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東莞市廣聯自動化科技有限公司
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未來 5G 網絡正朝著網絡多元化發展
2019-2-27 閱讀(1806)
未來 5G 網絡正朝著網絡多元化、 寬帶化、 綜合化、 智能化的方向發展。隨著各種智能終端的普及，面向 2020 年及以后，移動數據流量將呈現爆炸式增長。在未來 5G 網絡中， 減小小區半徑， 增加低功率節點數量，是保證未來 5G 網絡支持 1 000 倍流量增長的核心技術之一 。因此， 超密集異構網絡成為未來 5G 網絡提高數據流量的關鍵技術 [29] 。
未來無線網絡將部署超過現有站點 10 倍以上的各種無線節點，在宏站覆蓋區內，站點間距離將保持 10 m 以內，并且支持在每 1 km2 范圍內為 25 000個用戶提供服務 。同時也可能出現活躍用戶數和站點數的比例達到 1∶ 1的現象， 即用戶與服務節點一一對應。密集部署的網絡拉近了終端與節點間的距離，使得網絡的功率和頻譜效率大幅度提高，同時也擴大了網絡覆蓋范圍，擴展了系統容量，并且增強了業務在不同接入技術和各覆蓋層次間的靈活性。雖然超密集異構網絡架構在 5G 中有很大的發展前景，但是節點間距離的減少，越發密集的網絡部署將使得網絡拓撲更加復雜， 從而容易出現與現有移動通信系統不兼容的問題。在 5G 移動通信網絡中，干擾是一個必須解決的問題。網絡中的干擾主要有：同頻干擾， 共享頻譜資源干擾， 不同覆蓋層次間的干擾等。現有通信系統的干擾協調算法只能解決單個干擾源問題， 而在 5G 網絡中，相鄰節點的傳輸損耗一般差別不大，這將導致多個干擾源強度相近，進一步惡化網絡性能，使得現有協調算法難以應對。此外， 由于業務和用戶對 QoS需求的差異性很大，5G 網絡需要采用一些列措施來保障系統性能，主要有：不同業務在網絡中的實現，各種節點間的協調方案，網絡的選擇 ， 以及節能配置方法等 [29] 。
準確有效地感知相鄰節點是實現大規模節點協作的前提條件。在超密集網絡中，密集地部署使得小區邊界數量劇增，加之形狀的不規則，導致頻繁復雜的切換。為了滿足移動性需求， 勢必出現新的切換算法；另外，網絡動態部署技術也是研究的重點。由于用戶部署的大量節點的開啟和關閉具有突發性和隨機性， 使得網絡拓撲和干擾具有大范圍動態變化特性；而各小站中較少的服務用戶數也容易導致業務的空間和時間分布出現劇烈的動態變化 [29] 。
自組織網絡
傳統移動通信網絡中， 主要依靠人工方式完成網絡部署及運維，既耗費大量人力資源又增加運行成本，而且網絡優化也不理想。在未來 5G 網絡中，將面臨網絡的部署、 運營及維護的挑戰， 這主要是由于網絡存在各種無線接入技術， 且網絡節點覆蓋能力各不相同，它們之間的關系錯綜復雜。因此，自組織網絡(self-organizing network， SON) 的智能化將成為 5G 網絡*的一項關鍵技術 [29] 。
自組織網絡技術解決的關鍵問題主要有以下 2點：①網絡部署階段的自規劃和自配；②網絡維護階段的自優化和自愈合。自配置即新增網絡節點的配置可實現即插即用，具有低成本、 安裝簡易等優點。自優化的目的是減少業務工作量， 達到提升網絡質量及性能的效果， 其方法是通過 UE 和eNB 測量，在本地 eNB 或網絡管理方面進行參數自優化。自愈合指系統能自動檢測問題、 定位問題和排除故障，大大減少維護成本并避免對網絡質量和用戶體驗的影響。自規劃的目的是動態進行網絡規劃并執行，同時滿足系統的容量擴展、 業務監測或優化結果等方面的需求。