5G網(wǎng)絡靈活架構(gòu)開啟萬物互聯(lián)之門

強宇紅 中興通訊股份有限公司系統(tǒng)架構(gòu)師

謝寶國 中興通訊股份有限公司系統(tǒng)架構(gòu)師

1 引言

當前，4G網(wǎng)絡在神州大地鋪開，人們已經(jīng)能夠通過智能終端迅速獲取到大量信息、隨時更新朋友圈、分享生活的喜與憂，移動網(wǎng)絡很大程度上改變了人們的生活。4G方興為艾，而此時全球移動通信界的專家們早就如火如荼地開始了下一代移動網(wǎng)絡——5G網(wǎng)絡的設計工作。5G網(wǎng)絡的目標是進一步提升網(wǎng)絡的能力，包括容量限制，提高網(wǎng)絡的可靠性、覆蓋率、能效性，降低延遲性等。從2012年開始，通信界就開始了5G網(wǎng)絡需求的調(diào)研，并開展了無線關(guān)鍵技術(shù)的選擇分析和網(wǎng)絡架構(gòu)的重構(gòu)研究工作。

現(xiàn)在已經(jīng)可以預知，5G帶來的不僅僅是更快更寬的移動互聯(lián)網(wǎng)體驗，而且將開啟萬物互聯(lián)（IOT：InternetofThings，）之門，即把與人們生活息息相關(guān)的汽車、家電、消費類電子產(chǎn)品，甚至是工廠的生產(chǎn)線、醫(yī)生的手術(shù)室一起接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)基于傳感器、無線接入、控制網(wǎng)絡、業(yè)務平臺、應用等領(lǐng)域設備的深度集成和創(chuàng)新。5G不僅服務于個人用戶，而且會大規(guī)模向各類垂直行業(yè)拓展，5G必將對當代工業(yè)的發(fā)展帶來不可磨滅的作用。據(jù)世界銀行分析，以5G為重要基石的ICT相關(guān)的新增投資將使歐洲GDP重拾上升之路。5G時代的電信運營商將成為智能制造業(yè)的使能者，物聯(lián)網(wǎng)的海量連接意味著運營商的價值重塑和廣闊的利潤空間。

物聯(lián)網(wǎng)（即機器類通信，MTC-Machine Type Communication）對網(wǎng)絡有獨特的技術(shù)需求，可大致歸結(jié)為海量接入和超可靠性，以及人煙稀少地區(qū)的廣覆蓋。5G系統(tǒng)將支持百億/千億數(shù)量級的海量傳感器接入，并且以低成本、低能耗的方式實現(xiàn)業(yè)務連接和數(shù)據(jù)傳輸需求。超可靠性的應用則要求5G提供幾乎零等待的數(shù)據(jù)傳輸（時延小于1ms）、極少的丟包率，例如在遠程駕駛、工業(yè)控制、危險環(huán)境監(jiān)控等行業(yè)應用中需要的實時控制。業(yè)界正通過創(chuàng)新的空口技術(shù)、靈活的架構(gòu)、改進的通訊控制協(xié)議等多方面技術(shù)來滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求，本文重點介紹通信專家們在定義新的靈活網(wǎng)絡架構(gòu)方面所做的工作。

筆者認為，5G網(wǎng)絡架構(gòu)將通過虛擬專網(wǎng)、動態(tài)Mesh接入網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)平臺、大數(shù)據(jù)平臺幾個方面支持物聯(lián)網(wǎng)的眾多需求。

2 5G架構(gòu)支持網(wǎng)絡切片，按需創(chuàng)建行業(yè)虛擬專網(wǎng)

圖1為NGMN公布的5G白皮書中的網(wǎng)絡架構(gòu)圖，NGMN將5G網(wǎng)絡分為3層，即基礎設施層、業(yè)務使能層、應用/價值層?；A設施層包括各類無線接入節(jié)點設備和基于虛擬化的共享硬件設備；業(yè)務使能層包括目前的核心網(wǎng)控制面/媒體面設備和一部分接入側(cè)網(wǎng)元功能，這些功能以網(wǎng)絡功能虛擬化方式運行于數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一管理的物理設備中，按照需要共享計算、存儲、網(wǎng)絡資源；業(yè)務使能層向應用/價值層開發(fā)網(wǎng)絡能力，并根據(jù)一定的策略和要求（例如地理覆蓋區(qū)域、服務時間、業(yè)務容量、帶寬、延遲要求、可靠性、安全性和可用性）為不同的垂直行業(yè)定制個異性的服務能力。業(yè)務使能層是現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)的自然演進，并將應用包括 Software Defined Networking（SDN）、Network FunctionsVirtualization（NFV）、MobileEdgeComputing（MEC）andFogComputing（FC）在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)，將通信網(wǎng)絡縱向細分為多個虛擬專網(wǎng)，在橫向則是可編程的、彈性、靈活、可靠的分層架構(gòu)。

