5G關(guān)鍵技術(shù)及其在公共圖書館的應(yīng)用前景

李 路

（山東醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校，山東 濟南 250100）

1 引言

隨著全球信息技術(shù)的飛速發(fā)展，高科技信息技術(shù)對政治、經(jīng)濟、文化等各領(lǐng)域的影響不斷擴大，使人們的工作、生活的節(jié)奏和方式持續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)變。習(xí)近平總書記曾在講話中指出：“世界正在進入以信息產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的經(jīng)濟發(fā)展時期。我們要把握數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化融合發(fā)展的契機，以信息化、智能化為杠桿培育新動能?！庇纱丝梢?，信息控制技術(shù)將對推進“五位一體”總體布局和“四個全面”戰(zhàn)略布局產(chǎn)生深遠的意義和影響。

2019年6月，工業(yè)和信息化部向移動、聯(lián)通、電信、廣電四家企業(yè)發(fā)放了5G 商用牌照，因此2019年也被稱為5G 商用元年。從1G 到5G，信息技術(shù)革命的每一次更迭，都使社會發(fā)生深刻的變革和巨大的進步。5G從概念誕生到標(biāo)準(zhǔn)制定再到各國開始組網(wǎng)，所有國家都想掌控話語權(quán)，占領(lǐng)5G 技術(shù)的制高點，因為全世界都知道這是“數(shù)字經(jīng)濟動力的新引擎”，掌握了5G 就掌握了未來一段時期發(fā)展的先機。5G技術(shù)必將引發(fā)一場數(shù)字文化及產(chǎn)業(yè)顛覆式的變革，即將催生文化事業(yè)的轉(zhuǎn)型，為加快中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化傳播、經(jīng)典文化保護傳承以及文化事業(yè)和產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新，開辟出一個嶄新的維度空間。

2 5G在世界各國的發(fā)展戰(zhàn)略審視

5G 是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的底層基礎(chǔ)設(shè)施，是領(lǐng)跑未來的重要武器，是未來經(jīng)濟、軍事的權(quán)柄所在。5G技術(shù)將成為提升智能、提高效率、增加財富的關(guān)鍵，會給未來社會的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟帶來深刻的變革。世界各國都對5G技術(shù)十分重視，中國和美國已將5G上升為國家戰(zhàn)略。

2.1 中國

中國政府高度重視5G 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在相關(guān)關(guān)鍵政策方面為5G 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展指明了方向，《中國制造2025》指出要全面突破第五代移動通信（5G）技術(shù)；《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》指出5G 要在2020取得突破性進展；《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》要求加快構(gòu)建高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施，積極推進5G 商用；《關(guān)于進一步擴大和升級信息消費持續(xù)釋放內(nèi)需潛力的指導(dǎo)意見》要求進一步擴大和升級信息消費，力爭2020年啟動5G商用。

2.2 美國

美國在4G 時代作為技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，僅依靠技術(shù)就獲得了大量的進出口收入來源，使美國的經(jīng)濟發(fā)展有了一個質(zhì)的飛躍。美國認(rèn)為5G 所能創(chuàng)造的價值將超過4G，因此也想將5G 的制造、標(biāo)準(zhǔn)及專利牢牢地掌握在其手中。5G更被賦予了國家安全的重要含義，美國原首席戰(zhàn)略顧問史蒂夫·班農(nóng)發(fā)表無道理的“中國威脅論”演講，他認(rèn)為中共十九大制定了通過推進包括5G 網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的四大經(jīng)濟戰(zhàn)略來實現(xiàn)國家戰(zhàn)略目標(biāo)，如果中國的這種發(fā)展?fàn)顩r不加以遏制，西方尤其是美國將再次陷入20世紀(jì)上半葉的大蕭條。

2.3 德國

以德國為代表的歐盟認(rèn)為，5G 或?qū)⒊蔀闅W洲數(shù)字化經(jīng)濟變革的關(guān)鍵使能器。他們主要以推動5G 研究為主，重點關(guān)注5G 技術(shù)在垂直行業(yè)的應(yīng)用，計劃到 2020年實現(xiàn) 5G 商業(yè)化應(yīng)用，2025年實現(xiàn)5G國內(nèi)全覆蓋。德國還期待與世界各國合作，一道增強5G 網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性，共同開發(fā)5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