目前，主要有集中式、 分布式以及混合式 3 種自組織網絡架構。其中， 基于網管系統實現的集中式架構具有控制范圍廣、 沖突小等優點，但也存在著運行速度慢、 算法復雜度高等方面的不足；而分布式恰恰相反， 主要通過 SON 分布在eNB 上來實現， 效率和響應速度高， 網絡擴展性較好，對系統依懶性小， 缺點是協調困難；混合式結合集中式和分布式 2 種架構的優點，缺點是設計復雜。SON 技術應用于移動通信網絡時， 其優勢體現在網絡效率和維護方面， 同時減少了運營商的資本性支出和運營成本投入。由于現有的 SON 技術都是從各自網絡的角度出發， 自部署、 自配置、 自優化和自愈合等操作具有獨立性和封閉性， 在多網絡之間缺乏協作。因此，研究支持異構網絡協作的 SON 技術具有深遠意義 [29] 。
內容分發網絡
在未來 5G 中， 面向大規模用戶的音頻、 視頻、圖像等業務急劇增長， 網絡流量的爆炸式增長會極大地影響用戶訪問互聯網的服務質量 。如何有效地分發大流量的業務內容， 降低用戶獲取信息的時延，成為網絡運營商和內容提供商面臨的一大難題。僅僅依靠增加帶寬并不能解決問題， 它還受到傳輸中路由阻塞和延遲、 網站服務器的處理能力等因素的影響，這些問題的出現與用戶服務器之間的距離有密切關系。內容分發網絡 (content distribution network， CDN) 會對未來 5G 網絡的容量與用戶訪問具有重要的支撐作用 [29] 。
內容分發網絡是在傳統網絡中添加新的層次，即智能虛擬網絡。CDN 系統綜合考慮各節點連接狀態、 負載情況以及用戶距離等信息，通過將相關內容分發至靠近用戶的 CDN 代理服務器上， 實現用戶就近獲取所需的信息，使得網絡擁塞狀況得以緩解，降低響應時間，提高響應速度。CDN 網絡架構在用戶側與源 server 之間構建多個 CDN代理 server，可以降低延遲、 提高 QoS(quality of service)。當用戶對所需內容發送請求時， 如果源服務器之前接收到相同內容的請求， 則該請求被 DNS 重定向到離用戶近的 CDN 代理服務器上， 由該代理服務器發送相應內容給用戶。因此， 源服務器只需要將內容發給各個代理服務器， 便于用戶從就近的帶寬充足的代理服務器上獲取內容， 降低網絡時延并提高用戶體驗。隨著云計算、 移動互聯網及動態網絡內容技術的推進， 內容分發技術逐步趨向于專業化、 定制化，在內容路由、 管理、 推送以及安全性方面都面臨新的挑戰 [29] 。
在未來 5G 網絡中， 隨著智能移動終端的不斷普及和快速發展的應用服務， 用戶對移動數據業務需求量將不斷增長， 對業務服務質量的要求也不斷提升。CDN 技術的優勢正是為用戶快速地提供信息服務，同時有助于解決網絡擁塞問題。因此，CDN技術成為 5G *的關鍵技術之一 [29] 。
D2D 通信
在未來 5G 網絡中， 網絡容量、 頻譜效率需要進一步提升，更豐富的通信模式以及更好的終端用戶體驗也是 5G 的演進方向。設備到設備通信 ( device-to-device communication，D2D) 具有潛在的提升系統性能、 增強用戶體驗、 減輕基站壓力、 提高頻譜利用率的前景。因此， D2D 是未來 5G 網絡中的關鍵技術之一 [29] 。
D2D 通信是一種基于蜂窩系統的近距離數據直接傳輸技術。D2D 會話的數據直接在終端之間進行傳輸， 不需要通過基站轉發， 而相關的控制信令，如會話的建立、 維持、 無線資源分配以及計費、 鑒權、 識別、 移動性管理等仍由蜂窩網絡負責 。蜂窩網絡引入 D2D 通信， 可以減輕基站負擔， 降低端到端的傳輸時延， 提升頻譜效率， 降低終端發射功率。當無線通信基礎設施損壞， 或者在無線網絡的覆蓋盲區，終端可借助 D2D 實現端到端通信甚至接入蜂窩網絡。在 5G 網絡中， 既可以在授權頻段部署 D2D 通信，也可在非授權頻段部署 [29] 。
