5G网络通信技术的应用与发展

胡碧峰

（中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057）

0 引 言

2019年是5G网络通信技术商用的元年，5G网络通信技术作为最新一代的移动通信技术，一经出现就受到了人们的广泛关注。与专为移动互联网设计的4G网络通信技术不同，5G网络通信技术借助于全新的无线传输技术显著提高了资源利用率，是4G网络通信技术的10倍以上，利用新的体系结构，如超密集小区结果等以及更强大的智能化水平，使得系统的吞吐率提高了约25倍，有效改善了网络性能[1]。在实际应用中，5G网络通信技术的优势主要包括网速快、容量大、安全性高以及能耗低等。

1 5G网络通信技术的优势

1.1 更高的网络通信速率

4G网络通信技术是5G网络通信技术得以实现的基础，当前我国的4G网络通信技术逐渐成熟，在各行各业的应用中发挥了非常重要的作用。因此，在5G网络通信技术发展的过程中，我国具有着较为坚实的基础。随着我国经济发展速度的加快，逐渐对移动通信网络的速率有了更高的要求。而以往的4G网络通信技术虽然在速率上远超于3G网络通信技术和2G网络通信技术，但却难以满足当前用户的需求。4G网络通信技术和5G网络通信技术在速率等方面的对比情况如表1所示。

表1 4G网络通信技术与5G网络通信技术的对比

用户通常是基于低信道频段内进行数据传输，这样的方式能够保证传输质量，同时在对基站进行建设的过程中投入较少。低频资源具有有限性的特点，这就将会限制到网络用户的接入，因此能够享受到接入服务的用户就非常有限。国内外在资源频段的分配上存在差异，我国基本都是由政府负责对资源频段的分配，国外则是以竞争的形式获取。我国针对低频资源的分配缺乏足够的市场竞争，从而影响了移动通信技术的发展。就目前来看，4G网络通信技术的载波频率约20 MHz，在传输的过程中基本都使用了多载波码分多指技术，从而实现对众多载波的聚合，提高传输速度。因此，对5G网络通信技术进行研究时应当对高频资源予以更多的关注，确保传输速率可以大大提高。通过高频段资源加快信息传输速度，借助更短的波长缩短天线长度，降低天线间距离上的要求，促使基站实现集成天线的设计[2]。

1.2 更大的容量

近年来，物联网实现了突飞猛进的发展，各行各业均对物联网引起了较高的重视。物联网在当前的发展中存在明显缺陷，还有许多不足需要改进，主要原因就是移动终端的能耗，且无线网络的覆盖也是有限的。该情况的原因是终端在接入网络的过程中将存在非常多的节点，而许多终端在使用时不具备二次充电条件，只能够凭借自身电池来维持运行。为此，针对这种情况，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）曾以窄带物联网技术控制终端使用公路，从而减小网络传输带宽，并降低发射功率，从而节约电能。4G网络通信技术和5G网络通信技术在容量等方面的对比如图1所示。

图1 4G网络通信技术与5G网络通信技术在容量等方面的对比

2 5G网络通信的关键技术

2.1 大规模多进多出技术

大规模多进多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术是5G网络通信技术中不可缺少的重要部分，使用此技术可以提高频谱效率。在实际应用中，该技术还被叫做为大型天线，其是以4G网络通信技术为基础，借助多根天线来实现对至多上千根服务天线的使用，在对此技术进行使用的过程中，可以促使基站的多个用户实现即时通信。MIMO技术示意如图2所示。

图2 MIMO技术示意图

在额外天线的作用下，信号能量的传输及接收被整合到小空间内，并且MIMO技术能够在调度大量用户终端的同时，实现更多的吞吐量，还可以进一步提高能源效率。在实践中，该技术最初的设想是时分双工操作，还可以使用频分双工操作。具体来看，该技术的主要优势包括使用元件成本不高、功耗较小等，有效降低延迟，因此在许多领域都得到了运用[3]。该技术的发展和应用不但解决了众多问题，并且还对信息技术的发展方向进行了明确。

2.2 毫米波通信

毫米波是微波向高频的延伸，也是光波向低频的发展。现阶段，世界范围内所使用的频段资源都是比较稀缺的，应用较多的无线电通信系统的频谱基本在6 GHz以下，而在毫米波段内具有众多未得到开发与利用的资源。基于该情况，5G网络通信技术将在9.9～86 GHz的领域针对无线接入技术（Radio Access Technology，RAT）展开研究，基于长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术对网络广域覆盖实施深入研究。随着经济的发展，当前基站天线的规模有了很大的提高，在原本的空间中所能够部署的天线数量变得更多，这就对天线波长的控制提出了要求。就目前来看，我国的贝尔实验室将大规模MIMO技术运用到了毫米波波段，其在提高容量的同时，进一步提高了效率。通过使用峰值传输效率达到50 Gb/s的原型机，我国于28 GHz毫米波段的频谱效率达到100 （b/s）/Hz，在这样的传输效率下，用户可以更便捷地借助网络来高效下载，仅需短短几秒就能够传输百兆数据。在今后可触式互联网以及3D等的研究与发展中，毫米波通信技术将会发挥出有效作用[4]。

2.3 D2D通信技术

在5G网络通信技术中，终端直通（Device—to—Device，D2D）通信技术同样是非常重要的部分，主要就是与设备间进行通信，其功能是为用户提供更好的体验，确保用户的通信质量。随着5G网络通信技术的发展与应用，与D2D通信技术有关的研究逐渐增多，经过多年的发展，此技术已成为5G网络通信技术中的关键技术。D2D通信技术与一般通信技术相比（见图3），更加简单、方便。

