5G技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用與發(fā)展前景

【摘要】在5G高速發(fā)展的背景下，“智慧城市”（Smart City）是一種將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與城市經(jīng)營理念相結(jié)合的全新理念，對促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展、提高居民生活品質(zhì)具有重要意義。5G網(wǎng)絡(luò)具有高速率、低時延、大范圍連通等特點，是構(gòu)建智慧城市的重要技術(shù)支撐。本文對5G在智慧城市建設(shè)中的潛在應(yīng)用和發(fā)展趨勢進(jìn)行了深入剖析，探索了以5G為代表的新型信息通信技術(shù)，著重討論了5G技術(shù)在智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧能源、智慧安防、智慧教育等方面的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】5G技術(shù)；智慧城市建設(shè)；技術(shù)應(yīng)用；發(fā)展前景

中圖分類號：G212" " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " " DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.23.042

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，“智慧城市”這一理念正在快速興起，這對于提高人們的生活品質(zhì)、提高城市運行效率具有重要意義。同時這是一個由傳統(tǒng)到智慧的重大跨越，也是一種促進(jìn)社會發(fā)展的重要力量。其中5G以其高速率、低時延以及大容量的新一代移動通信技術(shù)，為構(gòu)建智慧城市提供了強有力的支撐。因此對5G技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景進(jìn)行系統(tǒng)的研究，對促進(jìn)城市的智能化和高效率發(fā)展具有十分重要的意義。本文主要討論5G在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用，并對其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行較為全面的分析。

1. 5G技術(shù)概述

1.1 5G 技術(shù)的基本概念

5G作為下一代移動通信的前沿技術(shù)，是在4G技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它不僅可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且還引入更為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和智能設(shè)備連接能力。

1.2 5G技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

毫米波技術(shù)：毫米波段由于其豐富的頻譜資源，可以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸率。但是由于毫米波信號存在傳輸性能差、容易被遮擋、被吸收等問題，因此必須采用波束成形等方法提高其傳輸范圍。

大規(guī)模 MIMO（多輸入多輸出）：大規(guī)模 MIMO通過 在基站側(cè)部署大量的天線，實現(xiàn)多個終端的同步通信，從而有效地提升系統(tǒng)的頻譜利用率和容量。同時大規(guī)模 MIMO可以在相同的時間和頻率上為多個用戶提供服務(wù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)：5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑽锢韺觿澐譃槎鄠€具有個性化服務(wù)的虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)前所未有的連接密度和靈活性。它不僅能夠提供更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，還通過虛擬化技術(shù)使得網(wǎng)絡(luò)可以動態(tài)地分配資源，以滿足不斷變化的用戶需求。

2. 智慧城市建設(shè)的內(nèi)涵與需求

2.1 智慧城市的概念與架構(gòu)

“智慧城市”是指通過信息與通信技術(shù)對城市核心運行體系中的各種重要信息進(jìn)行感知、分析和整合，實現(xiàn)對民生、環(huán)境保護(hù)、公共安全、城市服務(wù)、工商業(yè)等多種需求的智能化響應(yīng)。智慧城市的體系結(jié)構(gòu)通?？煞譃楦兄獙印⒕W(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層，其中感知層是利用諸如傳感器之類的設(shè)備來采集城市各類信息，以5G為核心的通信系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)層的核心；平臺層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理與分析；應(yīng)用層通過對已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使其能夠在不同的領(lǐng)域中發(fā)揮作用，從而達(dá)到智能管理與服務(wù)的目的。

2.2 智慧城市建設(shè)的主要需求

2.2.1 高效的數(shù)據(jù)傳輸需求

由于智能城市中存在著眾多的傳感器和設(shè)備，它們的數(shù)據(jù)量非常大，例如視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等。因此為了實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時分析與判斷，需要將數(shù)據(jù)迅速穩(wěn)定地傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。而5G具有高速的傳輸速率，可以滿足海量數(shù)據(jù)的高速傳輸要求，保證城市中的數(shù)據(jù)流暢傳輸。