M2M 通信
M2M(machine to machine， M2M)作為物聯網在現階段常見的應用形式， 在智能電網、 安全監測、城市信息化、 環境監測等領域實現了商業化應用。3GPP 已經針對 M2M 網絡制定了一些標準， 并已立項開始研究 M2M 關鍵技術。根據美國咨詢機構FORRESTER 預測估計， 到 2020 年， 物與物之間的通信將是人與人之間通信的 30 倍。IDC 預測，在未來的 2020 年，500 億臺 M2M 設備將活躍在移動網絡中。M2M 市場蘊藏著巨大的商機。因此，研究 M2M 技術對 5G 網絡具有非比尋常的意義 [29] 。
M2M 的定義主要有廣義和狹義 2 種。廣義的M2M 主要是指機器對機器、 人與機器間以及移動網絡和機器之間的通信， 它涵蓋了所有實現人、 機器、系統之間通信的技術；從狹義上說， M2M 僅僅指機器與機器之間的通信。智能化、 交互式是 M2M 有別于其它應用的典型特征， 這一特征下的機器也被賦予了更多的“智慧” [29] 。
信息中心網絡
隨著實時音頻、 高清視頻等服務的日益激增，基于位置通信的傳統 TCP /IP 網絡無法滿足海量數據流量分發的要求。網絡呈現出以信息為中心的發展趨勢。信息中心網絡 ( information-centric network，ICN)的思想早是 1979 年由 Nelson 提出來的 ，后來被 Baccala 強化 。目前， 美國的 CCN、 DONA和 NDN 等多個組織對 ICN 進行了深入研究。作為一種新型網絡體系結構，ICN 的目標是取代現有的 IP [29] 。
ICN 所指的信息包括實時媒體流、 網頁服務、 多媒體通信等，而信息中心網絡就是這些片段信息的總集合。因此，ICN 的主要概念是信息的分發、 查找和傳遞，不再是維護目標主機的可連通性。不同于傳統的以主機地址為中心的 TCP /IP 網絡體系結構，ICN 采用的是以信息為中心的網絡通信模型， 忽略 IP 地址的作用， 甚至只是將其作為一種傳輸標識。全新的網絡協議棧能夠實現網絡層解析信息名稱、 路由緩存信息數據、 多播傳遞信息等功能， 從而較好地解決計算機網絡中存在的擴展性、 實時性以及動態性等問題。ICN 信息傳遞流程是一種基于發布訂閱方式的信息傳遞流程。首先，內容提供方向網絡發布自己所擁有的內容，網絡中的節點就明白當收到相關內容的請求時如何響應該請求。然后，當個訂閱方向網絡發送內容請求時，節點將請求轉發到內容發布方，內容發布方將相應內容發送給訂閱方， 帶有緩存的節點會將經過的內容緩存。其他訂閱方對相同內容發送請求時，鄰近帶緩存的節點直接將相應內容響應給訂閱方。因此，信息中心網絡的通信過程就是請求內容的匹配過程。傳統 IP 網絡中， 采用的是“推” 傳輸模式，即服務器在整個傳輸過程中占主導地位， 忽略了用戶的地位， 從而導致用戶端接收過多的垃圾信息。ICN 網絡正好相反， 采用“拉” 模式， 整個傳輸過程由用戶的實時信息請求觸發， 網絡則通過信息緩存的方式，實現快速響應用戶。此外，信息安全只與信息自身相關，而與存儲容器無關。針對信息的這種特性，ICN 網絡采用有別于傳統網絡安全機制的基于信息的安全機制。這種機制更加合理可信， 且能實現更細的安全策略粒度。和傳統的 IP 網絡相比，ICN 具有性、 高安全性且支持客戶端移動等優勢。目前比較典型的 ICN 方案有 CCN， DONA，NetInf，INS 和 TRIAD [29] 。
移動云計算
