试论5G通信技术应用场景和关键技术

摘 要：5G通信技术对于移动通信技术的发展以及智能化终端服务方面有着直接的促进作用。文章对于5G通信技术的增强移动宽带、超高可靠与低时延通信、大规模机器类通信等应用场景进行分析。同时，探究了大规模多输入输出技术、超宽带技术、无线网络技术、毫米波通信技术、新型网络构架技术以及D2D通信技术等，以期为5G网络技术的发展趋势及相关技术的发展方向提供一些思路。

关键词：5G;通信技术;应用场景;关键技术

随着互联网信息技术的发展，大数据、云计算、人工智能以及互联网等技术已然成为新时代的热点，这些技术在“2025制造”的背景下已被纳入国家科技发展战略。5G网络作为该战略下的关键环节已经明确写入到“十三五”规划中。2019年6月，工信部正式发放了5G商用牌照，2020年5G行业应用已然进入商用轨道，正在影响着人们的生活和生产方式。在这种背景下，加快5G网络技术研究并与大数据、人工智能和物联网等新兴产业融合，能够为国家实施科技兴国提供强大的技术支持。

一、5G通信技术的应用场景分析

（一）增强型移动宽带

增强型移动宽带在4G网络中能够满足大区域和热点区域的高容量需求，对于提升用户体验性有着直接推动作用，其主要作用是增强人们之间的通信体验，而增强型移动宽带在5G网络中的应用能够实现更快捷、更稳定的效果。由于5G技术核心功能体现的是稳定、快速和准确，尤其是其高速率峰值可以实现Gbit/s的标准，这意味着高清视频、网络直播以及VR体验可以直接体现eMBB（增强型移动宽带）的应用场景，而VR技术对5G技术的应用最能体现出对宽带的高性能需求。[1]简而言之，无论是在信息同步展示方面，还是在VR技术展示层面，5G通信技術有着明显的优势，如在5G通信技术下能够实现在1秒内下载一部时长2小时、容量为2GB的高清电影。

（二）超高可靠与低时延通信

超高可靠和低时延通信主要体现在互联网的应用场景，实现的人与物之间的通信和控制，其能够实现毫秒级的时延，极大提升了用户可靠的体验，能够满足车联网以及工业控制领域的需求。尤其是在自动驾驶和无人机等场景中，5G的优势十分明显，依靠其强大的低时延功能，可以实现的自动驾驶响应速度要远快于人的本能反应速度。其中5G空中接口时延可以达到1毫秒左右，完全能够满足智慧交通的应用。[2]这种通信技术的及时性和可靠性能够在该场景中得以有效实现。显然，5G通信技术即时性、可靠性、高效性，在一定程度上促进了5G场景的实现。

（三）大规模机器类通信

大规模机器类通信可以实现物与物之间的通信需求，由于5G有着较大的网络容量，能够为人与物、物与物之间提供通信的条件，因而促进了大规模互联网的快速发展，适用于以数据和传感采集为目标的应用场景。例如，5G技术可以较好的适用于智慧城市建设，实现对城市的基本设施的智能化、科学化管理，有效增强了智慧城市的功能。[3]通过将5G通信技术运用于智慧城市的建设过程中，可对城市设施等进行智能化管理，确保其稳定性，增强了智慧城市的各项功能，实现了大量机器的通信需求。例如，可以利用5G技术进行城市路灯的智能化管理，保障路灯使用的稳定性，实现有效节能。这种场景突出的是强大的连接功能，在城市生活的生产、消费等环节都可以实现与互联网的有效融合。

二、5G通信技术的关键技术

（一）大规模多输入输出技术

在5G移动通信技术中，大规模多输入输出技术是一个核心的关键技术，该技术能够提高频谱速率，保障网络的稳定性。这种技术也可以称之为大型天线系统，主要是在4G基础上发展而来的，可以实现基站大量用户在同一时间进行同步通信。而5G通信技术主要使用了大规模的MIMO技术，其应用原理是采用多天线形式实现无线信号传输，在高效率运用传输信号的前提下节省大量的传输成本。在这里需要指出的是，在传输过程中，无线网络可以细分为多个单独的子信号，这些信号都有自己的空间流。[4]在5G通信技术中依托MIMO技术达成了大规模信号收发，大规模天线在同一时间段接收不同的子信号，可以实现每个子信号空间的独立性。简而言之，大规模多输入输出技术既能保障无线传输信号的传输性能，也能为无线传输提供良好的循环利用空间，提升了无线传输过程中信道传输的质量。

（二）超宽带技术

超宽带技术作为一种新型的无线通信技术可以实现对信号的直接调制，促使数据带宽实现GHz的级别，数据传输速率达到纳秒分辨率级别。显然，这种技术相比较WiFi技术，有着较为明显的低时延性。同时，超宽带技术在发送信号的过程中不需要载波，其消耗的能量较低。[5]基于此，超宽带技术在5G新系统中的融入，在智慧交通领域方面有着积极的作用。依托于超宽带技术的特点和性能，可以提高车辆位置、车间距离识别以及快速反应能力。例如，自动驾驶汽车使用超宽带技术使得识别障碍物和防碰撞的能力得到显著提升，提高了汽车的安全性能。因此，超宽带技术为5G通信技术的低时延、低能耗等方面提供了技术支持。

