計(jì)算機(jī)技術(shù)在5G通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

胡凡瑋，張春雨

（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的深度發(fā)展對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。作為社會(huì)積極發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，5G技術(shù)應(yīng)該深度規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用，拓寬網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)范圍。隨著終端設(shè)備越來(lái)越智能化，未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用也將考驗(yàn)終端設(shè)備的計(jì)算處理能力。因此，相關(guān)行業(yè)需要展開(kāi)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)層面的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整，從而適應(yīng)帶寬和計(jì)算密集型業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。

1 5G通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)

1.1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景指標(biāo)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是推動(dòng)5G移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要力量，通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究和設(shè)計(jì)也將圍繞著這一部分應(yīng)用展開(kāi)。以虛擬現(xiàn)實(shí)為代表的各類服務(wù)給移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，各類智慧物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與服務(wù)也呈現(xiàn)出顯著增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，拓展了傳統(tǒng)移動(dòng)通信的服務(wù)范圍。因此，大量的設(shè)備連接和多樣化的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，使得5G標(biāo)準(zhǔn)化研究工作開(kāi)始深入推進(jìn)。未來(lái)，連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景是5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基本技術(shù)場(chǎng)景，其目的在于保障用戶的移動(dòng)性和業(yè)務(wù)連續(xù)性，為用戶提供無(wú)縫的高速高質(zhì)量通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。其中，低功耗大連接場(chǎng)景主要面向終端數(shù)量更多的物聯(lián)網(wǎng)類型應(yīng)用業(yè)務(wù)，以數(shù)據(jù)采集為基本目標(biāo)，保障終端的功耗和成本需要。綜合來(lái)看，未來(lái)的5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景始終會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系的架構(gòu)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定做出應(yīng)對(duì)方案，確定應(yīng)用和業(yè)務(wù)的工作場(chǎng)景。

1.2 使能技術(shù)

使能技術(shù)在改善5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容分發(fā)性能和數(shù)據(jù)處理方面意義顯著。以軟件定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為例，其核心思想在于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制平面與數(shù)據(jù)平面相互分離，實(shí)現(xiàn)資源的抽象，之后通過(guò)虛擬資源的形式，支持上層應(yīng)用服務(wù)，保障系統(tǒng)的靈活性與可操控性。所有的決策策略由控制器決定和處理，可集中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的配置和管理，無(wú)需單獨(dú)訪問(wèn)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備。在軟件定義網(wǎng)絡(luò)中，由于控制器可以直接管理全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署和維護(hù)難度明顯下降。

值得一提的是，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和業(yè)務(wù)的快速發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)持續(xù)演進(jìn)，某些專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在實(shí)現(xiàn)特定的網(wǎng)絡(luò)功能后，可以發(fā)揮硬件設(shè)備和業(yè)務(wù)服務(wù)的耦合特征。為了解決專用設(shè)備帶來(lái)的一系列問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)。該技術(shù)可以在同一設(shè)備上或同一虛擬環(huán)境中配置多種功能，包括虛擬化的資源創(chuàng)建與生命周期管控。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)最為關(guān)鍵的使能技術(shù)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，將通用物理基礎(chǔ)設(shè)施抽象成為虛擬資源，根據(jù)特定的網(wǎng)絡(luò)功能展開(kāi)網(wǎng)絡(luò)接入。這樣一來(lái)，通信網(wǎng)絡(luò)可以按照用戶的實(shí)際需求構(gòu)建端對(duì)端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)定制化和實(shí)例化。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)具體如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

對(duì)于一些可靠性功能要求較高的服務(wù)來(lái)說(shuō)，還需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行資源的合理配置，以保障數(shù)據(jù)任務(wù)的處理水準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)切片基本模塊包括切片管理器、選擇功能以及虛擬化管理編排設(shè)備等，采用相互隔離的措施保障網(wǎng)絡(luò)安全性，實(shí)現(xiàn)資源的按需分配和網(wǎng)絡(luò)資源利用率的提高。對(duì)于未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)切片來(lái)說(shuō)，虛擬資源分配問(wèn)題將成為后續(xù)的工作重點(diǎn)[1]。