2.2.2 低延遲的交互需求

在無人駕駛汽車、遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)等對實時性有很高需求的應(yīng)用場合，低延遲特性是保證機器人無人駕駛、精確操控的關(guān)鍵。在這種情況下，任何一秒的延誤都有可能造成決策錯誤或者治療結(jié)果的嚴(yán)重偏離，所以保證系統(tǒng)快速、精確地對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是保證安全和提高效率的關(guān)鍵。5G網(wǎng)絡(luò)具有的低時延特征，能夠在最短的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的傳輸與處理，使得終端間的實時互動成為可能，從而提升城市運營的高效與安全。

3. 5G 技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用領(lǐng)域

5G在智慧城市中具有極大的應(yīng)用前景，這將極大地提高人們的生活效率和便利度，也將推動整個城市管理水平的提高。隨著5G技術(shù)的逐步成熟和推廣，智慧城市的發(fā)展必將邁向一個嶄新的高度，并為人類的發(fā)展帶來更多的機會與可能。

3.1 智能交通

3.1.1 車路協(xié)同

5G技術(shù)的采用可以使汽車在公路上實現(xiàn)空前有效的通信，該方法既能保證高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，又能有效地減少時延，保障行車狀態(tài)下的實時狀態(tài)信息。車路協(xié)同可以為ITS的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)，通過在道路上布設(shè)各種傳感與通信裝置，使車輛能夠?qū)崟r獲得交通流量、道路施工等環(huán)境信息，與此同時交通管理部門還能夠?qū)囕v進(jìn)行精確地調(diào)度與管理，完成智能交通信號燈控制、智能停車等功能，從而提升道路的通行效率，緩解交通堵塞。

3.1.2 自動駕駛

5G網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)無人駕駛汽車安全可靠通信的重要保證。無人駕駛車輛需要對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集與處理，其中包括地圖、傳感器、其他交通工具以及道路設(shè)施等。同時5G網(wǎng)絡(luò)具有低時延、高帶寬等特點，可實現(xiàn)高速、高速率的無人駕駛車輛實時精準(zhǔn)決策，從而提升車輛安全可靠運行[1]。

3.2 智慧醫(yī)療

3.2.1 遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷

在5G高速網(wǎng)絡(luò)的幫助下，醫(yī)生可以打破地理位置的限制，通過高清晰度的視頻進(jìn)行遠(yuǎn)程會診。醫(yī)生可以實時看到病人的病史、各項檢查結(jié)果，以便更準(zhǔn)確、更有效地進(jìn)行診療，這不但能夠大大提升就醫(yī)的便利性，同時也可以提升病人的就醫(yī)體驗，為邊遠(yuǎn)地區(qū)的病人提供高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)。另外5G還能支持更復(fù)雜的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如遠(yuǎn)程超聲、遠(yuǎn)程手術(shù)等，通過低延時的網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程醫(yī)療設(shè)備的實時控制，進(jìn)而實現(xiàn)對病人的診療。

3.2.2 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)

5G網(wǎng)絡(luò)以其高速率、低時延等特點，對目前在醫(yī)院內(nèi)應(yīng)用的各類醫(yī)學(xué)儀器進(jìn)行了變革。比如監(jiān)護(hù)儀可以將病人的各種生理參數(shù)通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時傳輸；輸注泵能夠同時地接收和執(zhí)行給藥命令；呼吸機還可以實現(xiàn)多臺儀器間的信息共享，大大提高醫(yī)療工作的效率與精度。醫(yī)生和護(hù)士通過這些裝置的聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)對病人資料的遠(yuǎn)程獲取、遠(yuǎn)程監(jiān)測，甚至是急救，以便更好地對患者的病情進(jìn)行管理，并對治療方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 智慧能源

3.3.1 智能電網(wǎng)

5G在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，使其能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，同時以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過在電網(wǎng)設(shè)備上加裝傳感器，并通過5G網(wǎng)絡(luò)向電網(wǎng)調(diào)度中心發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息，達(dá)到快速準(zhǔn)確定位及時搶修的目的，從而提升電力系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。另外5G網(wǎng)絡(luò)還能夠支撐太陽能、風(fēng)能等分布式能源資源的接入與管理，實現(xiàn)能量的合理配置與使用[2]。

3.3.2 能源管理系統(tǒng)

5G在工業(yè)及大型建筑中的應(yīng)用，能夠為用戶帶來前所未有的高速、高效，并極大地提升了能量管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸能力，實現(xiàn)能耗實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制和能耗分析的關(guān)鍵，可以幫助企業(yè)更準(zhǔn)確地進(jìn)行能耗管理，實現(xiàn)節(jié)能減排。同時通過對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時收集與分析，為企業(yè)制定更準(zhǔn)確的節(jié)能決策提供依據(jù)，從而達(dá)到更精細(xì)的用能管理，減少能耗的目的。