2.4 韓日

2019年4月3日，韓國正式開啟5G網(wǎng)絡(luò)商用，成為全球第一個商用5G 網(wǎng)絡(luò)的國家。5G 技術(shù)助力平昌冬奧會開幕式，韓國三大運營商專門針對AR、VR、游戲推出了基于5G 的內(nèi)容和平臺活動，大大提升了客戶的體驗感。韓國未來還計劃在打造沉浸式內(nèi)容、智慧工廠、無人駕駛汽車、智慧城市、數(shù)字健康等更多領(lǐng)域中運用5G。

日本提出了“Beyond 5G”。預(yù)計2020年在移動終端投入使用的5G 傳輸速度將達到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信速度的100 倍。在進入到超高速通信標(biāo)準(zhǔn)之后逐漸推進開發(fā)無人駕駛和無線輸電等新技術(shù)，到2040年相關(guān)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大3倍，達到112萬億日元。

從以上描述中我們可以看出：中國和美國將5G 視為國家戰(zhàn)略；以德國為首的歐盟國家專注于技術(shù)和現(xiàn)實應(yīng)用；韓日的目光更多聚焦于經(jīng)濟效益。

3 5G的發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)

5G 技術(shù)即第五代移動通信技術(shù)（5th Generation Mobile Network，簡稱5G 或5G 技術(shù)）是最新的移動通信技術(shù)，也是繼4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）、2G（GSM）和1G（模擬蜂窩）之后的技術(shù)延伸，是集高數(shù)據(jù)速率（下載速度是4G的100倍）、低延遲（傳輸延時是4G的百分之一）、高系統(tǒng)容量（同面積下用戶連接數(shù)是4G的100倍）于一身并更加安全的蜂窩移動通信技術(shù)。

3.1 1G到5G的發(fā)展

從1G的語音通話到4G的多媒體服務(wù)，再到即將迎來的5G萬物互聯(lián)，深刻地影響著社會大眾的日常生活，下面將1G 到5G 的發(fā)展歷程、技術(shù)應(yīng)用簡要加以說明（見表1）。

表1 1G到5G的功能和技術(shù)發(fā)展

3.2 5G關(guān)鍵技術(shù)

5G的通信性能提升并不是僅靠一種技術(shù)就可以實現(xiàn)，而是需要多種技術(shù)相互配合共同實現(xiàn)，以下介紹5G技術(shù)應(yīng)用中的幾種關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

5G 使用場景大多要求高傳輸速率，所以未來5G 網(wǎng)絡(luò)的主要頻段將集中于高頻段，需要建設(shè)更多的微基站，新增大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，又基于5G 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計需求，即5G不是取代之前幾代的通信技術(shù)，而是需要多種無線網(wǎng)絡(luò)接入共存，因此如要滿足5G場景下高速率、低延遲、高容量、高密度流量的用戶體驗要求，就需要采用超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這也使超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為5G 網(wǎng)絡(luò)研發(fā)、推廣不可繞過的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2.2 自組織網(wǎng)絡(luò)

自組織網(wǎng)絡(luò)（Self-Organizing Network）可以在沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施或者無法使用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，使得終端之間能夠保持相互通信。自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要可以解決網(wǎng)絡(luò)部署階段的自規(guī)劃和自配置以及網(wǎng)絡(luò)維護階段的自優(yōu)化和自愈合。自規(guī)劃能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)規(guī)劃和執(zhí)行；自配置使新增網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)即插即用；自優(yōu)化可以對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行判斷并自動提升網(wǎng)絡(luò)性能，減少人工業(yè)務(wù)量；自愈合則指自動檢測問題并排除故障，降低維護成本、提高用戶體驗。

