5G无线通信技术的应用前景探析

5G无线通信技术的应用前景探析

袁树翀

中国铁塔股份有限公司东莞市分公司523000

摘要：工信部在2019年6月6日为中国移动、中国电信、中国联通、中国广电四家单位正式发放了5G商用牌照，我国将正式进入5G商用阶段。由于5G技术具备高带宽、低时延、高可靠的一系列特性，5G将会带来一系列的新应用前景，给整个社会的各种各样的产业以及人民的生活，带来翻天覆地的变化。

关键词：5G技术；无线通信；应用前景

一、5G的涵义

5G（5thgenerationmobilenetworks，是指第五代移动通信系统，其采用了新型多天线和NOMA等新技术，能够满足超高清视频、自动驾驶，虚拟现实等网络体验需求。对比前4代的通信系统，其各项性能指标及能力有了质的提高：

1.峰值速率：下行峰值速率20Gbps，上行峰值速率10Gbps，可3秒下载一部高清电影。

2.峰值频谱效率：下行30bps/Hz，上行是15bps/Hz。

3.时延要求：控制面数据小于10ms；用户面数据可达0.5ms以内。

4.可靠性：可做到大于99.999%。

二、5G通信核心技术

2.1NOMA非正交多址接入技术

从1G到4G，就是各个用户或是在时域、频域或是通过正交码（PN码），将各个用户的接入信道隔离开，使用的多址技术都属于OMA技术（各用户信号相互正交）。5G使用的NOMA的核心理念是在发送端使用叠加编码SC（superpositioncoding），而在接收端使用SIC（successiveinterferencecancelation），借此，在相同的时频资源块上，通过不同的功率级级在功率域实现多址接入，从而大大提升频谱效率水平。

2.2大规模MIMO技术

MIMO（Multiple-InputMultiple-Output）技术是无线通信领域的一个重要创新研究项目，通过智能使用多根天线（设备端或基站端），发射或接受更多的信号空间流，能显著提高信道容量；而通过智能波束赋形，将射频的能量集中在一个方向上，可以提高信号的覆盖范围。5G理论上可以在基站端使用最多256根天线，而通过天线的二维排布，可以实现3D波束成型，从而提高信道容量和覆盖。

2.3先进的信道编码设计

5G技术使用了目前最先进和高效的两种信道编码方式：LDPC及POLAR码。

LDPC即低密度奇偶校验码，由美国工程师RobertG．Gallager发明。它是一种“线性误差校正码”。它能高效、精细、可靠地检测出设备之间传送的数据是否正确，是否缺失。这种能力让LDPC逐渐被应用在复杂干扰环境下的无线数据传输之中。LDPC阵营代表：高通、NOKIA、Intel和三星。

Polar码即极化码，最早由德国人Stolte，N和土耳其教授ErdalArikan提出。极化码是一种“线性块错误校正码”，它的作用和LDPC一样，都是保证数据传输的正确性和完整性。Polar码阵营代表：华为。

Polar码和LDPC码各有各的优势，分别适用不同场。在5G标准中，Polar码用于信令信道编码方案，而LDPC码则用于数据信道编码方案。

2.4高频传输技术

用于移动通信的频率一般以3GHz为界，3GHz以下的称为低频，3GHz以上的称为高频。低频段无线电波的传输损耗低，穿透能力强，但资源极为稀缺，目前3GHz以下的频率基本已经分配使用完毕。随着移动通信带宽需求的急剧增长，通常300MHz以上连续频谱才能支撑5G场景通信对信道容量需求，5G及未来的移动通信系统，只能以3GHz以上的频率资源为主。

3GHz以上的频率资源丰富，高频的直射能力好，但绕射能力弱、传输损耗大，传播距离比较短，5G基站覆盖范围将从4G网络几百米缩小至数十米，因而运营商除了在组网技术层面需要有不同考虑，对基站数量的需求也会大幅增加，同时功率放大器、滤波器等射频器件在高频段工作环境下对工艺、材料及性能都将提出新的要求。

三、5G发展面临的诸多挑战

5G技术的发展带来许多好处的同时，这项规模浩大的事业也带来了一些挑战：

第一个问题首先是频谱问题。频谱资源为无线通信最最稀缺的资源，5G为满足高带宽的需求需要极大的频谱，3GHz以上频谱资源虽然较为丰富，可解决频段上数量问题，但高频段的覆盖和穿透较差，导致覆盖距离短，深度覆盖效果差。如果能在低频腾退少量的频段让运营商用于覆盖，在高频用于吸收热点话务，这将是较为理想的解决方案。