3.4 智慧安防

3.4.1 高清視頻監(jiān)控

5G網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬的特點，可以為高清晰度視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供廣闊的應(yīng)用前景，5G網(wǎng)絡(luò)將高清視頻信息實時傳送至安全監(jiān)控中心，從而對城市公共場所和重要部位進(jìn)行全方位的監(jiān)視。同時借助5G移動終端的邊緣計算能力，實現(xiàn)人臉識別、行為分析等對數(shù)據(jù)來源附近的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，從而實現(xiàn)對異常事件的早期預(yù)警。

3.4.2 應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)

5G也可以為政府提供更多的支持，通過在城市中布設(shè)大量的攝像頭、傳感網(wǎng)，政府機構(gòu)能夠?qū)Τ鞘羞\行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，對突發(fā)事件做出快速反應(yīng)，提升應(yīng)急處置水平。應(yīng)急救援人員可以通過5G設(shè)備實時獲取現(xiàn)場的情況，指揮中心也可以根據(jù)現(xiàn)場反饋的信息快速調(diào)配資源，提高應(yīng)急響應(yīng)的效率[3]。

3.5 智慧教育

3.5.1 遠(yuǎn)程教學(xué)

5G技術(shù)的應(yīng)用使遠(yuǎn)程教育變得生動有效，教師通過高清視頻直播、虛擬現(xiàn)實以及增強現(xiàn)實等手段，讓學(xué)生有一種身臨其境的感覺，從而達(dá)到和線下一樣的學(xué)習(xí)感受。另外5G網(wǎng)絡(luò)還能突破地理位置的限制，實現(xiàn)教育資源的共享，讓更多的學(xué)生享受到優(yōu)質(zhì)的教育資源。

3.5.2 智慧校園建設(shè)

智慧校園的建設(shè)是指將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)運用到教育信息化的環(huán)境中，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，通過信息化的方式把5G技術(shù)創(chuàng)新地運用到學(xué)校的教學(xué)、研究、管理、服務(wù)等各個領(lǐng)域，從而達(dá)到教育現(xiàn)代化的目的?！爸腔坌@”的目的就是要實現(xiàn)教育信息化、精細(xì)化管理、個性化學(xué)習(xí)，讓學(xué)校變成一個“智能”的學(xué)習(xí)環(huán)境。

在當(dāng)今這個科技飛速發(fā)展的時代，學(xué)校教育也緊跟潮流，借助于5G網(wǎng)絡(luò)的強大力量，校園管理邁入智能化新時代。智能門禁系統(tǒng)不再是單純的進(jìn)出限制，而是成為了一個互動與信息交換中心，它能夠?qū)崟r監(jiān)控和記錄學(xué)生及教職員工的活動，確保安全無憂；圖書館的藏書、借閱，甚至是讀者行為都可以通過5G技術(shù)進(jìn)行追蹤分析，從而更好地服務(wù)于學(xué)生的學(xué)習(xí)需求；教室里的多媒體設(shè)備、互動白板，可以通過網(wǎng)絡(luò)連接變得更加智能和靈活，既能滿足教學(xué)需要，又能為師生提供個性化學(xué)習(xí)體驗。

4. 5G 技術(shù)在智慧城市建設(shè)應(yīng)用中面臨的問題

4.1 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本問題

5G網(wǎng)絡(luò)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用，不僅要增加基站的數(shù)量，還要增加傳輸網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施。因此為了使5G網(wǎng)絡(luò)完全覆蓋智慧城市，需要大量的資金投入，這既包含基站的建造費用，也包含市政管道、供電等相關(guān)設(shè)備的改建與更新費用，因此對部分不太發(fā)達(dá)的城市而言，建設(shè)費用過高是制約5G應(yīng)用于智慧城市的主要因素。

4.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與兼容性問題

當(dāng)前5G技術(shù)還在發(fā)展中，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還沒有形成統(tǒng)一。由于不同廠家生產(chǎn)的終端設(shè)備之間存在著互聯(lián)互通、兼容等問題，制約著5G在智慧城市中的規(guī)?；瘧?yīng)用。比如在ITS中，多個品牌的車-路協(xié)作裝置不能相互兼容，就會使整個系統(tǒng)失效，另外，5G與已有的市政信息系統(tǒng)相結(jié)合，還必須解決相關(guān)的技術(shù)規(guī)范、接口等問題。

