5G網絡靈活架構開啟萬物互聯之門

強宇紅 中興通訊股份有限公司系統架構師

謝寶國 中興通訊股份有限公司系統架構師

1 引言

當前，4G網絡在神州大地鋪開，人們已經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絡——5G網絡的設計工作。5G網絡的目標是進一步提升網絡的能力，包括容量限制，提高網絡的可靠性、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網絡需求的調研，并開展了無線關鍵技術的選擇分析和網絡架構的重構研究工作。

現在已經可以預知，5G帶來的不僅僅是更快更寬的移動互聯網體驗，而且將開啟萬物互聯（IOT：InternetofThings，）之門，即把與人們生活息息相關的汽車、家電、消費類電子產品，甚至是工廠的生產線、醫生的手術室一起接入網絡，實現基于傳感器、無線接入、控制網絡、業務平臺、應用等領域設備的深度集成和創新。5G不僅服務于個人用戶，而且會大規模向各類垂直行業拓展，5G必將對當代工業的發展帶來不可磨滅的作用。據世界銀行分析，以5G為重要基石的ICT相關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的使能者，物聯網的海量連接意味著運營商的價值重塑和廣闊的利潤空間。

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

筆者認為，5G網絡架構將通過虛擬專網、動態Mesh接入網、物聯網平臺、大數據平臺幾個方面支持物聯網的眾多需求。

2 5G架構支持網絡切片，按需創建行業虛擬專網

圖1為NGMN公布的5G白皮書中的網絡架構圖，NGMN將5G網絡分為3層，即基礎設施層、業務使能層、應用/價值層。基礎設施層包括各類無線接入節點設備和基于虛擬化的共享硬件設備；業務使能層包括目前的核心網控制面/媒體面設備和一部分接入側網元功能，這些功能以網絡功能虛擬化方式運行于數據中心統一管理的物理設備中，按照需要共享計算、存儲、網絡資源；業務使能層向應用/價值層開發網絡能力，并根據一定的策略和要求（例如地理覆蓋區域、服務時間、業務容量、帶寬、延遲要求、可靠性、安全性和可用性）為不同的垂直行業定制個異性的服務能力。業務使能層是現有網絡架構的自然演進，并將應用包括 Software Defined Networking（SDN）、Network FunctionsVirtualization（NFV）、MobileEdgeComputing（MEC）andFogComputing（FC）在內的關鍵技術，將通信網絡縱向細分為多個虛擬專網，在橫向則是可編程的、彈性、靈活、可靠的分層架構。

圖1 NGMN5G白皮書中的網絡架構圖

以智能醫療中的手術實時信息傳輸及實時控制需求為例，5G網絡能夠迅速組建一個虛擬化網絡提供所需的服務。醫療部門預定某個時間點將實施一場多點遠程指導的手術，需要建立一個包括ABC三地專家參與的網絡，現場手術的視頻、數據需要實時傳輸到異地，而異地專家進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網絡會針對這種需求迅速組建一個虛擬化網絡，在預定的時間點激活網絡，服務終止后，去活網絡，釋放資源。

在現有網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/鑒權流程導致終端耗電較多。5G網絡針對這種需求，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，調整定時器以減少降低周期性更新的次數，動態調整收發功率和休眠/工作模式等。

3 接入網動態Mesh，多維度融合實現極限指標

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

已經研究確定，5G標準中將啟用多種頻段/無線制式、組網方式、靈活自適應的有線/無線回程網絡來滿足以上需求。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調，因此可以預測基站之間的橫向協作將比4G更為頻繁，5G將采用基于動態Mesh的全新動態自適應接入網架構。5G基站包括傳統宏基站、Massive MIMO、設備到設備通信（Device-to-Device，D2D），超密集網絡（UDN）等多種類型和技術。

大規模的MIMO技術通過在基站收發信機（BTS）上安裝大量的天線，使用預編碼技術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通信是指用戶數據可不經網絡中轉，而直接在終端之間傳輸。通過D2D技術，位于覆蓋盲區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絡。D2D由于具有臨近終端之間直接通信的特性，信道質量高，通信時延大大減少，因此在車輛安全領域具有先天優勢。

