未來移動通信系統(tǒng)中的通信與計算融合

吳東偉

?

未來移動通信系統(tǒng)中的通信與計算融合

吳東偉

中時訊通信建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510030

移動通信系統(tǒng)經(jīng)過近幾十年的迅猛發(fā)展，通信容量趨于飽和，可持續(xù)發(fā)展能力堪憂。突破傳統(tǒng)移動通信發(fā)展瓶頸的一種思路是融合計算機領(lǐng)域的思想和技術(shù)。事實上，通信與計算融合的努力可追溯到信息科學(xué)發(fā)展的早期，而目前移動通信系統(tǒng)在核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)方向都開展了通信與計算融合的研究，初步表明通信與計算融合能有效降低網(wǎng)絡(luò)部署與維護成本，降低對系統(tǒng)的容量需求，從而提升系統(tǒng)支撐業(yè)務(wù)的能力。

未來移動通信系統(tǒng)；通信與計算；融合

引言

移動通信與計算是信息領(lǐng)域的兩大核心技術(shù)。移動通信產(chǎn)業(yè)與計算相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直密切關(guān)聯(lián)、互相促進。移動通信系統(tǒng)基本遵循“十年一代”的發(fā)展規(guī)律，經(jīng)過2G至4G高速發(fā)展的30年，增速明顯趨緩。目前系統(tǒng)構(gòu)建成本日益增加，性能逐漸向理論極限趨近，而收益則趨于平穩(wěn)，移動通信系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)。

1 未來移動通信技術(shù)的特點

第四代移動通信作為未來移動通信技術(shù)一個動態(tài)的、自適應(yīng)的系統(tǒng)，能夠有效提高頻率的分配與管理，能快速地、動態(tài)地自適應(yīng)多層路由技術(shù)和智能無線電組網(wǎng)技術(shù)。具備的特點有：通信速度更快，最大傳輸速率能達到100?MB/s；兼容性更好；靈活性更強；自適應(yīng)的分配資源能對業(yè)務(wù)流大小做出準確處理，智能信號處理器也具有更強的智能性、適應(yīng)性和靈活性；無線頻譜利用率更高，提高無線頻率的使用效率和系統(tǒng)的可實現(xiàn)性；業(yè)務(wù)類型更廣泛，使個人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等多項業(yè)務(wù)無縫連接成一個整體；無線系統(tǒng)容量很大，并引入了空分多址技術(shù)；終端手機多樣化和智能化[1]。

2 未來移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

未來移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)被稱為廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，在不同的固定無線平臺上都可以提供無線服務(wù)，在跨越不同頻帶的網(wǎng)絡(luò)中也能提供信息通信以外的數(shù)據(jù)進行采集、定位定時、遠程控制。

未來移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系有三層：第一層是物理層，又叫接入層，是提供接入和選路的功能；第二層叫網(wǎng)絡(luò)層，也稱承載層，起到鏈接作用，作為橋接的載體提供QoS映射，進而實現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換、即插即用、安全管理和有源網(wǎng)絡(luò)。第三層是應(yīng)用層，與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)執(zhí)行技術(shù)層之間行了開放式接口，為第三方的開發(fā)提供新業(yè)務(wù)。

3 移動通信網(wǎng)絡(luò)中的通信與計算融合

3.1 核心網(wǎng)中的通信與計算融合

目前移動通信網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)是網(wǎng)絡(luò)部署、維護、升級等成本的日益高漲。與提供盡力而為服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)不同，通信網(wǎng)從一開始就是一個以商業(yè)經(jīng)營為目的的網(wǎng)絡(luò)，必須確保通信服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)安全，對網(wǎng)絡(luò)的部署、維護升級、電信設(shè)備的性能等都有嚴格的要求。通信網(wǎng)最初提供的核心服務(wù)就是語音通信。為了滿足語音通信的實時性等要求，必須使用基于專用集成電路的專用設(shè)備。通信專用設(shè)備能夠保證服務(wù)質(zhì)量，但成本高昂。經(jīng)過近幾十年有線、移動通信的迅猛發(fā)展，各種通信服務(wù)需求層出不窮。按照傳統(tǒng)通信網(wǎng)專用硬件對應(yīng)專用服務(wù)的思路，通信網(wǎng)絡(luò)已從一個簡單、低負荷、易運維的網(wǎng)絡(luò)演變成為一個多網(wǎng)共存、高負荷、高能耗、高運維成本的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[2]。運營商的收益率逐年下降，迫切需要改變傳統(tǒng)思路，降低通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本、運維成本和能耗成本。