3.2.3 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network），有時也被稱作內(nèi)容傳遞網(wǎng)絡(luò)，通過實時判斷網(wǎng)絡(luò)中的流量和負(fù)載狀況、用戶距離及響應(yīng)速度等，從而將用戶的請求引到離用戶最近的服務(wù)節(jié)點上。這樣一來用戶可以就近取需，緩解網(wǎng)絡(luò)擁擠，提高響應(yīng)速度。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)作為一種提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，特別是流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，節(jié)省基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)帶寬的技術(shù)，在國內(nèi)外得到越來越廣泛的應(yīng)用，將會對5G 網(wǎng)絡(luò)中用戶訪問環(huán)節(jié)起到關(guān)鍵的支撐作用。

3.2.4 信息中心網(wǎng)絡(luò)

信息中心網(wǎng)絡(luò)（Information-Centric Network）以信息為中心，只將IP地址作為一種傳輸標(biāo)識，某個信息第一次被請求時，網(wǎng)絡(luò)鏈路各節(jié)點順次發(fā)送請求到信息發(fā)布方，發(fā)布方接到信息請求后將相應(yīng)信息反饋給需求方，此過程中鏈路上各節(jié)點會將該信息記入緩存，當(dāng)其他人再次有對該信息的請求時，離其最近的節(jié)點則直接將緩存中的信息回應(yīng)給請求發(fā)起者，達到快速響應(yīng)的目的。

3.3 5G的黑科技

3.3.1 毫米波

毫米波（Millimeter Wave），因其波長僅為1～10毫米，所以被稱之為毫米波，它在波譜中位于微波與遠紅外波相交疊的范圍，因而兼有微波和遠紅外波的特點，其頻率高、波長短、頻譜寬，能夠大幅度提升信道容量，增強信道穩(wěn)定性，又因其傳輸波束較窄，不易被竊聽，因此適用于穩(wěn)定、高速的數(shù)據(jù)安全傳輸，可以滿足5G時代數(shù)據(jù)傳輸要求。

3.3.2 微基站

微基站（Micro Site）是相對于之前大功率發(fā)射基站（宏基站）而言的，因為上面提及的毫米波有一個缺點，那就是遇到障礙物時的穿透性比較差，而利用毫米波傳輸數(shù)據(jù)的5G 網(wǎng)絡(luò)要想廣覆蓋和深覆蓋，就勢必要增加基站的數(shù)量來保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。相對之前的宏基站，微基站具有外形小巧美觀、綜合成本低、可海量裝設(shè)、覆蓋面更廣、網(wǎng)絡(luò)信號更穩(wěn)定等優(yōu)勢。

3.3.3 波束賦形

波束賦形（Beamforming）是為了自適應(yīng)用戶應(yīng)用場景而自動調(diào)整天線陣列的輻射方向的一種技術(shù)。在3G、4G時代，遇到高密度人群時，即使手機上顯示滿滿的3G或4G信號，網(wǎng)速都是無法令人滿意的。因為傳統(tǒng)的基站是機械式的向四面八方發(fā)射網(wǎng)絡(luò)信號，不管每個方向上人多還是人少，在很大程度上造成了資源的浪費。而5G 的基站利用波束賦形技術(shù)可以使電磁波直接指向用戶的設(shè)備，并且可以跟隨用戶的設(shè)備移動自動改變方向，使得用戶不用再刻意尋找信號強的位置，也不用擔(dān)心其他信號的干擾。

3.3.4 D2D

D2D（Device-to-Device）簡單理解就是設(shè)備到設(shè)備，也可以稱作終端直通。在之前的通信技術(shù)下，每對用戶無論是發(fā)送和接受請求，還是發(fā)送和接受數(shù)據(jù)都需要通過基站中轉(zhuǎn)，即發(fā)送方發(fā)送通信請求和數(shù)據(jù)傳送指令給基站，基站確認(rèn)目標(biāo)后再發(fā)送接收請求給指定的接收方，造成了傳輸高延遲、低效率。在5G 網(wǎng)絡(luò)中，基站只負(fù)責(zé)傳輸請求指令，而數(shù)據(jù)則不再通過基站轉(zhuǎn)發(fā)，直接在用戶手中的終端之間傳輸，無形當(dāng)中減輕了基站的負(fù)擔(dān)，大大減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，從而提升了網(wǎng)絡(luò)性能，增強了用戶體驗。