4.3 安全與隱私問題

5G作為一種新興的移動通信方式，其數(shù)據(jù)的安全性與隱私性受到了極大的挑戰(zhàn)，5G網(wǎng)絡(luò)具有開放、復(fù)雜等特點使其面臨著入侵5G基站、竊取用戶數(shù)據(jù)、影響城市重要系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)等諸多安全隱患。與此同時智慧城市中的數(shù)據(jù)關(guān)系到用戶的隱私、企業(yè)的商業(yè)秘密以及城市的安全等，因此如何保障其在傳輸與處理中的安全與隱私成為亟須解決的難題[4]。

5. 5G 技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的發(fā)展前景

5.1 技術(shù)創(chuàng)新與融合趨勢

5G技術(shù)真正意義上的突破，并不只是體現(xiàn)在傳輸速率、傳輸能力上，而是體現(xiàn)在與人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及區(qū)塊鏈等尖端技術(shù)的結(jié)合上。這樣的跨領(lǐng)域協(xié)作可以創(chuàng)建一個空前的數(shù)字世界，它將使得信息傳遞更加快速、準(zhǔn)確和安全。5G技術(shù)可以實現(xiàn)海量物聯(lián)網(wǎng)終端的互聯(lián)，其中智能家居、穿戴式健康監(jiān)控設(shè)備、各種傳感器等組成了一個智慧的生態(tài)系統(tǒng)，可以全方位地感知城市的環(huán)境。

5.2 市場規(guī)模與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

5.2.1 市場規(guī)模的擴大

隨著5G技術(shù)逐步推廣到智慧城市，相應(yīng)的市場也會不斷擴大，這一過程，將讓設(shè)備生產(chǎn)商、軟件開發(fā)者、網(wǎng)絡(luò)運營商、系統(tǒng)集成商等多個環(huán)節(jié)共同獲益。在智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧能源等方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。

5.2.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的協(xié)同

5G技術(shù)應(yīng)用于智慧城市，將會推動各行業(yè)間的融合與發(fā)展，各行業(yè)應(yīng)進(jìn)一步加強協(xié)作，共同推進(jìn)智慧城市的研究與應(yīng)用。比如在無人駕駛領(lǐng)域，通信公司和汽車制造商進(jìn)行合作，共同推動無人駕駛技術(shù)的發(fā)展；醫(yī)療器械公司通過與互聯(lián)網(wǎng)運營商的合作，擴大遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)服務(wù)。通過產(chǎn)業(yè)間的協(xié)作，能夠提升智慧城市整體產(chǎn)業(yè)的競爭力與創(chuàng)新水平。

5.3 政策支持與國際合作前景

5.3.1 政策支持力度加大

目前世界各國都認(rèn)識到了5G對智慧城市建設(shè)的重要作用，并以此為依據(jù)制定了相應(yīng)的政策。在此基礎(chǔ)上，通過財政補貼、稅收優(yōu)惠、頻譜資源配置等方式，鼓勵企業(yè)在智慧城市中投入5G技術(shù)，為5G應(yīng)用于智慧城市營造有利的政策環(huán)境[5]。

5.3.2 國際合作前景廣闊

智慧城市是一個世界性的問題，5G的發(fā)展離不開國際合作。世界各國可以通過技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂、經(jīng)驗的共享以及共同研究和發(fā)展，將全球資源整合起來，加快5G在智慧城市中的應(yīng)用與普及，以應(yīng)對全球城市發(fā)展的挑戰(zhàn)。

6. 結(jié)束語

5G技術(shù)在智慧城市建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用前景，雖然目前5G技術(shù)還存在著建設(shè)成本、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和兼容性、安全性和隱私性等方面的問題，但是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和融合、市場規(guī)模的不斷擴大，行業(yè)的協(xié)同發(fā)展以及政策的扶持和國際的合作，5G技術(shù)一定會成為智慧城市建設(shè)的重要組成部分，促進(jìn)城市朝著更加智能、高效、安全的方向發(fā)展，為人們營造更好的居住環(huán)境。

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