未來數據業務將主要分布在室內和熱點地區，這使得UDN成為實現未來5G的1000倍流量需求的主要手段之一。超密集網絡能夠改善網絡覆蓋，大幅度提升系統容量，在實況轉播、視頻監控等服務領域中大有可為。

4 物聯網開放平臺整合行業價值鏈

5G時代電信網絡不僅僅為個人用戶提供通信服務，而且將是工業4.0/互聯網+時代促進不同行業跨界合作的開放平臺。發達國家都投入了大力量研究物聯網產業鏈需求，希望占據產業的制高點。美國國家標準與技術研究院（NIST）組織其工業界和ICT產業界的龍頭企業，共同推動工業互聯網相關標準框架的制定；歐盟在第七科研框架計劃（FrameworkProgram 7，FP7）下，在智能電網、智慧城市、智能交通方面進行了積極部署。目前，物聯網領域的研發重點集中在傳感器、架構、標識、安全和隱私、語義互操作性等方面。歐美物聯網產業生態環境相對成熟，主要以政府推動為核心推動，產業鏈各環節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，系統集成商，服務提供商都對產業鏈的每個環節提供了強有力的支撐。

物聯網產業鏈中，由中間件及應用開發商、系統集成商搭建的物聯網平臺在電信網絡和垂直行業服務提供商之間起到了承上啟下的作用（見圖2）。為了促進國際物聯網標準化活動的協調統一，推動國際物聯網產業持續健康發展，同時減少各行業的重復工作，2011年5月，物聯網領域國際標準化組織“oneM2M”成立。oneM2M由歐洲電信標準化協會（ETSI）聯絡美國和中日韓各通信標準化組織（共7家）成立，同時邀請垂直行業加入，共同開展物聯網業務平臺層國際標準的制定。

oneM2M的物聯網業務平臺設立思想是將不同的物聯網應用中的公用功能提取出來，從物聯網應用中剝離出公用的物聯網應用中間件，使得物聯網應用更加簡單化、核心化，便于物聯網應用的快速開發，極大地提高物聯網應用的投入產出比。物聯網業務平臺是移動網絡與物聯網應用之間的橋梁，物聯網應用與網絡之間的數據與命令的協同，需要通過物聯網業務平臺進行數據轉交、協議互通，及信息/命令的上傳下達，物聯網業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、數據管理、端到端的安全管理、位置管理、組管理、能力開放協同等多種功能。oneM2M物聯網平臺架構如圖3所示。

目前，國內三大運營商正在建設一個全國統一的物聯網業務管控平臺，中國移動已經制定物聯網業務平臺WMMP規范，重點推廣智慧城市相關的物聯網應用，如數字城管、車務通、動物溯源、電力抄表、手機支付、企業安防、電梯衛士、智能家居等。國內運營商通過物聯網業務平臺，能快速導入物聯網應用需求，實現物聯網用戶的差異化服務及快速的QoE服務響應，通過物聯網業務平臺滿足物聯網應用的差異化需求，極大地提高物聯網用戶的體驗滿意度。

5 大數據分析使行業應用如虎添翼

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

圖2 物聯網產業鏈的組成

圖3 oneM2M物聯網平臺架構

比如，統計出某個年齡段用戶常去的超市，結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，幫助企業規劃零售業店面選址?；趯囕v的實時地理位置信息和地理信息系統的整合，可以為車輛實時規劃交通路線，利用大數據分析主干道流量，智能、實時地引導車輛分流。

6 結束語

5G網絡和物聯網的結合將大大地改變人們的生活：在工業化應用領域將提升生產效率，提高產業安全效率；在農業領域將激發出更高效的生產力；在交通運輸領域可以優化資源利用，例如智能公交、電子車牌、交通疏導、交通信息發布等；在民生服務領域更將大顯身手，如食品安全、遠程醫療、智能家居、智慧城市等方面。

5G網絡預計將在2020—2025年商用，中興通訊已經投入大量人力進行5G技術驗證和架構分析。同時，中興通訊還與包括中國三大運營商在內的眾多客戶建立研究創新聯盟，在5G物聯網的場景研究、關鍵技術、網絡架構創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