近年來，智能手機、 平板電腦等移動設備的軟硬件水平得到了極大地提高，支持大量的應用和服務，為用戶帶來了很大的方便 。在 5G 時代，將會出現 500 億連接的萬物互聯服務，人們對智能終端的計算能力以及服務質量的要求越來越高。移動云計算將成為 5G 網絡創新服務的關鍵技術之一。移動云計算是一種全新的 IT 資源或信息服務的交付與使用模式， 它是在移動互聯網中引入云計算的產物。移動網絡中的移動智能終端以按需、 易擴展的方式連接到遠端的服務提供商， 獲得所需資源，主要包含基礎設施、 平臺、 計算存儲能力和應用資源。SaaS 軟件服務為用戶提供所需的軟件應用，終端用戶不需要將軟件安裝在本地的服務器中，只需要通過網絡向原始的服務提供者請求自己所需要的功能軟件。PaaS 平臺的功能是為用戶提供創建、 測試和部署相關應用等服務。PaaS 自身不僅擁有很好的市場應用場景， 而且能夠推進 SaaS。而 IaaS 基礎設施提供基礎服務和應用平臺 [29] 。
SDN /NFV
隨著網絡通信技術和計算機技術的發展， 互聯網 + 、 三網融合、 云計算服務等新興產業對互聯網在可擴展性、 安全性、 可控可管等方面提出了越來越高的要求。SDN(software-defined networking， 軟件定義網絡) /NFV(network function virtualization，網絡功能虛擬化)作為一種新型的網絡架構與構建技術， 其倡導的控制與數據分離、 軟件化、 虛擬化思想， 為突破現有網絡的困境帶來了希望。在歐盟公布的 5G 愿景中， 明確提出將利用 SDN /NFV 作為基礎技術支撐未來 5G 網絡發展。SDN 架構的核心特點是開放性、 靈活性和可編程性。主要分為 3 層:基礎設施層位于網絡，包括大量基礎網絡設備，該層根據控制層下發的規則處理和轉發數據;中間層為控制層，該層主要負責對數據轉發面的資源進行編排，控制網絡拓撲、 收集全局狀態信息等;上層為應用層，該層包括大量的應用服務，通過開放的北向 API 對網絡資源進行調用 [29] 。
SDN 將網絡設備的控制平面從設備中分離出來， 放到具有網絡控制功能的控制器上進行集中控制。控制器掌握所有必需的信息， 并通過開放的 API 被上層應用程序調用。這樣可以消除大量手動配置的過程，簡化管理員對全網的管理， 提高業務部署的效率。SDN 不會讓網絡變得更快， 但他會讓整個基礎設施簡化，降低運營成本， 提升效率。未來 5G 網絡中需要將控制與轉發分離，進一步優化網絡的管理，以 SDN 驅動整個網絡生態系統 [29] 。
軟件定義無線網絡
無線網絡面臨著一系列的挑戰。首先，無線網絡中存在大量的異構網絡， 如：LTE、 Wimax、UMTS、 WLAN 等，異構無線網絡并存的現象將持續相當長的一段時間。目前， 異構無線網絡面臨的主要挑戰是難以互通，資源優化困難，無線資源浪費，這主要是由于現有移動網絡采用了垂直架構的設計模式。此外， 網絡中的一對多模型（即單一網絡特性對多種服務），無法針對不同服務的特點提供定制的網絡保障，降低了網絡服務質量和用戶體驗。因此，在無線網絡中引入 SDN 思想將打破現有無線網絡的封閉僵化現象，*改變無線網絡的困境 [29] 。
軟件定義無線網絡保留了 SDN 的核心思想， 即將控制平面從分布式網絡設備中解耦， 實現邏輯上的網絡集中控制，數據轉發規則由集中控制器統一下發。軟件定義無線網絡的架構分為 3 個層面。在軟件定義無線網絡中， 控制平面可以獲取、更新、預測全網信息，例如：用戶屬性、動態網絡需求以及實時網絡狀態。因此，控制平面能夠很好地優化和調整資源分配、轉發策略、流表管理等，簡化了網絡管理，加快了業務創新的步伐 [29] 。
