5G移動通信系統(tǒng)在智慧城市中網(wǎng)絡(luò)建設(shè)探究

郭忠仁

一、智慧城市和5G移動通信系統(tǒng)

（一）智慧城市

智慧城市是互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與城市相結(jié)合起來的產(chǎn)物，將信息技術(shù)、通信技術(shù)用來感測、分析、管理城市民生、環(huán)保、工商、公共安全、城市服務(wù)等信息，并對各種需求作出智能響應(yīng)，實現(xiàn)對城市的智能化的管理。

（二）5G移動通信系統(tǒng)

5G移動通信系統(tǒng)指第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)，是在第四代移動通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立起來的新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)。與4G移動通信系統(tǒng)相比，5G移動通信系統(tǒng)具有以下特征：第一，網(wǎng)絡(luò)傳輸率更高，5G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可達到10Gb/s，是4G網(wǎng)絡(luò)的10-100倍，從而讓用戶獲得更好的通信體驗。第二，降低時延。5G網(wǎng)絡(luò)終端到用戶端的時延只有4G網(wǎng)絡(luò)的四分之一，達到了毫秒級，可以在450Km/h的環(huán)境下進行通信。第三，頻譜效率更高，滿足用戶不斷增長的業(yè)務(wù)流量需求。

二、智慧城市網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

智慧城市的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為感知網(wǎng)絡(luò)、匯聚網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)。感知網(wǎng)絡(luò)是以各種傳感器節(jié)點組織的網(wǎng)絡(luò)形式，根據(jù)節(jié)點的布置情況，感知網(wǎng)絡(luò)可以分為靜態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)，靜態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)以預(yù)先布設(shè)的方式放置于感知區(qū)域內(nèi)，讓整個數(shù)據(jù)信息在傳輸過程中，各個節(jié)點的固定位置保持不變，目前主要在智能家居、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。動態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點則是隨機布置在網(wǎng)絡(luò)傳輸區(qū)域，通過各個節(jié)點建立通整體的傳輸路徑，目前主要應(yīng)用在車聯(lián)網(wǎng)。圖1為智慧城市網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。

匯聚網(wǎng)絡(luò)是將交換機上多個端口連接在一起，形成一個擁有較大的端口并形成一套主干路，將各個的線路網(wǎng)絡(luò)均勻負載，并提供冗余鏈路。匯聚網(wǎng)絡(luò)除了滿足傳統(tǒng)的蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)之外，還可以作為感知網(wǎng)絡(luò)遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^節(jié)點，為下一層的網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)接入，讓感知數(shù)據(jù)可以通過匯聚網(wǎng)絡(luò)上層的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到智慧城市各個應(yīng)用平臺。為了打破不同感知網(wǎng)絡(luò)的差異，根據(jù)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的通信標準，移動終端使用通信協(xié)議和感知網(wǎng)絡(luò)通信，從而獲得感知數(shù)據(jù)，并通過互聯(lián)網(wǎng)IP協(xié)議對感知數(shù)據(jù)進行封裝，智慧城市可以根據(jù)實際情況，對網(wǎng)絡(luò)進行擴展。匯聚網(wǎng)絡(luò)分為分布式組網(wǎng)和集中式組網(wǎng)兩種組網(wǎng)方式：如果采用分布式組網(wǎng)方式，根據(jù)5G移動通信系統(tǒng)的終端通信模式直接和終端進行連接通信，不需要建立節(jié)點，從而避免了低終端向高一級終端發(fā)射信息，而導(dǎo)致的通信延時；集中式組網(wǎng)則需要在基站感知網(wǎng)絡(luò)層建立終端節(jié)點，從而實現(xiàn)資源分配、功率控制、管理等目標。

無線接入網(wǎng)絡(luò)由多個基站節(jié)點構(gòu)成并相互協(xié)作，將匯聚網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點的語音、視頻、圖片、數(shù)據(jù)等感知網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)。與傳統(tǒng)的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)絡(luò)基站可以通過X1接口進行互聯(lián)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)預(yù)制未來網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源配置、狀態(tài)優(yōu)化和故障恢復(fù)等功能，降低移動通信網(wǎng)絡(luò)運行和維護成本。目前我國的無線接入網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、傳輸質(zhì)量不穩(wěn)定，已經(jīng)影響到無線網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)在智慧城市的應(yīng)用，對網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量、通信承載力和業(yè)務(wù)能力要求比較高，需要通過載波聚合、密集蜂窩等數(shù)字化處理技術(shù)改造無線傳輸通道，提高網(wǎng)絡(luò)通信容量和頻率效率，但是這需要調(diào)高調(diào)制階數(shù)、編碼長度等問題。 光纖通信系統(tǒng)由光纖電纜傳輸信號，光纖的光波頻率比電纜的頻率要高，傳輸過程中，信號的損耗也比較低。光纖的外層由石英制成的絕緣體，不容易受到環(huán)境的腐蝕、污染，所以在傳輸過程中不會受到雷電、電磁和太陽黑子活動釋放的電磁干擾，保密性強。將光纖通信網(wǎng)絡(luò)與無線接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，可以提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性、降低網(wǎng)絡(luò)成本、提高網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，滿足未來智慧城市網(wǎng)絡(luò)連接的多態(tài)性和泛在性。因此，在匯聚網(wǎng)絡(luò)前傳和后傳中可以采用光纖進行通信，滿足智慧城市海量數(shù)據(jù)傳輸要求，其他通信過程采用無線接入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮無線網(wǎng)絡(luò)的靈活性，并采用PIN技術(shù)和光纖鏈路進行組網(wǎng)。

三、匯聚網(wǎng)絡(luò)實施關(guān)鍵技術(shù)