圖1 NGMN5G白皮書中的網(wǎng)絡架構(gòu)圖

以智能醫(yī)療中的手術(shù)實時信息傳輸及實時控制需求為例，5G網(wǎng)絡能夠迅速組建一個虛擬化網(wǎng)絡提供所需的服務。醫(yī)療部門預定某個時間點將實施一場多點遠程指導的手術(shù)，需要建立一個包括ABC三地專家參與的網(wǎng)絡，現(xiàn)場手術(shù)的視頻、數(shù)據(jù)需要實時傳輸?shù)疆惖兀惖貙＜疫M行綜合分析后將給出進一步操作的診斷分析。這個場景中要求網(wǎng)絡高帶寬、低時延，高可靠性，而對覆蓋、移動性低的要求不高，5G網(wǎng)絡會針對這種需求迅速組建一個虛擬化網(wǎng)絡，在預定的時間點激活網(wǎng)絡，服務終止后，去活網(wǎng)絡，釋放資源。

在現(xiàn)有網(wǎng)絡的標識體系中不能支持海量的傳感器接入，通用的移動性管理/鑒權(quán)流程導致終端耗電較多。5G網(wǎng)絡針對這種需求，能夠單獨建立傳感器管理應用，通過多種技術(shù)滿足傳感器類應用的特殊需求，例如以某種類型的傳感器組為單位實施設備管理，調(diào)整定時器以減少降低周期性更新的次數(shù)，動態(tài)調(diào)整收發(fā)功率和休眠/工作模式等。

3 接入網(wǎng)動態(tài)Mesh，多維度融合實現(xiàn)極限指標

歐盟METIS項目已經(jīng)給出了5G的愿景指標，不同行業(yè)有不同的極限指標，包括端到端傳輸1～5ms的超低時延；99.999%的超高傳輸可靠性；每個小區(qū)支持30萬終端/Cell，每平方米支持10個以上終端；終端在持續(xù)工作模式連續(xù)使用1周以上；休眠模式下連續(xù)使用時間大于5年等。

已經(jīng)研究確定，5G標準中將啟用多種頻段/無線制式、組網(wǎng)方式、靈活自適應的有線/無線回程網(wǎng)絡來滿足以上需求。5G中會需要重疊部署多種基站，各種類型基站之間需要靈活共享資源，實時地進行功率控制和干擾協(xié)調(diào)，因此可以預測基站之間的橫向協(xié)作將比4G更為頻繁，5G將采用基于動態(tài)Mesh的全新動態(tài)自適應接入網(wǎng)架構(gòu)。5G基站包括傳統(tǒng)宏基站、Massive MIMO、設備到設備通信（Device-to-Device，D2D），超密集網(wǎng)絡（UDN）等多種類型和技術(shù)。

大規(guī)模的MIMO技術(shù)通過在基站收發(fā)信機（BTS）上安裝大量的天線，使用預編碼技術(shù)集將能量集中到目標移動終端上，降低了輻射功率和干擾，從而有效地提高了無線傳輸速度、接入容量和可靠性，降低了能耗。

D2D通信是指用戶數(shù)據(jù)可不經(jīng)網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)，而直接在終端之間傳輸。通過D2D技術(shù)，位于覆蓋盲區(qū)的終端能夠連接其他終端，從而減少盲點，提升覆蓋率。借助該用戶終端連接到無線通信網(wǎng)絡。D2D由于具有臨近終端之間直接通信的特性，信道質(zhì)量高，通信時延大大減少，因此在車輛安全領(lǐng)域具有先天優(yōu)勢。

未來數(shù)據(jù)業(yè)務將主要分布在室內(nèi)和熱點地區(qū)，這使得UDN成為實現(xiàn)未來5G的1000倍流量需求的主要手段之一。超密集網(wǎng)絡能夠改善網(wǎng)絡覆蓋，大幅度提升系統(tǒng)容量，在實況轉(zhuǎn)播、視頻監(jiān)控等服務領(lǐng)域中大有可為。

4 物聯(lián)網(wǎng)開放平臺整合行業(yè)價值鏈

5G時代電信網(wǎng)絡不僅僅為個人用戶提供通信服務，而且將是工業(yè)4.0/互聯(lián)網(wǎng)+時代促進不同行業(yè)跨界合作的開放平臺。發(fā)達國家都投入了大力量研究物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈需求，希望占據(jù)產(chǎn)業(yè)的制高點。美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）組織其工業(yè)界和ICT產(chǎn)業(yè)界的龍頭企業(yè)，共同推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標準框架的制定；歐盟在第七科研框架計劃（FrameworkProgram 7，F(xiàn)P7）下，在智能電網(wǎng)、智慧城市、智能交通方面進行了積極部署。目前，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研發(fā)重點集中在傳感器、架構(gòu)、標識、安全和隱私、語義互操作性等方面。歐美物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境相對成熟，主要以政府推動為核心推動，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)中的全球大鱷們都在進行橫縱向整合，以提升市場占有率。電信運營商，系統(tǒng)集成商，服務提供商都對產(chǎn)業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)提供了強有力的支撐。

