5G关键技术及其在精准农业中的应用前景

摘要：随着科学技术的快速发展以及社会经济的进步，近年来，第五代移动通信系统也得到了快速的发展。现阶段，5G的关键技术已经趋于成熟，这些技术的研发有效地解决了现阶段无线传输以及无线网络应用中存在的问题，从而促进了物联网行业的高速发展。同时，通过5G技术的应用，精准农业实现了全方位的环境监测以及精细化控制，从而推动了我国精准农业领域的核心竞争力提升。本文基于此，对5G的几项关键技术做了介绍，并分析了其在精准农业中的应用前景，以期为相关工作者提供指导和帮助。

关键词：5G；关键技术；精准农业；应用前景；物联网

5G作为第四代移动通信技术后的新一代移动通信系统，在近些年来随着相关科学技术的成熟得到了快速的发展，预计在2019年，5G技术就能够全面投入商用。相较于4G，5G拥有更高的数据传输速度以及频谱利用率，因此，5G的普及使得大容量信息传输、机器设备通信以及智能化网络成为了现实。

一、5G关键技术的成熟在物联网以及精准农业方面的意义

1.1 5G关键技术的成熟对物联网的影响

物联网是指通过信息传感设备，实现商品与互联网之间的映射对应，从而将物品信息记录在网络上，通过信息的相互传输以及交互，从而实现物品的智能识别、任意定位以及监控管理的网络系统。而5G关键技术的成熟使得移动通信网络传输信息的速度更快，同时实现了机器设备之间的通信，因此，将物联网技术与农业生产有机结合，能够实现农业生产的智能化，从而促进我国农业的网络化、高效率、环保、安全生产。

1.2 5G关键技术的成熟对精准农业的影响

随着国家科技水平的快速发展，现阶段我国传统的以人力为主要动力的农业生产已经逐渐难以满足人们的日常生活需求。在3G时代，我国已经开始了精准农业的初步实行，通过信息技术在农业方面的应用，使得能够进行空间分析、定位、定时以及定量农业操作的管理系统投入到了农业生产的使用中，而4G技术更是进一步普及并推进了精准农业的发展。随着5G技术的逐渐成熟，精准农业势必会达到更高的准确度、更快速的指令下达等高度，从而进一步改变精准农业的现状。

二、5G移动通信中的关键技术

随着科学技术的逐渐成熟，现阶段，第4代移动通信网络系统已经难以满足人们的生活需求，因此，5G逐渐成为了世界通信公司的研究重点。2013年，欧盟启动了“构建2020年信息社会的无线通信关键技术”项目，各国纷纷将移动通信的重点投入到了5G关键技术的研发上。相较于3G和4G，5G业务能力的优势主要体现在以下几个方面：第一，5G的资源使用效率远高于4G，资料显示，5G的资源利用率可以高出4G10倍以上；第二，5G的系统信息容量较之于4G提升了25倍之多，这也就意味着5G系统中的信息存储量更多；第三，5G的射频资源扩展为原来的4倍，从而显著提升了资源的共享程度。而在5G的发展过程中，以下几项关键技术是5G研发不可或缺的，现将其介绍如下：

2.1大规模天线阵列

单一天线的方向性是有限的，为适合各种场合的应用，将工作在同一频率的两个或两个以上的单个天线，按照一定的要求进行馈电和空间排列构成天线阵列，也叫天线阵。构成天线阵的天线辐射单元称为阵元。大规模天线阵列，也称多入多出信息传输技术，它能够显著提升信息的传输安全性以及系统频谱效率，并且，这种信息传输的安全性以及系统频谱效率是与天线数量成正比的，因此，天线的数量越多，性能的提升更明显，基于这个原理，人们开始重视大规模天线阵列的研究。现阶段，大规模天线阵列技术主要包括集中式技术以及分布式技术两种类型。集中式技术是指天线阵列的排布较为紧密，而分布式则恰好相反，我国的分布式天线阵列技术位居世界前列。大规模天线阵列的排布，不仅能够有效提升空间分辨率，还能够降低发射功率。

面向5G的大规模天线阵列主要是指位于建立在信号发射基站的天线系统，它的存在使得波束赋形、空间分集以及空间复用三者的同时使用成为了现实。波束赋形，是指对天线阵列信号进行初级处理，通过天线系统参数调整产生定向波束，从而达到提升传输安全性的目的。空间分集是指通过合并多根天线来进行一个信号的处理，从而提高传输可靠性。空间复用，是指将同一波段在不同天线上重复利用，通过这种方式能够提高无线传输容量。