第二个挑战是5G由于速率高，使用大规模MIMO等众多创新技术，给设备功耗和工程安装等方面带来了巨大挑战。如128天线产品，按照传统的RRU+天线安装接线方式，实际工程实施难度非常困难；而由于数据速率高、天线数量多，又带来了设备功耗大等问题。但问题在逐步解决中，如多天线问题通过使用新型设备AAU（将RRU与天线合并）解决工程施工问题，通过不断的设备改进与升级，功耗大的问题也将逐步解决。

第三个挑战是对运营商现有传输骨干网络的挑战。由于5G基站侧的空口速率比4G提升了一个数量级，会给现有的传输网络造成巨大的压力，目前运营商的传输网的接入及骨干层，其容量及性能还不足以支撑真正的5G技术。为了能在传输层全面支持5G，运营商大多需要进行传输网的全面升级，除了技术上的难度，这还会给运营商带来额外的资金压力。

第四个挑战是产业链条及商业模式成熟度的挑战。虽然5G网络的高性能能支持和培育大量创新型应用，但就目前来说，整个产业链条还不成熟，缺乏支持5G的各类终端设备，如手机芯片方面，只有高通的X50，华为的巴龙5000，商用终端数量少，价格高，在5G部署前期是一个巨大的瓶颈。各类创新应用众多，但实际需求、商业模式仍不明确，需要在实际部署后进行检验。但随着5G商用进程的推进，产业链条将会快速形成，各种商用终端必将大大丰富，价格也会快速降低；而各类创新性应用，也必然会像4G阶段的移动支付那样，如雨后春笋般涌现。

四、5G的诱人应用前景

高通发布5G产业报告预测，到2035年5G将在全球创造12.3万亿美元经济产出，全球5G价值链将创造3.5万亿美元产出，同时创造2200万个工作岗位。5G价值链平均每年将投入2000亿美元，这将支持全球GDP的长期可持续增长。

5G作为新一代的移动通信技术，将为万物互联和人工智能的发展提供良好的通信保障，将带来从单一领域创新向跨领域协同创新转变，由面向个人服务向面向各行业服务转变，因此5G产业生态需要联合创新，深度了解各行业对信息技术的需求，打破行业壁垒，推动移动通信与各行业深度融合，探索与垂直行业共赢的全新商业模式，联合创新项目，示范、资本、技术等多种方式促进跨行业融合。

正因为有了强大的通信和带宽能力，5G网络一旦应用，车联网、物联网、智慧城市、无人机网络等概念都将变为现实。根据中国信息通信研究院发布的《5G经济社会影响白皮书》预测，在5G的带动下，物联网市场将从2016年的9300亿元增长到2020年的18300亿元，车联网市场将从2015年的330亿元增长到2020年的2200亿元。2019年1月16日，我国首个5G自动驾驶应用示范公共服务平台在重庆正式启动，自动驾驶汽车年内将在5G环境下开展测试研究。借助5G网络的商用布局，自动驾驶可望在2025年进入市场推广阶段，实现人、车、环境协同一致的目标，推动汽车行业走向自动驾驶的智能时代。

此外，5G还将进一步应用到工业、医疗、安全等领域，能够极大地促进这些领域的生产效率，创造出新的生产方式。比如，5G技术可以在远程医疗中成功应用，因为它可以把延时降至接近即时。不久前，有一名外科医生在福建省利用5G网络，操控一个偏远地区的机械臂进行外科手术，成功切除了实验动物的肝脏，延时只有0.1秒。

可见，5G是实现万物互联的关键一环，会引发社会经济的深刻变革。它提供了一个很好的创新平台，将催生众多新兴产业。正因为应用前景广阔，所以我国政府大力推动5G商用和加快5G商用步伐，这将有利于支撑服务经济社会数字化转型，同时促进强大国内市场。

结束语

随着5G的正式商用及部署，5G将进一步提升我们信息基础设施建设水平，推进我国社会的信息化。万物互联的概念将会给包括电信行业、互联网行业、还有各个传统行业都带来了颠覆性的改变和发展机遇，同时，也为人民的美好生活增添光彩。

参考文献：

[1]李革.我国5G移动通信的关键技术与发展趋势[J].科技传播，2016，01.

[2]吴强.5G移动通信发展趋势与若干关键技术分析[J].教育教学论坛，2016，22.

[3]唐赞淞.5G移动通信技术应用及其发展前景探索[J].中国新通信，2017，01.