5G 物聯(lián)網(wǎng)場景下的SPN 建設(shè)策略

袁 凌

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司武漢市分公司，湖北 武漢 430000）

1 5G 物聯(lián)網(wǎng)場景下的SPN 應(yīng)用場景分析

1.1 大帶寬

5G 物聯(lián)網(wǎng)需要連接大量的設(shè)備產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，這對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出更高的要求。在大帶寬場景下，切片分組網(wǎng)絡(luò)（Slicing Packet Network，SPN）需要具備高效的數(shù)據(jù)傳輸能力，以滿足高清視頻和大規(guī)模傳感器數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用的需求。因此，SPN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用靈活的架構(gòu)支持多層次和多路徑的數(shù)據(jù)傳輸，以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

1.2 低時延

對于一些實時性要求較高的應(yīng)用，如自動駕駛和遠(yuǎn)程醫(yī)療等，5G 物聯(lián)網(wǎng)需要提供低時延的服務(wù)。在低時延場景下，SPN 不僅需要優(yōu)化節(jié)點間的傳輸路徑，減少數(shù)據(jù)包的處理時間，還需要通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，為不同應(yīng)用提供定制化的服務(wù)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G 物聯(lián)網(wǎng)的一項重要創(chuàng)新，能為不同應(yīng)用提供獨立的網(wǎng)絡(luò)資源和優(yōu)化的服務(wù)。SPN可以通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以實現(xiàn)不同應(yīng)用之間的隔離，保證各自的性能不受其他應(yīng)用的影響。此外，網(wǎng)絡(luò)切片可以根據(jù)應(yīng)用的實時需求，動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，最大化利用資源[1]。

1.4 靈活連接

在靈活連接場景下，SPN 網(wǎng)絡(luò)需要具備靈活的組網(wǎng)能力，以適應(yīng)不同應(yīng)用的需求。對于一些臨時性的應(yīng)用，如臨時搭建的無線監(jiān)控系統(tǒng)，SPN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能快速部署，提供即時的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。同時，SPN 應(yīng)支持多種接入技術(shù)，以適應(yīng)不同設(shè)備的連接需求。

2 5G 物聯(lián)網(wǎng)場景下的SPN 建設(shè)策略

2.1 SPN 架構(gòu)設(shè)計針對物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化是確保網(wǎng)絡(luò)高效運行的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，通常包括核心層、匯聚層及接入層。核心層負(fù)責(zé)處理高速數(shù)據(jù)傳輸和關(guān)鍵業(yè)務(wù)的路由。為滿足物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)量需求，核心層應(yīng)采用高性能的路由器，支持100 Gb/s 及以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，以確保數(shù)據(jù)快速處理和轉(zhuǎn)發(fā)。此外，核心層應(yīng)具備良好的負(fù)載均衡能力，以適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)流量。匯聚層作為連接核心層和接入層的中間節(jié)點，需要具備高效的流量聚合和分發(fā)能力。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，匯聚層的交換機應(yīng)支持10 Gb/s 及以上的端口速率，并具備多協(xié)議標(biāo)簽交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）等技術(shù)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速路由和優(yōu)化路徑選擇。同時，接入層直接與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相連[2]。在接入層，應(yīng)采用低功耗和低成本的接入設(shè)備，如Wi-Fi 接入點、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT）網(wǎng)關(guān)等，以支持大量設(shè)備的接入。接入層的設(shè)計應(yīng)考慮物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低功耗特性，通過優(yōu)化電源管理和開啟睡眠模式，延長設(shè)備的電池壽命。

2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入與節(jié)點設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入和節(jié)點設(shè)計需要考慮設(shè)備的多樣性和大規(guī)模部署。在接入層，應(yīng)采用模塊化的設(shè)計，以支持不同類型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入。例如，對于需要低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）的設(shè)備，可以部署NB-IoT 或遠(yuǎn)距離廣域網(wǎng)（Long Range Wide Area Network，LoRaWAN）接入點，在增加傳輸距離的同時降低傳輸功耗。在節(jié)點設(shè)計方面，應(yīng)考慮設(shè)備的計算能力和存儲需求。對于需要處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用如視頻監(jiān)控，節(jié)點應(yīng)具備足夠的計算能力和存儲空間。而對于簡單的數(shù)據(jù)采集任務(wù)如溫度傳感器，節(jié)點可以設(shè)計得更為輕量化，以降低成本和功耗。