4 5G在公共圖書館的應(yīng)用模式探索

在5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成型之后，各類新的應(yīng)用將成為下一階段5G 研發(fā)、使用的新方向。工業(yè)4.0、無人駕駛、虛擬現(xiàn)實、遠程協(xié)助等新型產(chǎn)業(yè)應(yīng)用都將在第五代通信技術(shù)下得以實現(xiàn)。未來5G 與垂直行業(yè)的深度融合及大規(guī)模商用將為互聯(lián)網(wǎng)傳媒、安防、消費電子、金融、文化教育等行業(yè)帶來新升級的巨大機遇。

5G將開啟萬物互聯(lián)時代，而圖書館作為信息、知識的存儲和傳播者，在5G時代的業(yè)務(wù)內(nèi)容和服務(wù)方式都將產(chǎn)生巨大的改變。依托上述5G 的智能無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在未來可實現(xiàn)連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低延時高可靠等部署場景。從公共圖書館業(yè)務(wù)實踐的視角，探討圖書館5G 服務(wù)模式，細(xì)化其可能提供的服務(wù)內(nèi)容，具有一定的前瞻性及現(xiàn)實意義?，F(xiàn)就以上幾大特點，結(jié)合公共圖書館的業(yè)務(wù)需求就5G技術(shù)的應(yīng)用前景加以探索。

4.1 導(dǎo)覽導(dǎo)航、無感借閱

基于熱點高容量特點，讀者在進入圖書館后通過5G 超高帶寬、超快網(wǎng)速，可利用終端APP 進行導(dǎo)覽導(dǎo)航，結(jié)合無線精準(zhǔn)定位技術(shù)享受導(dǎo)覽系統(tǒng)內(nèi)包括語音、視頻、虛擬形象的AR服務(wù)，也可進行講座、演出區(qū)域的座位導(dǎo)航等服務(wù)。另外讀者在進館時就通過人臉識別技術(shù)等多重驗證方式完成身份認(rèn)證，并與圖書館中的智能書架、門禁閘機等系統(tǒng)進行連接，使讀者能夠順利地找到自己所需圖書，進行閱覽或者完成借還操作，最終確認(rèn)信息通過后臺返回到讀者的終端顯示。

4.2 超清全景互動

超高清視頻業(yè)務(wù)被普遍認(rèn)為是5G 網(wǎng)絡(luò)可以最先實現(xiàn)的場景，5G 網(wǎng)絡(luò)良好的承載能力能夠毫無壓力地解決8K 超高清與VR 視頻的傳輸問題。結(jié)合熱點高容量和低延時高可靠特點，5G 時代的圖書館可以將各種面向讀者的活動和會議通過多點定位的攝像頭進行拍攝，同時將館內(nèi)的主題空間全景拍攝并實時展示，讀者們可以通過VR裝置進行觀看并虛擬互動。

4.3 云課堂

在5G 場景下，公共圖書館可以在真實空間和虛擬空間中同時舉辦講座、展覽及培訓(xùn)等活動，以VR 方式來直播互動，同時涉及的相關(guān)資料以AR方式呈現(xiàn)在讀者的視線當(dāng)中，而講座將自動轉(zhuǎn)錄成慕課之后在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布，圖書館讀者利用5G毫秒級D2D的時延，用幾秒鐘甚至不到1秒的時間下載流暢、高清的慕課視頻，極大地提升了讀者的圖書館體驗。

4.4 精準(zhǔn)推送

目前的智慧圖書館已經(jīng)開始使用大數(shù)據(jù)技術(shù)來分析讀者閱讀和活動的喜好與個性化，只是受限于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和承載能力無法滿足海量讀者日益增長的文化需求。5G技術(shù)將較好地解決這個問題，依靠5G技術(shù)可以將信息系統(tǒng)加入云計算系統(tǒng)，緩解服務(wù)器的計算壓力，把多媒體閱讀、游戲場景閱讀等多元化閱讀體驗按需精準(zhǔn)推送給所需讀者，隨著技術(shù)的更新升級圖書館也會進行各種服務(wù)的創(chuàng)新，加深圖書館對讀者的吸引力。