2.2基于滤波器组的多载波技术

基于滤波器组的多载波技术能够实现现阶段正交频分复用技术无法完成的对闲散频谱应用这一功能，因此，现阶段对该项技术的研究也成为了5G技术的研究热点。我国在进行3G试验时，就已经尝试对基于滤波器组的多载波技术进行使用，现阶段该项技术在通信网络信息处理、图像处理以及雷达信息处理等多个行业得到了广泛的应用。相较于正交频分复用技术，基于滤波器组的多载波技术能够实现子载波相互交互的简化，避免了过去对子载波进行同步以及插入前缀等一系列复杂的工作。

现阶段，科研人员在对5G的多载波技术进行研究时，着重研究了广义频分复用技术以及通过滤波多载波技术。广义频分复用技术不需要对子载波进行正交以及同步，同时简化了插入循环前缀的过程，从而使其在实际操作过程中极为快捷，并提高了闲杂频谱的利用率。通过滤波多载波技术完全实现了循环前缀以及子载波同步等工序的免除，在实际的操作过程中，只需要对其设定时域保护前缀，确保数据信息传输的可靠性即可。

2.3超密集网络

由于5G对信息传输速度以及信息容量提出了新的要求，因此5G网络中，一般包含了宏站以及低功率网络小站等两种类型的传输站点，并且，由于低功率小站的建設技术逐渐成熟，支持5G网络的低功率小站密度将显著提升，达到现阶段的十倍以上，从而构成超密集网络系统。超密集网络与传统网络站点的重要区别就在于超密集网络的网络节点基本能够达到每个网络用户的对应服务节点，从而实现了信息容量、通信速率以及频谱效率等多个方面的提升。但是超密集网络也存在自身的缺点，例如，由于低功率小站的增多，使得这些网络站点带来的信息干扰也明显增多。相关技术人员已经发现通过无线回传组网技术能够消除低功率小站带来的信息干扰，但是现阶段，无线回传组网技术的应用还存在着技术掌握不成熟的问题。

2.4自组织网络

自组织网络，就是人们所说的智能化网络。通过向网络系统赋予自组织能力，实现网络的人工智能化以及分析处理信息能力的提升，从而显著降低了人力资源成本的投入。在进行自组织能力的引入时，需要包含自优化、自配置以及自愈合能力等多个类型。现阶段，自组织网络技术还不能适用于多网共同使用，因此，5G网络研究重点便是如何使自组织网络技术在多网协同使用。上文提到，5G网络系统将采用超密集网络，因此，现有的自组织能力难以满足超密集网络的使用需求，因此需要开发新技术来支持自组织能力的应用；同时，超密集网络带来了多个信号源，信号源的增多使得干扰较之前增加，这也会对自组织网络的应用带来困扰。如何实现自优化、自配置在超密集网络下的有效应用，是自组织网络技术需要着重解决的问题。

2.5全双工复用

全双工技术是指信息传输的双方在同一网络频率下进行信息传输的技术，它能够有效降低信息传输的演示，并促进提升频谱效率。但是现阶段的4G网络系统还不能实现全双工通信，因此，如何使得全双工技术成熟并应用于通信网络中，是5G系统需要重点解决的问题。

全双工通信应用遭遇的难点是同一频率下的信息传递存在着严重的信号干扰，想要消除这种干扰，需要考虑发射信号的非线性失真，同时，为避免信息传输的饱和，需要将信息接收端的模/数转换器分辨率进行限制。现阶段，针对以上问题的想法还没有通过实验来进行验证，这将是5G系统亟待解决的问题。

2.6软件定义网络

软件定义网络SDN（Software Defined Network）是由美国斯坦福大学CLean State研究组提出的一种新型网络创新架构，其顾名思义，就是通過中央控制系统实现互联网节点在各个设备的控制功能的统一控制，从而简化分设备的功能，实现控制功能与转发功能的分离。可通过软件编程的形式定义和控制网络，其控制平面和转发平面分离及开放性可编程的特点，被认为是网络领域的一场革命，为新型互联网体系结构研究提供了新的实验途径，也极大地推动了下一代互联网的发展。由于我国4G系统的网络设备配置存在参差不齐的情况，网络统一管理难度极大，阻碍了软件定义网络管理的统一化，因此，在5G系统中，需要重点解决的问题是实现各大运营商对同一网络设备的共同管理以及基础设施的共享，从而降低运营商的投入成本。

