未來移動通信系統中的通信與計算融合

吳東偉

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未來移動通信系統中的通信與計算融合

吳東偉

中時訊通信建設有限公司，廣東 廣州 510030

移動通信系統經過近幾十年的迅猛發展，通信容量趨于飽和，可持續發展能力堪憂。突破傳統移動通信發展瓶頸的一種思路是融合計算機領域的思想和技術。事實上，通信與計算融合的努力可追溯到信息科學發展的早期，而目前移動通信系統在核心網和無線接入網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絡部署與維護成本，降低對系統的容量需求，從而提升系統支撐業務的能力。

未來移動通信系統；通信與計算；融合

引言

移動通信與計算是信息領域的兩大核心技術。移動通信產業與計算相關產業的發展一直密切關聯、互相促進。移動通信系統基本遵循“十年一代”的發展規律，經過2G至4G高速發展的30年，增速明顯趨緩。目前系統構建成本日益增加，性能逐漸向理論極限趨近，而收益則趨于平穩，移動通信系統的可持續發展面臨巨大的挑戰。

1 未來移動通信技術的特點

第四代移動通信作為未來移動通信技術一個動態的、自適應的系統，能夠有效提高頻率的分配與管理，能快速地、動態地自適應多層路由技術和智能無線電組網技術。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；自適應的分配資源能對業務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的可實現性；業務類型更廣泛，使個人通信、信息系統、廣播和娛樂等多項業務無縫連接成一個整體；無線系統容量很大，并引入了空分多址技術；終端手機多樣化和智能化[1]。

2 未來移動通信系統的網絡體系結構

未來移動通信系統網絡被稱為廣帶接入和分布網絡，在不同的固定無線平臺上都可以提供無線服務，在跨越不同頻帶的網絡中也能提供信息通信以外的數據進行采集、定位定時、遠程控制。

未來移動通信系統的網絡體系有三層：第一層是物理層，又叫接入層，是提供接入和選路的功能；第二層叫網絡層，也稱承載層，起到鏈接作用，作為橋接的載體提供QoS映射，進而實現地址轉換、即插即用、安全管理和有源網絡。第三層是應用層，與網絡業務執行技術層之間行了開放式接口，為第三方的開發提供新業務。

3 移動通信網絡中的通信與計算融合

3.1 核心網中的通信與計算融合

目前移動通信網絡的核心網面臨的主要挑戰是網絡部署、維護、升級等成本的日益高漲。與提供盡力而為服務的互聯網不同，通信網從一開始就是一個以商業經營為目的的網絡，必須確保通信服務質量和服務安全，對網絡的部署、維護升級、電信設備的性能等都有嚴格的要求。通信網最初提供的核心服務就是語音通信。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備。通信專用設備能夠保證服務質量，但成本高昂。經過近幾十年有線、移動通信的迅猛發展，各種通信服務需求層出不窮。按照傳統通信網專用硬件對應專用服務的思路，通信網絡已從一個簡單、低負荷、易運維的網絡演變成為一個多網共存、高負荷、高能耗、高運維成本的復雜網絡[2]。運營商的收益率逐年下降，迫切需要改變傳統思路，降低通信網絡的建設成本、運維成本和能耗成本。

近年來，運營商積極研發和應用計算機領域的虛擬化技術。虛擬化技術將計算機的實體資源包括計算資源、存儲資源等，通過抽象和轉換后呈現出來，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，降低網絡部署成本。目前通信與計算機領域都在研討及應用的虛擬化技術包括軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）和網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）。SDN是對網絡本身的虛擬化，關注的是網絡節點之間的連接。

傳統互聯網中的專用設備如路由器，其數據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絡信息，因此造成了網絡控制的局部性，降低了數據傳輸的效率。SDN將數據面和控制面分離開來，并將控制面從專用設備上提取出來，集中放置，使網絡的控制對網絡的數據有一個全面了解，提高數據傳輸效率。NFV則關注各種網絡節點功能的虛擬化，基于通用的服務器，通過軟件定義的方式，虛擬化地實現網絡實體的功能，部署成本低，并能快速適應網絡需求變化。將SDN和NFV聯合起來，就可以將原本昂貴的專用通信設備用低成本的通用設備加軟件實現。由于數據的控制面集中起來就可以實現標準化，未來網絡應用的變革只要改變控制面，無須升級大量設備的硬件，大幅降低了網絡運行維護以及升級的成本。

3.2 無線接入網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，可用香農公式表示如下。

移動通信無線傳輸的研究一直致力于提升頻譜利用率，逼近香農容量理論極限。例如，信道編碼是提升無線信道可靠性的重要技術。它通過編碼計算，將冗余度有邏輯地引入有效數字信息中，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有效數字信息。香農指出，如果采用足夠長的隨機編碼，就能逼近香農信道容量。傳統的信道編碼都有規則的代數結構，跟“隨機”相距甚遠；同時，出于譯碼復雜度的考慮，碼長也不可能太長。所以傳統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越的糾錯性能，是第一個能夠逼近香農容量的信道編碼，但其代價是譯碼算法的計算復雜度非常高。由于信道編解碼所需的存儲和計算復雜度與編碼長度成正比，可見香農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接近極限，Turbo碼、LDPC碼以及Polar碼都可以逼近香農容量，能夠繼續改進的空間非常小。

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，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同與融合。但通信與計算的融合不應限于單個技術層面的融合，更要從系統的高度，合理地優化計算與通信，滿足用戶日益增長和變化的需求。系統思維是計算機領域研究的一個主要特征，指的是對計算機系統不同層次的抽象和歸納，對整機系統的性能分析和優化等。移動通信由于整個系統龐大復雜，包括移動終端、無線傳輸、基站、核心網等，很難對整個移動通信系統的性能進行分析和優化。已有研究大部分局限于某個技術點，比如信道編碼、多天線、干擾管控等。隨著移動通信發展瓶頸的顯現，對未來移動通信的研究應突破傳統的局部思維，借鑒計算機領域的系統思維，在研究設計未來通信機制的時候，更多地考慮系統級的因素。如果能夠利用、融合整個通信系統中的計算與存儲能力，就有可能提升整個系統的通信能力。這是因為，計算存儲和數據通信都能起到信息交流的作用[5]，比如內容分發網絡（Content Delivery Network）在網絡各處放置大容量服務器存儲內容，可以將用戶請求導向離用戶最近的服務點，從而降低對遠程通信的要求。

4 結束語

在目前的移動通信系統中，對于單個設備和單個技術層面而言，通信與計算已有較好的融合，但要突破傳統移動通信系統的瓶頸，更需要從系統的角度開展通信與計算融合的研究與應用。已有研究初步表明，從系統層面融合通信與計算，有望降低對移動通信容量的需求，提升系統支撐業務的能力。

[1]王孟. 新一代衛星移動通信系統關鍵技術[J]. 電子技術與軟件工程，2016（14）：58.

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

[3]許英越. 針對未來移動通信系統的頻率復用技術研究[D]. 北京：北京郵電大學，2014.

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

[5]馬文敏. 未來移動通信系統資源分配與調度策略研究[D]. 北京：北京郵電大學，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

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