一代代的革新当中，带动着城市的发展。1998 年之后，我国抓住了良好的时机，开始了“数字中国”，建立数字城市，借助着3S技术，地理信息系统、全球定位系统和遥感技术搭建空间信息库，推动城市信息化建设。随着经济的发展，收入水平的提高，人们渴望追求更高质量的生活。2008年，IBM提出智慧地球的理念，启发了中国着手于物联网的建立，要将数字城市推向智慧城市的发展，但智慧城市需要移动通信技术的核心支持。所以，国家投入更多人力、物力、财力打造移动通信技术，自主研发了第5代移动通信技术，其更加强大稳定的网络技术支撑，推动着我们的城市向万物联网的智慧城市稳步前进。

1.2 城市中通信的需求和挑战

随着一波又一波的信息技术革命，不管是城市还是企业，都迎来一次又一次次升级和整合。发展智慧城市也是势在必行。两院院长李德仁说过，智慧城市=数字城市+物联网+云计算。数字城市的发展，为建立智慧城市奠定了良好的基础，发展物联网和云计算是当下的重点工作。物联网需要让各种物体，装上传感器，并且通过云计算实现整合，满足人、行业、物的不同需求，需要非常强大和稳定的网络技术基础，实现高效传输[1]。由于广泛运用，也要求运行成本更低，才能达到物物都可联网。同时得考虑到这么多移动设备接入，通信技术是否能够承载、会不会影响用户使用体验的问题，以及用户信息安全问题，如何更好地做好保障，也是城市通信技术发展面临的挑战。

2 移动通信技术发展及5G技术简介

2.1 移动通信技术发展

从1986年正式进入移动通信时代以来，经历短短36 年的时间，移动通信技术就实现了飞速发展，丰富了人们的娱乐生活，同时带动着社会经济的发展。从数字电话2G 时代，引进了短信，腾讯还推出手机QQ，可发送文字图片聊天。再到移动多媒体3G时代，很多电脑PC端的多媒体应用都可以实现在手机上浏览，还可以接入宽带，并且延伸出智能手机。再持续发展到高速上网4G 时代，网速大幅度提高，出现了人人都是移动自媒体的现象。再到现在的万物互联5G 时代到来，移动通信技术深入人们的衣食住行，不断地满足人们日益多样、个性的需求，比如无人驾驶、远程医疗等，为我们提供更多的便利，提升幸福感。

2.2 5G技术概念及特点

5G是第5代移动通信技术的简称。5G通信技术，绝对不仅仅是人们感受到的网速变快这么简单，还延伸出了众多智能设备，诸如智能家居、智慧医疗、智慧交通等。5G 核心网通过建立在4G 核心网的基础上，即非独立组网的前提下，与4G相比尽量降低了建设成本的投入。尽管如此，由于5G基站需要更广泛的布置以及更庞大的功耗，运营成本也比以往高出几倍。因此，通过提升用户体验、提供更海量的机器连接从而带来更高的网络资源利用率是当下的不二之选。在建设配置中，进一步优化了网络资源的利用率。它也有着鲜明的技术特点，比如：超高的频谱利用率，融合了以往通信技术中多种频分复用、时分复用与码分复用的技术，再加上Massive MIMO 技术，改变了以往受信道传输带宽的影响，无限逼近于香农极限，极大地提高了频谱利用效率；较强的系统性，为提升单位范围内的信道容量，加入了毫米波的技术，从而提供更大的宽带，传输速度更快；较高的兼容性，打破了4G 覆盖面受地区限制的尴尬处境，也能够满足越来越多智能设备的网络需求等，推动了万物联网和智慧城市的发展[2]。

3 智慧城市的运用框架

智慧城市总体目标运用框架如图1所示。

图1 智慧城市总体目标

4 智慧城市中5G的应用场景

4.1 智慧交通

5G技术的推动，让城市轨道交通更加安全可靠地运营。比如：列车在高速运行的时候，对通信有着非常高的要求，5G 通信的运用及其不断完善，让列车运行期间，数据交换，不断地缩小延迟，在出现故障时，可以保证列车运行安全，发车时间更加精准，发车间隔也被缩短，提高了人们的出行效率。同时5G技术实现车辆更精准的定位，减少交通拥堵的问题，为人们的工作生活提高了效率

4.2 智慧医疗

医疗的完善是城市经济发展的重要体现，随着5G移动通信时代的到来，智慧医院是该时代下的重要产物。之前面临的患者与相匹配医生的距离问题，没有办法及时获得高质量医疗服务；医院提供医疗服务过程当中流程问题，不能够快速运用数据信息记录而导致的医患纠纷事件等问题。随着5G 移动通信技术有效地运用和落实，运用AI、VR、医疗影像等，医生和病人进行实时的视频交流，可以实现远程操作，给病人做诊断[3]。借助5G 医院搭建信息库，将患者医疗费用与医保相结合，清晰记录就诊费用透明化，并建立医护人员监督体系，存在医疗服务当中任何问题，能及时锁定相关负责人。运用5G的高效性，监护中心实时获取患者的生命体征、位置等信息，及时进行护理或干预患者病情，提升患者的体验[4]。

