5G 無線通信技術(shù)概念及相關(guān)應(yīng)用的思考

劉明陽

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，長沙 410126）

5G 移動通信系統(tǒng)的覆蓋廣、延時低、功耗小等多種優(yōu)點(diǎn)促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。在5G 無線通信技術(shù)的應(yīng)用中，需要從不同角度出發(fā)，采取有效的方法來完善相應(yīng)的技術(shù)體系，調(diào)整互聯(lián)網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)信息多層面控制的效果，有效提升互聯(lián)網(wǎng)的使用效率。

1 5G 無線通信技術(shù)概述

在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的推動下，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入了全新的發(fā)展時代，在市場經(jīng)濟(jì)和相關(guān)的國家政策雙重作用下，互聯(lián)網(wǎng)迎來了新的發(fā)展熱潮?；ヂ?lián)網(wǎng)是機(jī)器、人、物料、信息系統(tǒng)之間連接的基礎(chǔ)性網(wǎng)絡(luò)，全面感知工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)動態(tài)傳輸和實(shí)時分析，優(yōu)化制造資源配置，對企業(yè)制定科學(xué)的決策和生產(chǎn)智能化控制起到了積極的推動作用，已經(jīng)成為企業(yè)在激烈的競爭市場上立足的關(guān)鍵，使我國面向全球化發(fā)展，朝著國際化的制造大國努力。

5G 技術(shù)在國內(nèi)外的研究均取得了巨大的突破，例如毫米波、自動駕駛機(jī)動車、無人機(jī)、接入單元等，我國從2009年就已經(jīng)開始5G 技術(shù)的研究，并建立了5G 原型機(jī)基站。通過升級改造相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施，使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)得到了穩(wěn)步發(fā)展，不斷引入先進(jìn)的通信技術(shù)，如低功耗廣域網(wǎng)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、5G 等，使工廠內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)扁平化、IP 化和柔性化發(fā)展，外部網(wǎng)絡(luò)延時性更低、可靠性更高、覆蓋更廣。5G 技術(shù)除了連接著人與人之，還是物與物、人與物之間的聯(lián)系，根據(jù)發(fā)展趨勢來看，5G 系統(tǒng)需要滿足以下幾種技術(shù)要求：一是傳輸速率需要提高10至100倍，用戶體驗(yàn)速率達(dá)到每秒鐘0.1 ～1Gb，用戶峰值速率達(dá)到每秒鐘10Gb；二是延時降低5 ～10倍，達(dá)到毫秒量級；三是設(shè)備連接密度要求提高10 ～100倍，達(dá)到每平方千米600萬個；四是流量密度要求提高100 ～1000倍，達(dá)到每平方千米20Tb/s；五是為了提高用戶體驗(yàn)，移動性要求超過每小時500km。

2 5G 無線通信技術(shù)的應(yīng)用

2.1 智能傳感器

互聯(lián)網(wǎng)通過射頻識別、傳感器等對全生命周期實(shí)現(xiàn)不同維度的信息監(jiān)控和收集，包含人員、流程、設(shè)備、原料、生產(chǎn)環(huán)境等多種數(shù)據(jù)信息，在這個過程中成千上萬各傳感器和執(zhí)行器，功能型號隨生產(chǎn)場景的不同而存在一定的差異，它們之間的聯(lián)系需要依靠5G 技術(shù)的支持。傳感器由轉(zhuǎn)換元件、敏感元件和轉(zhuǎn)換電路組成，分為內(nèi)部和外部兩種傳感器類型，相當(dāng)于人體的器官。一臺智能化機(jī)器人身上綜合應(yīng)用了觸覺、視覺、力覺、超聲波、聽覺等多種傳感器，以便對生產(chǎn)過程中的參數(shù)實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)視及控制，從而確保生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。當(dāng)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)對環(huán)境敏感程度要去較高時，傳感器收集信息后需要進(jìn)行極低延時的信息傳遞，信息快速到達(dá)執(zhí)行器件進(jìn)行高精度的生產(chǎn)制造，這個過程5G 技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)低延時、高可靠的需求，有效提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，為安全高效的生產(chǎn)提供保障。采用FPGA 為控制核心，以狀態(tài)機(jī)的形式，通過A/D 轉(zhuǎn)換芯片與FPGA 芯片之間的數(shù)據(jù)接口，編程設(shè)計(jì)采集單元的控制時序和讀寫時序，用于控制A/D的時序轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集。然后再由光電轉(zhuǎn)換模塊將采樣結(jié)果發(fā)送至綜合監(jiān)測單元。FPGA 控制整個采集單元的時序。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