2.1.3 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸鏈路的優(yōu)化策略

在物聯(lián)網(wǎng)中，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸鏈路是確保實時性、可靠性及效率的關(guān)鍵。核心層與匯聚層之間，使用100 Gb/s 光纖鏈路，以支持大量數(shù)據(jù)的快速傳輸。匯聚層至接入層的鏈路應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求和設(shè)備分布定制。接入層內(nèi)部，針對低功耗設(shè)備，可提供低速率無線連接，對于工業(yè)自動化等高吞吐量需求內(nèi)容，Wi-Fi 6或5G 新空口（New Radio，NR）技術(shù)可實現(xiàn)高速、低延遲傳輸。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)SPN 中的應(yīng)用

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G 物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新，它允許在共享的物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中創(chuàng)建多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個切片都能獨立配置以滿足特定應(yīng)用的需求，這種技術(shù)對于提供多樣化和個性化的服務(wù)至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)切片通過核心網(wǎng)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術(shù)實現(xiàn)資源的動態(tài)分配和優(yōu)化，同時邊緣計算設(shè)備作為切片的執(zhí)行點，處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流，確保端到端的低延遲和高可靠性。

2.2.2 物聯(lián)網(wǎng)場景下的端到端性能優(yōu)化

端到端性能優(yōu)化對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用至關(guān)重要，因為它們通常對實時性、可靠性和能效的要求較高。SPN通過在無線接入層面采用高效的編碼和調(diào)制方案，如正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）和多用戶多輸入多輸出（Multi-User Multiple Input Multiple Output，MU-MIMO）技術(shù)，提高頻譜利用率和吞吐量。核心網(wǎng)層面通過優(yōu)化路由算法和引入內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN）減少延遲，同時部署邊緣計算節(jié)點來縮短數(shù)據(jù)傳輸距離，加快響應(yīng)速度。此外，采用冗余路徑和自動故障轉(zhuǎn)移機制提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，從而確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。

2.3 SPN 部署與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的融合

2.3.1 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)部署模式

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的多樣性和動態(tài)性要求SPN 部署模式必須具有高度的靈活性和可擴展性。在5G 物聯(lián)網(wǎng)場景下，網(wǎng)絡(luò)部署不僅要滿足當(dāng)前的業(yè)務(wù)需求，還要能夠適應(yīng)未來業(yè)務(wù)的增長和變化。業(yè)務(wù)驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)部署模式意味著網(wǎng)絡(luò)資源的配置和優(yōu)化應(yīng)基于實際的業(yè)務(wù)需求開展。

對于需要低延遲和高可靠性的工業(yè)自動化應(yīng)用，SPN 需要部署在靠近工廠的邊緣位置，以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。這種邊緣計算的部署模式可以顯著加快響應(yīng)速度。據(jù)研究，通過邊緣計算可以將延遲降低至1 ms 以下，這對于實時控制系統(tǒng)來說十分重要。在智慧城市等場景中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備分布區(qū)域較為廣泛，這要求SPN 能夠支持大規(guī)模的設(shè)備接入和多樣化的接入技術(shù)[3]。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)部署模式需要開展宏基站、微基站及室內(nèi)分布系統(tǒng)的組合，以確保網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋和高質(zhì)量的服務(wù)。

2.3.2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋策略

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋策略需要充分考慮設(shè)備的分布密度、環(huán)境特性及業(yè)務(wù)需求。在城市地區(qū)，由于建筑物密集，可能需要部署更多的微基站和室內(nèi)分布系統(tǒng)來提供良好的信號覆蓋，同時網(wǎng)絡(luò)覆蓋策略可能使用小蜂窩技術(shù)，提供更高的頻譜效率和更強的信號穿透能力。在農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的分布可能更為稀疏，網(wǎng)絡(luò)覆蓋策略可能側(cè)重于使用宏基站來提供廣泛的覆蓋范圍。在這些地區(qū)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需要考慮地形、建筑物和其他自然障礙物對信號傳播的影響。此外，對于特定的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如農(nóng)業(yè)監(jiān)測或環(huán)境監(jiān)測，網(wǎng)絡(luò)覆蓋策略可能需要特別設(shè)計，以確保在廣闊的農(nóng)田或自然保護區(qū)內(nèi)提供穩(wěn)定的連接。

2.3.3 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流量與網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流量的增長速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量。據(jù)預(yù)測，2025 年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將達(dá)到75×109臺，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將達(dá)到79.4 ZB。為應(yīng)對這種爆炸性的增長，SPN 的容量規(guī)劃需要采取前瞻性的策略。例如，需要準(zhǔn)確預(yù)測業(yè)務(wù)流量，包括設(shè)備數(shù)量、每個設(shè)備的流量需求以及流量模式，從而開展網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃工作。