4.3 智慧教育

我国教育水平稳步提升，但同样也面临着教育资源分布不均的情况。偏远山区教育资源匮乏，是当下需要解决的问题。依托5G网络，不断优化升级了智慧教学、智慧培训、智慧教研等。如运用5G网络，给偏远山区孩子远程直播教学，让他们也可以轻松享受到优质的教育资源；学校搭建投影课堂，让课堂更生动，学生沉浸式地进行互动学习，提高课堂效率；还精准地建立学生信息系统，根据学习表现阶段成果、老师评价等进行多维度的数据记录，导师就可从后台轻松地获取个性化的教学方案，学习效能大大提升。

4.4 智能家居

随着社会经济的高速发展，人们更加追求生活品质的提升。跟4G 相比，5G 有着稳定的网络系统和极低的时延性，借助5G 这个特性，可以实现对家居设备非常有效的控制，就有了家居智能防盗系统，记忆家庭人员人脸数据，及时发现盗窃现象并通知主人。全屋家具智能联网感应，主人回家之前手机确认，家中空调提前一小时打开保持家中恒温状态，感应主人到家，自动打开灯光、窗帘、音乐等，提供舒适的居家体验。

5 增强安全性，拓宽商业模式

5.1 安全可信

在5G移动通信技术的强大带动下，智慧城市迅猛发展，万物联网的趋势更加明显，让越来越多的移动端，能够很好地接入5G网络，用户在使用过程当中，越来越多的身份认证信息进入，用户信息安全成了重要关键的环节，这也是最脆弱的环节。同时众多移动端接入，导致身份验证的效率降低，影响用户体验[5]。

针对以上问题，推荐采用聚合方式，用移动端接入的多个签名生成一个聚合签名，来实现批量验证，这种方式既可以节省认证开销，还可以有效降低验证延迟，增强用户使用体验感。为更好地保障用户信息安全，可以在网络中设定3个通信实体：密钥生成中心KGC、物联网终端设备OTC以及网络网元AMF，搭建起安全框架，这样身份认证的信息，在信息传输的过程中，安全水平可以实现进一步的优化[6]。

5.2 商业模式

据2021 年9 月统计数据，三大运营商套餐用户数达6.24 亿，5G 套餐用户渗透率达到了38%，但通信服务收入增幅才不到10%。通信运营商必须重新研究，符合5G 时代的商业模式和收入模式。其获利模式必须由“数字红利”转向“信息红利”，除了运营商要提供5G基础设备和连接服务，还要积极赋能下游应用的场景开发，从而驱动5G投资，构建商业闭环。

通信运营商4 类收费模式：（1）管道流量收费，如VT 沉浸式娱乐、视频、自动驾驶、智能工厂等数据需求。（2）数据存储及大数据服务，如云计算边缘技术服务，提供数据的存储和分析服务。（3）垂直行业平台的合作开发，如智慧医疗、智慧交通等，形成协作生态圈。（4）内容的合作开发，提高内容提供能力，拉动流量进行合作。

智慧城市的发展，必然带动企业及个人的多元化和个性化发展，从而导致需求多样化。在个人收费模式上，还是以卖流量为主，以差异化服务为辅，提供比之前更低价的流量服务，客户可以多元化选择，自由组合搭配。对行业收费模式，要根据行业搭建的个性化和场景化，进行一客一策，推出场景收费模式，提供定制化服务。充分满足用户需求，通信运营商收入涨幅可以得到大幅提升。

6 总结与展望

智慧城市是智慧地球的一种重要体现，也是人类生活品质提升的重要表现形式。移动通信技术，是智慧城市建设发展的关键核心技术，所以5G移动通信技术的时代，对推进智慧城市有着深远影响。5G移动通信技术在智慧城市中的全景化应用，如智慧交通、智慧医疗、智慧教育、智能家居等，这都是5G推动智慧城市发展的重要里程碑。当然，在这一步步发展过程中也遇到了问题，如当下大家最关心的个人信息安全，以及万物联网，众多移动端疯狂接入是否会影响用户体验，这些都是我们需要不断进行优化、解决的问题。在智慧大趋势、国家政策以及人们生活需求导向的支持下，5G 推动智慧城市建设中，一定会顺利解决问题，推动社会经济发展，为人们提供更优质的生活方式。