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中，由中間件及應用開發(fā)商、系統(tǒng)集成商搭建的物聯(lián)網(wǎng)平臺在電信網(wǎng)絡和垂直行業(yè)服務提供商之間起到了承上啟下的作用（見圖2）。為了促進國際物聯(lián)網(wǎng)標準化活動的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，推動國際物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，同時減少各行業(yè)的重復工作，2011年5月，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域國際標準化組織“oneM2M”成立。oneM2M由歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）聯(lián)絡美國和中日韓各通信標準化組織（共7家）成立，同時邀請垂直行業(yè)加入，共同開展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務平臺層國際標準的制定。

oneM2M的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務平臺設立思想是將不同的物聯(lián)網(wǎng)應用中的公用功能提取出來，從物聯(lián)網(wǎng)應用中剝離出公用的物聯(lián)網(wǎng)應用中間件，使得物聯(lián)網(wǎng)應用更加簡單化、核心化，便于物聯(lián)網(wǎng)應用的快速開發(fā)，極大地提高物聯(lián)網(wǎng)應用的投入產(chǎn)出比。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務平臺是移動網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng)應用之間的橋梁，物聯(lián)網(wǎng)應用與網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)與命令的協(xié)同，需要通過物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務平臺進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交、協(xié)議互通，及信息/命令的上傳下達，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務平臺的職能非常多，需要進行終端注冊及終端管理、通信互通、后臺計費、數(shù)據(jù)管理、端到端的安全管理、位置管理、組管理、能力開放協(xié)同等多種功能。oneM2M物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)如圖3所示。

目前，國內(nèi)三大運營商正在建設一個全國統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務管控平臺，中國移動已經(jīng)制定物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務平臺WMMP規(guī)范，重點推廣智慧城市相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)應用，如數(shù)字城管、車務通、動物溯源、電力抄表、手機支付、企業(yè)安防、電梯衛(wèi)士、智能家居等。國內(nèi)運營商通過物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務平臺，能快速導入物聯(lián)網(wǎng)應用需求，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)用戶的差異化服務及快速的QoE服務響應，通過物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務平臺滿足物聯(lián)網(wǎng)應用的差異化需求，極大地提高物聯(lián)網(wǎng)用戶的體驗滿意度。

5 大數(shù)據(jù)分析使行業(yè)應用如虎添翼

大數(shù)據(jù)及其應用的迅速發(fā)展，已經(jīng)引起了社會各界的廣泛關(guān)注，人們通過對各種社會行為的統(tǒng)計分析了解目標人群的行為特征和喜好。5G系統(tǒng)中包含了大數(shù)據(jù)分析平臺，在對網(wǎng)絡中的各種數(shù)據(jù)進行有效的整合后，再進行大數(shù)據(jù)分析處理，能幫助垂直行業(yè)應用進行合理的業(yè)務規(guī)劃。例如，運營商用戶行為分析系統(tǒng)對移動終端發(fā)送的位置登記請求信令進行捕獲，結(jié)合基站位置數(shù)據(jù)庫進行分析，就能實時獲取移動網(wǎng)絡中的用戶位置信息，并按照一定的規(guī)則對數(shù)據(jù)進行建模、處理、分析和存儲。用戶行為分析系統(tǒng)再將這些信息與客戶關(guān)系管理系統(tǒng)、計費受理系統(tǒng)的用戶身份信息結(jié)合起來進行實時的分析和挖掘，就能產(chǎn)生高價值的數(shù)據(jù)服務。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的組成

圖3 oneM2M物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)

比如，統(tǒng)計出某個年齡段用戶常去的超市，結(jié)合超市的商品擺放和移動信息，就能分析出用戶的購買意向和品牌偏好，幫助企業(yè)規(guī)劃零售業(yè)店面選址?；趯囕v的實時地理位置信息和地理信息系統(tǒng)的整合，可以為車輛實時規(guī)劃交通路線，利用大數(shù)據(jù)分析主干道流量，智能、實時地引導車輛分流。

6 結(jié)束語

5G網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合將大大地改變?nèi)藗兊纳睿涸诠I(yè)化應用領(lǐng)域?qū)⑻嵘a(chǎn)效率，提高產(chǎn)業(yè)安全效率；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)⒓ぐl(fā)出更高效的生產(chǎn)力；在交通運輸領(lǐng)域可以優(yōu)化資源利用，例如智能公交、電子車牌、交通疏導、交通信息發(fā)布等；在民生服務領(lǐng)域更將大顯身手，如食品安全、遠程醫(yī)療、智能家居、智慧城市等方面。

5G網(wǎng)絡預計將在2020—2025年商用，中興通訊已經(jīng)投入大量人力進行5G技術(shù)驗證和架構(gòu)分析。同時，中興通訊還與包括中國三大運營商在內(nèi)的眾多客戶建立研究創(chuàng)新聯(lián)盟，在5G物聯(lián)網(wǎng)的場景研究、關(guān)鍵技術(shù)、網(wǎng)絡架構(gòu)創(chuàng)新等方面開展深入合作，力求打造最契合用戶需求的最佳方案。

1 NGMN 5G白皮書