SPN 可以采用多種技術(shù)，如多址接入技術(shù)、頻譜復(fù)用技術(shù)以及NFV 技術(shù)，以提高頻譜利用率，允許更多設(shè)備共享同一頻段，同時提供靈活的網(wǎng)絡(luò)資源分配，從而提高網(wǎng)絡(luò)容量。此外，通過實施動態(tài)資源管理，SPN 可以根據(jù)實時流量需求動態(tài)調(diào)整資源分配。在網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃中，還需要考慮網(wǎng)絡(luò)的擴展性。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)需要能夠無縫地擴展以適應(yīng)新的流量需求，這可能涉及增加新的基站、升級現(xiàn)有基站的硬件和軟件以及優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)SPN 的技術(shù)創(chuàng)新與優(yōu)化

2.4.1 新型波形技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

波形技術(shù)直接影響信號的傳輸效率和頻譜利用率。OFDM 波形因其高效率和抗多徑干擾能力而廣泛應(yīng)用于5G 網(wǎng)絡(luò)。OFDM 將寬帶信道分割成多個正交的窄帶子載波，每個子載波進(jìn)行獨立調(diào)制，從而提高頻譜利用率和信號的傳輸質(zhì)量。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，OFDM 可以支持大量設(shè)備的并行通信，滿足高密度設(shè)備接入的需求。

探索濾波器組多載波（Filter Bank Multi-Carrier，F(xiàn)BMC）和廣義頻分復(fù)用（Generalized Frequency Division Multiplexing，GFDM）等新型波形技術(shù)以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能。FBMC 通過在子載波之間引入濾波器，減少子載波之間的干擾，提高頻譜效率。GFDM 則通過靈活的調(diào)制方式和多徑干擾抑制，提供更高的傳輸速率和更穩(wěn)定的連接。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，尤其是在高速移動或惡劣環(huán)境下，應(yīng)用這些波形技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.4.2 大規(guī)模天線技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合

大規(guī)模天線技術(shù)（Massive Multiple Input Multiple Output，Massive MIMO）是5G 網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，通過在基站部署大量天線元素，實現(xiàn)對多個用戶的同時服務(wù)。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，Massive MIMO 可以顯著擴充網(wǎng)絡(luò)的容量，并擴大覆蓋范圍，滿足大量設(shè)備接入的需求。Massive MIMO 結(jié)合波束成形技術(shù)，可以實現(xiàn)對信號的精確定向傳輸，減少干擾并提高信號質(zhì)量。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，Massive MIMO 可以為每個設(shè)備提供定制化的信號覆蓋，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的使用。

3 5G 物聯(lián)網(wǎng)場景下的SPN 挑戰(zhàn)與解決方案

3.1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的挑戰(zhàn)

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G 物聯(lián)網(wǎng)場景下的重要創(chuàng)新之一，它允許運營商在同一物理網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，以滿足不同業(yè)務(wù)的需求。然而，在實際操作中，如何高效、靈活地創(chuàng)建和管理這些虛擬網(wǎng)絡(luò)成為一個難題。網(wǎng)絡(luò)切片不僅需要考慮切片之間的資源分配、隔離及協(xié)同工作等多個方面，這需要強大的網(wǎng)絡(luò)管理和調(diào)度能力[5]。隨著業(yè)務(wù)種類的增多和變化，如何動態(tài)調(diào)整切片配置，以滿足不斷變化的業(yè)務(wù)需求，是一個需要解決的問題。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，運營商需要引入網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和智能化工具，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的自動化配置和動態(tài)調(diào)整，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和適應(yīng)性。

3.2 低延遲和高可靠性的挑戰(zhàn)

在5G 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中，許多業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的延遲和可靠性要求極高，如自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等需要網(wǎng)絡(luò)能夠在毫秒級的時間內(nèi)響應(yīng)并傳輸數(shù)據(jù)，同時保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。然而，網(wǎng)絡(luò)中的多種因素，如傳輸距離、設(shè)備性能及網(wǎng)絡(luò)擁塞等，都可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲和可靠性的下降。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，需要采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和算法，如邊緣計算、低延遲路由算法等，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。同時，需要建立完善的網(wǎng)絡(luò)故障檢測和恢復(fù)機制，確保在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時能夠迅速恢復(fù)服務(wù)，保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

4 結(jié) 論

文章探討5G 物聯(lián)網(wǎng)場景下的SPN 建設(shè)策略，從應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)選擇、部署策略、技術(shù)創(chuàng)新以及優(yōu)化與運維等方面提出具體策略。同時，針對高密度設(shè)備連接、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實施、低延遲高可靠性以及安全隱私保護等挑戰(zhàn)提出相應(yīng)的解決方案，為我國5G 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供理論支持和實踐指導(dǎo)。未來，5G 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將進(jìn)一步得到創(chuàng)新，以此推動網(wǎng)絡(luò)事業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。