4.5 智慧場館、智能安防

在5G 技術(shù)的支持下，圖書館建筑中的所有電子設(shè)備可以實現(xiàn)全部在線智能控制，通過系統(tǒng)實時監(jiān)測和分析保障圖書館運行的各個關(guān)鍵信息，包括樓宇內(nèi)所有的空調(diào)、燈光、電梯等設(shè)備，可以按照規(guī)則要求提供客流管理、人臉識別、綠色節(jié)能、災(zāi)害防護等服務(wù)。

視頻監(jiān)控作為智能安防最核心的部分，5G 網(wǎng)絡(luò)可以大幅提升4G 環(huán)境下監(jiān)控視頻的傳輸和反饋速度，并提前預(yù)警，使安防系統(tǒng)做出更合理的判斷，同時在5G 技術(shù)和環(huán)境的支持下，也會有更多的智能安防機器人出現(xiàn)在巡檢體系中，依照指令進行巡查、應(yīng)急處理等工作，減輕了人工壓力。

4.6 口袋圖書館

當(dāng)今社會，手機、PAD等多種小巧的移動終端不斷滿足著我們對生活個性化、品質(zhì)化的追求，那么浩如煙海的中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化是否也可以裝到可隨身攜帶的設(shè)備放到口袋中，變得隨手可及、隨時可學(xué)呢？作為傳統(tǒng)文化的傳承和傳播者，5G 時代的圖書館將積極推進數(shù)字化、信息化、智慧化建設(shè)。公共圖書館可以利用5G 廣域覆蓋的場景特點加強自身對AR/VR、全息影像等高新技術(shù)的融合應(yīng)用，使讀者能夠在5G+AR/VR 的環(huán)境下穿越時空，讓書籍中的場景得以還原，而不再依靠腦海中的想象，從而為讀者帶來生動的沉浸式全新文化體驗。實現(xiàn)這一切，讀者只需使用便攜的移動設(shè)備、可穿戴設(shè)備，讓公共圖書館真正成為口袋圖書館。

4.7 總分館全覆蓋

為有效擴大服務(wù)半徑，打通圖書館基層服務(wù)的“最后一公里”，當(dāng)前公共圖書館都在大力推進總分館制的建設(shè)和發(fā)展。分館共享總館的資源，一切行為都依靠網(wǎng)絡(luò)來和總館進行通信，這就對網(wǎng)絡(luò)通信有很高的要求。受限于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通信條件，那些經(jīng)濟薄弱、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)尚未完善的地區(qū)，無法開展總分館建設(shè)，使圖書館服務(wù)拓展陷入停頓?；谶B續(xù)廣域覆蓋的特點，5G 技術(shù)的應(yīng)用能夠打破當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信的瓶頸，總分館之間突破數(shù)字鏈路物理連接的限制，分館地區(qū)可通過5G信號超越時間和空間的桎梏，在任意時間、任意地點與總館進行業(yè)務(wù)通信，使圖書館服務(wù)真正實現(xiàn)全覆蓋。

5 結(jié)語

與科技融合是文化發(fā)展繁榮的重要驅(qū)動力，文化也是科技應(yīng)用的重要領(lǐng)域。信息隨心而至，文化觸手可及。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）等高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，深刻改變著文化發(fā)展的路徑，文化與科技聯(lián)手，勢必開啟5G時代圖書館創(chuàng)新發(fā)展的新篇章，而促進圖書館行業(yè)的信息化建設(shè)與服務(wù)創(chuàng)新，也必將為5G技術(shù)的應(yīng)用提供更加廣闊的舞臺。圖書館界要提高認(rèn)識，搶抓機遇，著力制定規(guī)劃、完善機制、加強統(tǒng)籌、深化服務(wù)，在“5G+圖書館”事業(yè)中搶占先機、贏得主動，由此必將在5G技術(shù)的創(chuàng)新科技驅(qū)動下為推動中國圖書館事業(yè)的發(fā)展，推動公共文化服務(wù)的繁榮，推動文化強國和學(xué)習(xí)強國建設(shè)做出更大的貢獻。