2.2 云AR/VR 與5G 相結(jié)合

智能化生產(chǎn)通過AR/VR 大大提升生產(chǎn)效率并減少安全隱患，例如：在進(jìn)行工業(yè)裝配、工業(yè)維護(hù)的智能化制造時，進(jìn)行虛擬裝配培訓(xùn)，通過VR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖紙向VR 工廠的轉(zhuǎn)化。這個過程要去輔助AR 設(shè)施具有極強(qiáng)的靈活性，使維護(hù)工作更加高效，僅要求AR 設(shè)備具有顯示和連接的功能，借助無線網(wǎng)絡(luò)將AR 設(shè)備與云端聯(lián)系，在云端實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的處理過程，有效減小硬件成本的投入。經(jīng)過計(jì)算，無線網(wǎng)絡(luò)雙向傳輸?shù)难訒r只有控制在10ms之內(nèi)，才可以有較好的實(shí)時體驗(yàn)效果，LTE 網(wǎng)絡(luò)無法達(dá)到這種延時要求，將5G 與VR/AR 相結(jié)合能夠拓展交互性，滿足相關(guān)要求，這種結(jié)合方式具有較強(qiáng)的通用型，被廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域。

2.3 云端機(jī)器人

5G 環(huán)境下的機(jī)器人是純粹的執(zhí)行器，智能處理功能都集中在云端，通過5G 網(wǎng)絡(luò)使機(jī)器人共享云端處理指令。阿爾法狗這一級別的需要176個GPU 和1202個CPU 才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的處理能力，在每個機(jī)器人上都裝入這些是不切實(shí)際的，而5G 技術(shù)將這種復(fù)雜的處理轉(zhuǎn)移到云端，將機(jī)器人獲取的信息發(fā)送至云端，然后將云端處理結(jié)果反饋到機(jī)器人本體，有效控制新增硬件的成本并提高處理效率。為了整個處理過程高質(zhì)、高效地完成，對網(wǎng)絡(luò)的要求較為嚴(yán)格，首先要求網(wǎng)絡(luò)傳送時間和遠(yuǎn)端處理時間相加在100ms 以內(nèi)，其次，為了實(shí)現(xiàn)3D 視覺，機(jī)器人需要安裝兩個以上的高清攝像頭，5G 網(wǎng)絡(luò)的帶寬應(yīng)不低于10Gb/s。

2.4 遠(yuǎn)程操控

在危險系數(shù)較高的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過精準(zhǔn)操控實(shí)現(xiàn)使智能設(shè)備代替人為活動，大大降低安全風(fēng)險，最典型的當(dāng)屬煤礦、油田的開采，開采設(shè)備采集現(xiàn)場情景，輸送到后端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)操作大型裝備的遠(yuǎn)程管理和操作。5G 網(wǎng)絡(luò)的低延時、高可靠的特性大大提升了操控系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，遠(yuǎn)程控制管線閥門，精細(xì)控制開度。

2.5 資產(chǎn)跟蹤

在線購購物增長速度越來越快，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)跟蹤十分重要，預(yù)計(jì)到2025年，全球狀態(tài)監(jiān)測連接將達(dá)到8800萬個。從物流角度來講，自倉儲管理開始到物流配送，覆蓋既要深入又要廣泛，且需要有效控制成本和功耗，5G 環(huán)境下，這種連接成本得到有效降低，資產(chǎn)定位跟蹤效率也顯著提升。

3 結(jié)束語

總之，5G 無線通信技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)資源的共享，相關(guān)的工作人員要對實(shí)際問題進(jìn)行及時的分析，提升技術(shù)的應(yīng)用效果，進(jìn)而提升我國的綜合實(shí)力，提升網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、快速的發(fā)展。