图3 D2D通信技术与一般通信技术对比

与蓝牙、Wi-Fi等通信技术相比，D2D通信技术能够在蜂窝系统频段内运行，即参与通信的双方在通信距离增加的情况下还能稳定通信，极大改善了用户的使用体验。同时，D2D通信在传输效率以及实验性方面也有着较好的表现。现阶段，D2D通信技术包括了众多形式，如广播、单播、多播等，也正是因为如此，其往往更加难以调度，还具有一定的复杂性。与蓝牙技术相比，D2D通信技术在实践中有着正常的通信距离，并且使用过程也有着更高的稳定性，而蓝牙的通信质量相对更低，稳定性也较差。因此，在5G时代下D2D通信技术将会发挥出更大的作用。

3 5G网络通信技术的实际应用

3.1 5G网络通信技术在交易领域的应用

5G网络通信技术在实际应用中具有众多优势，如网速快、容量大、安全性高以及能耗低等。网络基站决定了移动网络的覆盖面积，随着5G技术的广泛应用，当前对网络基站的设置将会更加迅速的推进。5G网络通信技术有着更广且穿透性更强的局域网信号，能够更加方便地接收信号，解决了偏远地区难以连接网络的问题。线上经济的发展基于安全且稳定的网络环境，因此国家应当出台有关的法律来提供支持。在5G网络通信技术的作用下，安全系统与工作系统更加协调，其借助列陈天线实现对数据指向性传输的信息传递模式，防止信息传递过程中遭受恶意攻击，确保了网络传输的稳定。在网络环境下，安全隐患难免存在，但经过不断的发展与创新，5G网络通信技术和其所衍生的各种应用必定会为线上经济的发展提供足够安全的交易环境[5]。

3.2 5G网络通信技术在教育领域的应用

随着5G网络通信技术的发展，今后的移动学习将会更加便利，逐渐实现教育领域的“学习泛在化”“情景真实化”以及“学习交互化”等，推动教育领域的信息化发展。随着5G网络通信技术的广泛应用，移动宽带将会得到有效增强，更好地实现物联网相关连接数据的传输，在教育领域当中建立起超高清、语言交互的互联线上课堂。5G网络通信技术延时较低且安全性更高，能够有效加强学生在课堂中学习的视觉体验，并且可以更好地与授课者互动。积极组织优秀教师以及教育领域的专业人才来给学生提供远程在线课堂教学，解答他们的困惑，从而提高教学效果，推动我国教育领域的全面发展。

3.3 5G网络通信技术在物流领域的应用

对于目前我国物流环境的改善，既需要国家的支持，也需要发挥出先进信息技术的作用。5G网络通信技术有着网速快、容量大、安全性高以及能耗低等特点，能够有效实现人与人、人与物以及物与物间的互联，从而为物流综合性信息平台的建设带来良好的通信技术支持。在平台中，对物流从加工仓储到运输、配送等的各个环节进行整合，以此为物流体系带来更强大的信息系统支撑，提高物流的效率，为我国物流行业的现代化发展提供良好条件[6]。

3.4 5G网络通信技术在电商领域的应用

5G网络通信技术能够实现对移动宽带的增强，在超高清视频、虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）等当中深入应用，显著提高传输的速度。消费者通过手机App下单各种产品后，可以借助AR全景展示功能直观地看到商品从生产开始到配送到家的整个过程。根据5G所具有的网速快、容量大、安全性高以及能耗低等的特点，将其运用到现如今非常流行的直播当中，能够使消费者亲眼看到商品生产与销售的过程，并实现这一过程中的互动，从而帮助商家推销自己的产品。通过对基于5G网络通信技术的VR技术、大视频技术等的应用，电商经营者能够更加直观地将产品的形象展示给视频端对面的消费者，从而让消费者可以得到更好的购物体验，提高互动交流过程的顺畅性。同时，5G网络通信技术与电商技术的深入结合，将会有效改变消费者对电商的传统认知[7]。

4 5G网络通信技术在今后的发展

近年来，随着科技水平的提高，针对5G网络通信技术的研究更加丰富，并且5G网络通信技术的应用领域也得到拓宽。在今后的发展中，5G网络通信技术的发展趋势表现为如下几点。

（1）网络层信息安全与隐私。就目前来看，网络层信息安全及隐患均基于传统计算机网络的方式实现，5G网的通信技术在今后发展中所应用的主要是无线通信技术，和传统技术相比有着更大的优势。因此，5G网络通信技术即将会更好地解决用户隐私和终端安全的问题，安全与隐私问题也将成为5G网络通信技术在今后发展的主要研究方向。

（2）深海地下高空的通信。5G网络通信技术和3G网络通信技术、4G网络通信技术相比，最大的优势就是有了更快的数据传输速度，因此能够将其更多地运用到深海、地下等的各种区域，在这些区域实现更快且更顺畅的数据传输。5G网络通信技术的应用及发展将会有效解决许多原有的通信难题，对于各个领域的发展均有着重要意义。

（3）纳米通信。在近些年中，纳米通信是受关注较多的一个领域，主要是在微观的层面上分析并借助其特性针对5G技术进行研究与应用。有学者指出要结合细胞核病毒传播的激励设计无线通信体制，在此基础上研究天线调制和容量分析等[8-10]。

5 结 论

5G网络通信技术的发展和应用对各个领域的发展具有十分关键的促进作用。5G时代下的“万物互联”，能够帮助人们更方便、快捷地掌握各方面的有关信息，为各行业的发展提供良好的条件。本文对当下5G网络通信技术的优势进行了介绍，针对主要的5G网络通信关键技术进行了概述，之后探究了该技术在实际中的应用，最后展望了5G网络通信技术在今后的发展。总而言之，5G时代的到来必然会非常有效地推动我国各行各业的发展，逐渐被运用到更多的领域中，实现更好的经济效益与社会效益。