作為一種革命性的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，信息中心網(wǎng)絡(luò)存在的目的在于實(shí)現(xiàn)以信息為中心的通信模式，取代傳統(tǒng)的面向主機(jī)通信模式。相比于傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，這種信息網(wǎng)絡(luò)模式更加關(guān)注內(nèi)容本身，從而在安全性和可擴(kuò)展性方面優(yōu)勢(shì)明顯。例如，面向數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)可以在內(nèi)容緩存和內(nèi)容分發(fā)方面做出重新規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性和安全性特征，并且按照表項(xiàng)指示準(zhǔn)確完成傳輸過(guò)程。

1.3 5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

1.3.1 基于SDN/NFV的架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）的5G網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)重點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)管控層面，可以充分利用該技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)平面處理與接入控制等多個(gè)方面的功能保障，專注于數(shù)據(jù)分發(fā)和網(wǎng)絡(luò)功能的高效資源利用。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備采用通用的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)靈活的部署和資源高效化應(yīng)用，整體架構(gòu)屬于靈活可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，支持分布式移動(dòng)管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，保障了無(wú)線接入技術(shù)協(xié)作的基礎(chǔ)要求。控制平面主要包含網(wǎng)絡(luò)管理工具和定制應(yīng)用，主要從網(wǎng)絡(luò)管控和網(wǎng)絡(luò)功能的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保障基礎(chǔ)設(shè)施資源的整體利用?；贜FV的具體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 NFV架構(gòu)

1.3.2 基于云計(jì)算技術(shù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于云計(jì)算技術(shù)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)充分利用了云計(jì)算的集成與存儲(chǔ)一體化優(yōu)勢(shì)，提供多種類型的服務(wù)模式，根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的要求做到靈活部署。與此同時(shí)，控制云、接入云以及轉(zhuǎn)發(fā)云還能實(shí)現(xiàn)無(wú)線資源管理的邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)整體和局部的會(huì)話控制和策略管理等。通過(guò)相互協(xié)作的方式，使5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)更加靈活和彈性化。

邊緣計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣架構(gòu)設(shè)計(jì)得到領(lǐng)域內(nèi)的高度關(guān)注。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系中，邊緣計(jì)算能夠就近為用戶提供內(nèi)容轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，可以為某些高帶寬的業(yè)務(wù)提供更加良好的服務(wù)?；谶\(yùn)行環(huán)境和創(chuàng)新的網(wǎng)內(nèi)聚合模式，集成控制平面網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)的合理管控。從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的角度出發(fā)設(shè)計(jì)，用戶可以獲得更加智能化和高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

1.3.3 ICN技術(shù)支持的架構(gòu)設(shè)計(jì)

ICN技術(shù)支持下的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系一直是學(xué)術(shù)界的關(guān)注重點(diǎn)。這種架構(gòu)主要包括無(wú)線頻譜資源、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、虛擬資源以及無(wú)線虛擬化控制器。整個(gè)架構(gòu)可以支持端對(duì)端的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，從而保障差異化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從內(nèi)容分發(fā)的角度設(shè)計(jì)了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延與高體驗(yàn)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間以服務(wù)化的接口展開(kāi)交互，增強(qiáng)了能力開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)功能，為創(chuàng)新發(fā)展提供重要基礎(chǔ)[2]。

2 5G通信網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)

2.1 緩存部署機(jī)制研究

緩存部署對(duì)于改善內(nèi)容分發(fā)效率和降低網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲意義明顯，目前在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中完成部署機(jī)制研究工作至關(guān)重要。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一種層次化的架構(gòu)，移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)都包含在內(nèi)，分別負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理和接入功能。按照緩存部署的位置不同，可以將移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的緩存技術(shù)進(jìn)一步劃分為核心網(wǎng)絡(luò)緩存和邊緣網(wǎng)絡(luò)緩存。

行業(yè)學(xué)者在4G時(shí)代就開(kāi)始研究在移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)中部署緩存。通常情況下，用戶發(fā)起請(qǐng)求后，若服務(wù)網(wǎng)關(guān)緩存有目標(biāo)內(nèi)容則可以直接進(jìn)行響應(yīng)，否則會(huì)重新定向至擁有緩存目標(biāo)內(nèi)容的其他服務(wù)網(wǎng)關(guān)。為了進(jìn)一步增強(qiáng)核心網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容分發(fā)效率，可以通過(guò)協(xié)同緩存框架，將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)緩存問(wèn)題描述為成本最小化問(wèn)題，服務(wù)于更大范圍內(nèi)的各類用戶。終端用戶請(qǐng)求最終都會(huì)定位于核心網(wǎng)絡(luò)，因此，緩存資源的服務(wù)請(qǐng)求內(nèi)容需要在分發(fā)效率和響應(yīng)時(shí)延方面做出規(guī)劃，整體改善網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)質(zhì)量。