匯聚網(wǎng)絡(luò)在智慧城市網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系中主要負責(zé)將自身業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和感知層數(shù)據(jù)發(fā)送給遠端網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)傳輸信號。根據(jù)匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不同，有分布式和集中式組網(wǎng)兩種方式，在構(gòu)建匯聚網(wǎng)絡(luò)的時候，需要解決社會關(guān)系感知、信任管理以及可靠性保障技術(shù)等問題

（一）社會關(guān)系感知技術(shù)

根據(jù)社會網(wǎng)絡(luò)基本原理，各個終端節(jié)點的重要程度和活躍程度不同，所以各個節(jié)點之間形成了一定的社會關(guān)系。為了利用這種社會關(guān)系提高數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)效率，需要對各個節(jié)點的社會關(guān)系強度進行評估。節(jié)點間的社會關(guān)系包括垂直社會關(guān)系和水平社會關(guān)系兩個方面。分布式組網(wǎng)方式的匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無法通過泛洪的方式得到各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點社會關(guān)系和節(jié)點狀態(tài)，還需要了解到節(jié)點運動過程中的狀態(tài)參數(shù)，包括節(jié)點相遇間隔時間、節(jié)點相遇持續(xù)時間、相遇頻率等信息。各個行為規(guī)律相似的節(jié)點以組織的方式形成了社區(qū)，但是任何的節(jié)點社會關(guān)系受到多方面的影響，邏輯上可以將任意具有相同屬性的節(jié)點列為一個社區(qū)，給定節(jié)點建立的社區(qū)內(nèi)部成員可能各不相同，所以導(dǎo)致一些節(jié)點會出現(xiàn)多個社區(qū)，并且和其他社區(qū)的屬性具有一定的差異，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)社區(qū)屬性的差異性，出現(xiàn)了一些邏輯結(jié)構(gòu)相互重疊的社會社區(qū)，對重疊社區(qū)屬性的檢驗關(guān)系可以為網(wǎng)絡(luò)用戶提供差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。全局檢測方法需要了解網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的狀態(tài)信息，不利于無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息采集；通過局部信息檢測方法了解各個節(jié)點在運動過程中的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，從而感知社區(qū)結(jié)構(gòu)，了解到各個節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力，提升整個網(wǎng)絡(luò)性能。但是局部檢測無法檢測到所有節(jié)點信息，所以無法提供全面、準確的檢測結(jié)果。

（二）信任管理

由于匯聚網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在不斷移動，可能出現(xiàn)節(jié)點鏈路斷裂的現(xiàn)象，這個時候需要中繼站為斷裂鏈路提供通信通路，匯聚網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)需要多個節(jié)點相互協(xié)作共同完成。但是，受到社會關(guān)系強度、網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量等因素的影響，各個節(jié)點可能出現(xiàn)不協(xié)作的現(xiàn)象，沒有按照要求對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，這主要是由于節(jié)點緩存不足、移動設(shè)備故障等客觀原因?qū)е鹿?jié)點無法接收到新的數(shù)據(jù)信息，或者由于各個節(jié)點的社會關(guān)系強度、活躍度以及用戶隱私保護等因素導(dǎo)致各個節(jié)點消極合作。因此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)前需要評估與中繼站的關(guān)系。與中繼站的關(guān)系需要從各個節(jié)點過去運行的狀態(tài)進行感知，單純節(jié)點之間的交互信息無法評估兩者之間的關(guān)系強度，還需要來自其他節(jié)點的間接推薦。

（三）可靠性保障

匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用分布式通信，可以充分利用頻譜資源，降低終端發(fā)射功率。建立的通信鏈路必須滿足QoE方面的約束條件，并按照多媒體應(yīng)用方式傳輸數(shù)據(jù)，避免鏈路突然終端，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法及時傳輸。目前終端節(jié)點有三種工作模式：蜂窩模式、復(fù)用模式、專用模式。為了提高通信網(wǎng)絡(luò)的容量，一般采用復(fù)用模式，但是這種模式下不同終端鏈路、終端鏈路和基站之間存在干擾，所以在智慧模式網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，需要考慮到各個方面的綜合因素。

四、5G移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以及通信網(wǎng)絡(luò)定位需求

當(dāng)前我國5G移動網(wǎng)絡(luò)還未正式商用，按照工信部發(fā)布的《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，我國將在2020年啟動5G商用服務(wù).。隨著手機、筆記本電腦、ipad等各種移動終端的發(fā)展，用戶對移動數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長。為了滿足智慧城市發(fā)展需求，未來5G移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，需要減少小區(qū)半徑，增加低功率節(jié)點數(shù)量，增加無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和無線節(jié)點，支持1千米范圍內(nèi)可以為25000個用戶提供無線網(wǎng)絡(luò)需求。5G移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，確保整個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架具備逐漸的彈性，部署形態(tài)更多樣、業(yè)務(wù)模式更加豐富、網(wǎng)絡(luò)連接能力更加強大、數(shù)據(jù)傳輸時延更低等要求。將5G網(wǎng)絡(luò)和城市規(guī)劃發(fā)展以及智慧城市建設(shè)聯(lián)系起來，協(xié)調(diào)智慧城市發(fā)展各個方面，提高信息資源利用率。網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用過程中，需要建立多種類型的基站、射頻卡片，分布在城市地面、建筑樓頂和室內(nèi)空間，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

五、結(jié)束語

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)性、前瞻性直接影響到智慧城市發(fā)展。我國的5G移動通信網(wǎng)絡(luò)處于起步階段，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標準和網(wǎng)絡(luò)標準尚未確定下來，一定程度上給網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計增加了一定的難度。目前我國三大運營商正在全國多個城市開展試點工作，運營商在試運行的時候，要總結(jié)和積累經(jīng)驗，為智慧城市發(fā)展提供參考。