2.7内容分发网络

内容分发网络，是指通过缓存服务器将用户的网络连接导向离用户最近的网络节点，将本节点流媒体资源库中的指定内容，根据业务运营商定义的内容分发策略向下层节点推送（PUSH）。下层节点控制系统通知下层内容管理系统登记接收，该节点以内容注入的方式接收分发的内容。从技术上解决网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均等对用户访问效果的影响，大大提高了网络的响应速度。从而避免了由于访问量过大、网络服务器负荷过重导致的网络崩溃以及响应缓慢等问题[6]。

三、5G在精准农业的应用前景

2014年，我国政府颁布的《5G愿景与需求》详细描述了5G对农业生产生活将带来的改变。白皮书对5G网络系统需要具备的能力提出了明确的要求，确保其具有足够的覆盖范围以及灵活性，从而实现物联网与精准农业的结合 。

2015年，我国政府又颁布了《5G概念》白皮书，书中对无线技术以及网络技术普及的关键技术做了阐述，并分析了精准农业在推广时需要重点解决的问题，并对新型农业中低功耗大连接场景、新型多址技术等做了规划要求。

2016年我国又发布了《5G网络架构设计》白皮书，书中对新型5G网络架构的设计方案做了介绍。同时，指出想要实现精准农业在我国的普及以及高效运行，需要积极研发移动边缘计算、网络切片按需网络重构以及网络能力开放等创新技术，从而促进精准农业物联网中“万物物联”的愿景。

四、结语

截至目前，我国政府针对5G技术以及其在精准农业应用方面共发布了5本白皮书，这些白皮书勾勒出了一个清晰的5G轮廓，在未来的发展过程中，各国研究人员需要积极对上述的7项5G关键技术进行研究，加速关键技术的成熟，并加快建立5G通信网络，从而促进其在精准农业上的应用，实现农业现代化、网络化发展的目标。

参考文献：

[1]何晓露.5G无线网络及关键技术[J/OL].电子技术与软件工程，2018（23）：1[2018-12-16].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/10.1108.TP.20181213.1122.004.html.

[2]张冰，董宏伟，魏月娥.互联网+精准农业的网络安全威胁及应对[J].中国电信业，2018（11）：40-43.

[3]易芝玲，崔春风，韩双锋，潘成康，陈亚迷.5G蜂窝物联网关键技术分析[J/OL].北京邮电大学学报，2018（05）：1-6[2018-12-16].

[4]王高芳.物联网技术在农业气象服务中的应用[A].中国气象学会.第35届中国气象学会年会S14大数据、互联网、融媒体时代气象服务的创新与变革——第八届气象服务发展论坛[C].中国气象学会：中国气象学会，2018：3.

[5]谭紫阳.5G移动通信发展趋势及相关关键技术分析[J].数字技术与应用，2018，36（08）：20-21.

[6]严蕾.5G关键技术及其在精准农业中的应用前景[J].热带农业工程，2016，40（02）：8-11.

注释：

何晓露.5G无线网络及关键技术[J/OL].电子技术与软件工程，2018（23）：1[2018-12-16].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/10.1108.TP.20181213.1122.004.html.

张冰，董宏伟，魏月娥.互联网+精准农业的网络安全威胁及应对[J].中国电信业，2018（11）：40-43.

易芝玲，崔春风，韩双锋，潘成康，陈亚迷.5G蜂窝物联网关键技术分析[J/OL].北京邮电大学学报，2018（05）：1-6[2018-12-16].

王高芳.物联网技术在农业气象服务中的应用[A].中国气象学会.第35届中国气象学会年会S14大数据、互联网、融媒体时代气象服务的创新与变革——第八届气象服务发展论坛[C].中国气象学会：中国气象学会，2018：3.

谭紫阳.5G移动通信发展趋势及相关关键技术分析[J].数字技术与应用，2018，36（08）：20-21.

严蕾.5G关键技术及其在精准农业中的应用前景[J].热带农业工程，2016，40（02）：8-11.

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