（三）无线网络技术

无线网络技术可以分为软件定义网络和网络功能虚拟化两个方面。软件定义网络技术是Emulex网络一种新型网络创新架构，相比较传统的IT架构中的网络，其主要是通过分离路由器的控制和转发功能而形成一种单独的决策功能。传统的架构中则是需要根据业务部署上线，业务如果发生变动则相应的网络架构也需要调整，而调整设备路由、交换机和防火墙的配置会比较麻烦。显然，软件定义网络技术可以实现网络的敏捷性和灵活性。网络功能虚拟化则是利用标准的IT虚拟技术解决相关的硬件设备问题，其依托于大型共享服务器，利用软件定义的方式，实现地域网络实体虚拟化的运用，如虚拟机技术就是虚拟化技术的一种。这种虚拟机部署成本比较低，同时可以快速的适应网络变化。[6]尤其是云计算和虚拟化技术的应用，在独立服务器就可以实现对冗余服务器的部署，以此来满足网络峰值的需求，同时也可以实现资源的释放，有利于故障管理，实现市场化的发展。

（四）毫米波通信技术

毫米波通信技术包含光波向低频的发展和微波向高频的延伸两个方面。现阶段，无线电信系统频谱大都低于6GHz。显然，处于3—60GHz区间的频谱资源没有能够有效地开发应用。在这种情况下，5G把9.9—86GHz波段作为重点区间进行RAT探究，这种方式主要是依托LTE技术实现对因特网广域覆盖探究，在该波段创建超密集网实现LTE层与UDN层的双重覆盖。[7]可以说，在毫米波波段上运用大规模输入输出技术，可以实现网络容量的增加和通信效率的提高。如贝尔实验室中国利用峰值传输速率高于50Gbps的原型机，在28GHz毫米波频段上将频谱效率提升到了100bps/Hz。[8]显然，这种高频谱效率可以实现更快的下载速度，在短时间内实现多达百兆信息的传输。

（五）新型网络构架技术

在通信行业不断发展的背景下，5G技术也在不断发展，提升通信效率以满足用户需求。但是，在这个过程中成本因素在一定程度上限制了发展的速度，需要在通信业务中控制好成本。提升通信效率需要建立在对通信业务的整合基础上，同时不断拓展新的业务满足社会发展需求。而在这个过程中可以通过自组织网络实现网络虚拟化，对于自组织网络而言，5G通信技術可以增强人们的情景体验，提供通信技术的互动功能，这种技术的实现需要在无线网络云端将峰值速率与数据结合到一起，从而促进通信质量的进一步提升。[9]简而言之，作为核心组成部分的新型网络构架技术，一方面可以确保计算机存贮平台的稳定性，另一方面可以为社会发展构建新的交付模式。

（六）D2D通信技术

D2D通信技术是指两个同等级的节点可以在不依托基站的情况下实现直接的短距离交流的技术。显然，这种技术可以提高频带的利用效率，节省网络空间资源，在一定程度上减轻了5G中基站压力大而导致不稳定网络情况的发生频率。同时，该技术结合蜂窝通信技术将区域分成蜂窝的形状，在独立的六边形内进行直接交流，而相隔的交流再通过基站进行。但需要指出的是，D2D技术提供的通信能力不仅要注重通信距离的增加，同时也要保障通信的质量和保密性。

三、结语

5G通信技术应用场景关系着社会发展的变革，能够满足人们多元化的生活需求，呈现出广域性和多样化的发展特点。可以说，5G通信技术能够打破传统通信技术的限制，实现通信速度快、利用率高以及成本低和质量高的要求。这些核心技术已经推动了智能化网络的发展，对于物联网工业有着较大的影响，在一定程度上促进了社会经济发展。未来，5G通信技术将会改变和创新人们的生活方式，有效满足人类生活和社会发展的多样化需求。

参考文献：

[1]王亚妮.5G移动通信技术的特征及应用场景[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2020（10）：164165.

[2]袁周阳，李超杰.5G通信技术应用场景及关键技术探讨[J].信息通信，2017（07）：260261.

[3]宣以所.5G移动通信发展趋势与若干关键技术应用研究[J].信息与电脑（理论版），2017（07）：172174.

[4]丁聪.5G通信技术应用场景和关键技术探讨[J].通讯世界，2019，26（05）：9899.

[5]赵治国.面向5G的移动通信技术及其优化[J].电子技术与软件工程，2019（09）：21.

[6]王江.浅谈5G通信技术应用场景及关键技术[J].计算机产品与流通，2019（12）：64.

[7]吴泉.5G通信技术应用场景及关键技术分析[J].网络安全技术与应用，2019（05）：6162.

[8]徐正先，朱哲.5G移动通信技术特点及场景应用[J].广播电视网络，2020，27（08）：3637.

[9]米胜凯.试析5G通信技术应用场景及关键技术探讨[J].数字技术与应用，2019，37（04）：21+23.

作者简介：吕进（1983— ），男，汉族，宁夏银川人，本科，嵌入式系统设计师，系统集成项目管理工程师，研究方向：嵌入式软硬件设计（数据采集，有线、无线数据传输，如4G/5G、蓝牙、Lora等）。