在移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)緩存方面，當(dāng)前用戶對(duì)于帶寬和時(shí)延的需求明顯增加，因此緩存部署位置的區(qū)域選擇變得更加靈活，劃分為用戶側(cè)緩存和基站側(cè)緩存。用戶側(cè)緩存主要包括用戶終端（如智能手機(jī)或平板電腦）的緩存，基站側(cè)緩存則主要包括宏基站和蜂窩基站緩存。相比于核心網(wǎng)絡(luò)緩存，現(xiàn)有的基站緩存能夠在傳輸時(shí)延方面進(jìn)行整體優(yōu)化，在改善用戶體驗(yàn)質(zhì)量的同時(shí)，建立以自適應(yīng)集群為中心的蜂窩網(wǎng)絡(luò)來(lái)降低回傳帶寬資源消耗。然而，無(wú)論是基站側(cè)緩存還是用戶側(cè)緩存，都旨在加強(qiáng)緩存協(xié)作，改善用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，并且在緩存方面綜合評(píng)估內(nèi)容放置和路由問(wèn)題，降低互聯(lián)網(wǎng)接入時(shí)的帶寬成本，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能效優(yōu)化[3]。

2.2 緩存策略機(jī)制研究

緩存策略機(jī)制研究需要明確緩存放置和緩存替代這兩個(gè)方面的問(wèn)題，尤其是緩存內(nèi)容的更新替代過(guò)程[4]。即考慮到成本因素后，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的緩存資源部署作出整體規(guī)劃，考慮到每個(gè)移動(dòng)終端設(shè)備能夠訪問(wèn)的基站，主動(dòng)預(yù)測(cè)用戶可能需要的服務(wù)需求，綜合提升緩存命中率。在近年來(lái)的研究中，為了改善緩存的理論性能，限制基于編碼理論的緩存機(jī)制開(kāi)始被提出并研究，使用多波傳輸手段使平均回程率達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。需要注意的是，如果大量部署緩存資源，也會(huì)造成通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本過(guò)高。策略緩存機(jī)制在空間優(yōu)化方面還可以進(jìn)行針對(duì)性完善，如對(duì)協(xié)作內(nèi)容分發(fā)作出改進(jìn)以保障邊緣網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)化性能[5]。

3 5G通信網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)

考慮到移動(dòng)終端的應(yīng)用程序運(yùn)行過(guò)程更加復(fù)雜，需要的計(jì)算量明顯增加，設(shè)計(jì)人員在計(jì)算任務(wù)卸載方面需做好整體規(guī)劃，確定移動(dòng)計(jì)算卸載和數(shù)據(jù)備份在云計(jì)算場(chǎng)景中的可行性，保障移動(dòng)終端能量?jī)?yōu)化過(guò)程[6]。未來(lái)，網(wǎng)絡(luò)接入形式將變得更加多樣化，聯(lián)合優(yōu)化任務(wù)分配決策與計(jì)算資源的整體部署可以基于邊緣計(jì)算要求，制定高效的卸載策略，降低傳輸時(shí)延，改善終端設(shè)備的能量消耗[7]。

在資源分配和調(diào)度層面，邊緣計(jì)算服務(wù)器的資源較少，對(duì)于計(jì)算資源的分布和調(diào)動(dòng)問(wèn)題，還應(yīng)該通過(guò)集中式和分布式的規(guī)劃得出具體方案。尤其是集中式資源分配，其研究會(huì)定位在系統(tǒng)能耗和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延優(yōu)化層面，而分布式資源分配可利用分解技術(shù)來(lái)展開(kāi)優(yōu)化，從而滿足延遲要求。

4 結(jié) 論

5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)于推動(dòng)生產(chǎn)力發(fā)展而言價(jià)值突出，同時(shí)也是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。本研究針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用展開(kāi)具體探討，目的在于改善網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)質(zhì)量，在今后的工作實(shí)踐環(huán)節(jié)確定網(wǎng)絡(luò)部署策略。后續(xù)工作中，基于人工智能的5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化仍然存在進(jìn)步和發(fā)展的空間，尤其是緩存和計(jì)算聯(lián)合優(yōu)化，將重點(diǎn)圍繞資源協(xié)作探索利用過(guò)程。