近年來，運營商積極研發(fā)和應(yīng)用計算機領(lǐng)域的虛擬化技術(shù)。虛擬化技術(shù)將計算機的實體資源包括計算資源、存儲資源等，通過抽象和轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來，能夠透明化底層實體資源，打破實體資源不可切割的障礙，不受實體資源地域等限制，最大化實體資源的利用率，降低網(wǎng)絡(luò)部署成本。目前通信與計算機領(lǐng)域都在研討及應(yīng)用的虛擬化技術(shù)包括軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）。SDN是對網(wǎng)絡(luò)本身的虛擬化，關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的連接。

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中的專用設(shè)備如路由器，其數(shù)據(jù)和控制是混合在一起處理的。由于任一路由器只能獲取周圍局部的網(wǎng)絡(luò)信息，因此造成了網(wǎng)絡(luò)控制的局部性，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。SDN將數(shù)據(jù)面和控制面分離開來，并將控制面從專用設(shè)備上提取出來，集中放置，使網(wǎng)絡(luò)的控制對網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)有一個全面了解，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。NFV則關(guān)注各種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能的虛擬化，基于通用的服務(wù)器，通過軟件定義的方式，虛擬化地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實體的功能，部署成本低，并能快速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)需求變化。將SDN和NFV聯(lián)合起來，就可以將原本昂貴的專用通信設(shè)備用低成本的通用設(shè)備加軟件實現(xiàn)。由于數(shù)據(jù)的控制面集中起來就可以實現(xiàn)標準化，未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的變革只要改變控制面，無須升級大量設(shè)備的硬件，大幅降低了網(wǎng)絡(luò)運行維護以及升級的成本。

3.2 無線接入網(wǎng)中的通信與計算融合

無論是有線通信還是無線移動通信，點到點的傳輸容量C都是有限的，可用香農(nóng)公式表示如下。

移動通信無線傳輸?shù)难芯恳恢敝铝τ谔嵘l譜利用率，逼近香農(nóng)容量理論極限。例如，信道編碼是提升無線信道可靠性的重要技術(shù)。它通過編碼計算，將冗余度有邏輯地引入有效數(shù)字信息中，形成一個碼字。碼字在無線信道中傳輸，很可能被信道畸變，造成誤碼。在接收端通過解碼計算，利用編碼引入的有邏輯的冗余，可從帶有誤碼的碼字中正確地恢復(fù)有效數(shù)字信息。香農(nóng)指出，如果采用足夠長的隨機編碼，就能逼近香農(nóng)信道容量。傳統(tǒng)的信道編碼都有規(guī)則的代數(shù)結(jié)構(gòu)，跟“隨機”相距甚遠；同時，出于譯碼復(fù)雜度的考慮，碼長也不可能太長。所以傳統(tǒng)的信道編碼性能與信道容量之間都有較大的差距。1993年法國科學(xué)家Claude Berrou提出的Turbo碼是一個長碼。它采用多次迭代偽隨機譯碼達到優(yōu)越的糾錯性能，是第一個能夠逼近香農(nóng)容量的信道編碼，但其代價是譯碼算法的計算復(fù)雜度非常高。由于信道編解碼所需的存儲和計算復(fù)雜度與編碼長度成正比，可見香農(nóng)容量公式隱含的一個意義是：這是點對點通信，在計算與存儲資源不受限制時，所能達到的最大傳輸速率，此時該最大速率僅由通信資源，即帶寬和發(fā)送功率（SNR）所決定[4]。如果實際編解碼對計算與存儲資源有較大的限制，如傳統(tǒng)的分組碼，那么編碼性能與信道容量之間必然有較大的差距。因此，從信道編碼這個單一的傳輸技術(shù)看，計算與存儲能力的提高能夠帶來通信能力的增強。但目前這個方向的努力已經(jīng)接近極限，Turbo碼、LDPC碼以及Polar碼都可以逼近香農(nóng)容量，能夠繼續(xù)改進的空間非常小。

正如信道編碼一樣，任何一個具體的移動通信無線傳輸技術(shù)，都離不開計算，而且計算的作用越來越重要。從這個角度看，通信與計算在無線傳輸中已有很好的協(xié)同與融合。但通信與計算的融合不應(yīng)限于單個技術(shù)層面的融合，更要從系統(tǒng)的高度，合理地優(yōu)化計算與通信，滿足用戶日益增長和變化的需求。系統(tǒng)思維是計算機領(lǐng)域研究的一個主要特征，指的是對計算機系統(tǒng)不同層次的抽象和歸納，對整機系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化等。移動通信由于整個系統(tǒng)龐大復(fù)雜，包括移動終端、無線傳輸、基站、核心網(wǎng)等，很難對整個移動通信系統(tǒng)的性能進行分析和優(yōu)化。已有研究大部分局限于某個技術(shù)點，比如信道編碼、多天線、干擾管控等。隨著移動通信發(fā)展瓶頸的顯現(xiàn)，對未來移動通信的研究應(yīng)突破傳統(tǒng)的局部思維，借鑒計算機領(lǐng)域的系統(tǒng)思維，在研究設(shè)計未來通信機制的時候，更多地考慮系統(tǒng)級的因素。如果能夠利用、融合整個通信系統(tǒng)中的計算與存儲能力，就有可能提升整個系統(tǒng)的通信能力。這是因為，計算存儲和數(shù)據(jù)通信都能起到信息交流的作用[5]，比如內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network）在網(wǎng)絡(luò)各處放置大容量服務(wù)器存儲內(nèi)容，可以將用戶請求導(dǎo)向離用戶最近的服務(wù)點，從而降低對遠程通信的要求。

4 結(jié)束語

在目前的移動通信系統(tǒng)中，對于單個設(shè)備和單個技術(shù)層面而言，通信與計算已有較好的融合，但要突破傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)的瓶頸，更需要從系統(tǒng)的角度開展通信與計算融合的研究與應(yīng)用。已有研究初步表明，從系統(tǒng)層面融合通信與計算，有望降低對移動通信容量的需求，提升系統(tǒng)支撐業(yè)務(wù)的能力。

[1]王孟. 新一代衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2016（14）：58.

[2]趙思聰，黃磊，申濱，等. LTE-U：未來移動通信系統(tǒng)發(fā)展的助推劑[J]. 電信科學(xué)，2016，32（4）：114-125.

[3]許英越. 針對未來移動通信系統(tǒng)的頻率復(fù)用技術(shù)研究[D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2014.

[4]劉永輝. 未來移動通信系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 信息系統(tǒng)工程，2013（9）：15-16.

[5]馬文敏. 未來移動通信系統(tǒng)資源分配與調(diào)度策略研究[D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2013.

Communication and Computing Fusion in Future Mobile Communication Systems

Wu Dongwei

China Eracom Communication Construction Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510030

After the rapid development of mobile communication systems in recent decades, communication capacity has become saturated and the sustainability capability is worrying. One way to break through the bottleneck in the development of traditional mobile communications is to integrate ideas and technologies in the computer field. In fact, the communication and computing integration efforts can be traced back to the early development of information science. At present, mobile communication systems have carried out communication and computational fusion research in the core network and wireless access network direction, which indicates that communication and computational fusion can effectively reduce network deployment and maintenance costs and the capacity requirements of the system so as to enhance the system’s ability to support the business.

future mobile communication system; communication and computing; fusion

TN929.5

A