5G移動通信系統在智慧城市中網絡建設探究

郭忠仁

一、智慧城市和5G移動通信系統

（一）智慧城市

智慧城市是互聯網、云計算、物聯網等新一代信息技術與城市相結合起來的產物，將信息技術、通信技術用來感測、分析、管理城市民生、環保、工商、公共安全、城市服務等信息，并對各種需求作出智能響應，實現對城市的智能化的管理。

（二）5G移動通信系統

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

二、智慧城市網絡架構分析

智慧城市的通信網絡結構分為感知網絡、匯聚網絡和無線網絡。感知網絡是以各種傳感器節點組織的網絡形式，根據節點的布置情況，感知網絡可以分為靜態感知網絡和動態感知網絡，靜態感知網絡以預先布設的方式放置于感知區域內，讓整個數據信息在傳輸過程中，各個節點的固定位置保持不變，目前主要在智能家居、環境監測等領域。動態感知網絡的節點則是隨機布置在網絡傳輸區域，通過各個節點建立通整體的傳輸路徑，目前主要應用在車聯網。圖1為智慧城市網絡架構圖。

匯聚網絡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，將各個的線路網絡均勻負載，并提供冗余鏈路。匯聚網絡除了滿足傳統的蜂窩移動通信網絡的業務之外，還可以作為感知網絡遠程數據傳輸的中繼節點，為下一層的網絡提供數據接入，讓感知數據可以通過匯聚網絡上層的無線網絡發送到智慧城市各個應用平臺。為了打破不同感知網絡的差異，根據蜂窩通信網絡的通信標準，移動終端使用通信協議和感知網絡通信，從而獲得感知數據，并通過互聯網IP協議對感知數據進行封裝，智慧城市可以根據實際情況，對網絡進行擴展。匯聚網絡分為分布式組網和集中式組網兩種組網方式：如果采用分布式組網方式，根據5G移動通信系統的終端通信模式直接和終端進行連接通信，不需要建立節點，從而避免了低終端向高一級終端發射信息，而導致的通信延時；集中式組網則需要在基站感知網絡層建立終端節點，從而實現資源分配、功率控制、管理等目標。

無線接入網絡由多個基站節點構成并相互協作，將匯聚網絡各個節點的語音、視頻、圖片、數據等感知網絡中的業務數據發送到互聯網。與傳統的蜂窩通信網絡相比，無線網絡基站可以通過X1接口進行互聯，并根據網絡的當前狀態預制未來網絡狀態，從而實現網絡資源配置、狀態優化和故障恢復等功能，降低移動通信網絡運行和維護成本。目前我國的無線接入網絡傳輸速率、傳輸質量不穩定，已經影響到無線網絡傳輸質量。隨著大數據、物聯網、云計算等技術在智慧城市的應用，對網絡通信質量、通信承載力和業務能力要求比較高，需要通過載波聚合、密集蜂窩等數字化處理技術改造無線傳輸通道，提高網絡通信容量和頻率效率，但是這需要調高調制階數、編碼長度等問題。 光纖通信系統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。將光纖通信網絡與無線接入網絡結合起來，可以提高網絡的靈活性、降低網絡成本、提高網絡的質量，滿足未來智慧城市網絡連接的多態性和泛在性。因此，在匯聚網絡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據傳輸要求，其他通信過程采用無線接入網絡，發揮無線網絡的靈活性，并采用PIN技術和光纖鏈路進行組網。

三、匯聚網絡實施關鍵技術

匯聚網絡在智慧城市網絡架構體系中主要負責將自身業務數據和感知層數據發送給遠端網絡，為用戶提供優質的網絡傳輸信號。根據匯聚網絡節點不同，有分布式和集中式組網兩種方式，在構建匯聚網絡的時候，需要解決社會關系感知、信任管理以及可靠性保障技術等問題

（一）社會關系感知技術

根據社會網絡基本原理，各個終端節點的重要程度和活躍程度不同，所以各個節點之間形成了一定的社會關系。為了利用這種社會關系提高數據信息轉發效率，需要對各個節點的社會關系強度進行評估。節點間的社會關系包括垂直社會關系和水平社會關系兩個方面。分布式組網方式的匯聚網絡節點無法通過泛洪的方式得到各個網絡節點社會關系和節點狀態，還需要了解到節點運動過程中的狀態參數，包括節點相遇間隔時間、節點相遇持續時間、相遇頻率等信息。各個行為規律相似的節點以組織的方式形成了社區，但是任何的節點社會關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點列為一個社區，給定節點建立的社區內部成員可能各不相同，所以導致一些節點會出現多個社區，并且和其他社區的屬性具有一定的差異，導致網絡社區屬性的差異性，出現了一些邏輯結構相互重疊的社會社區，對重疊社區屬性的檢驗關系可以為網絡用戶提供差異化的網絡服務。全局檢測方法需要了解網絡中各個節點的狀態信息，不利于無線網絡數據信息采集；通過局部信息檢測方法了解各個節點在運動過程中的網絡狀態信息，從而感知社區結構，了解到各個節點數據轉發能力，提升整個網絡性能。但是局部檢測無法檢測到所有節點信息，所以無法提供全面、準確的檢測結果。

（二）信任管理

由于匯聚網絡的無線網絡節點在不斷移動，可能出現節點鏈路斷裂的現象，這個時候需要中繼站為斷裂鏈路提供通信通路，匯聚網絡數據轉發需要多個節點相互協作共同完成。但是，受到社會關系強度、網絡通信質量等因素的影響，各個節點可能出現不協作的現象，沒有按照要求對數據進行轉發，這主要是由于節點緩存不足、移動設備故障等客觀原因導致節點無法接收到新的數據信息，或者由于各個節點的社會關系強度、活躍度以及用戶隱私保護等因素導致各個節點消極合作。因此數據轉發前需要評估與中繼站的關系。與中繼站的關系需要從各個節點過去運行的狀態進行感知，單純節點之間的交互信息無法評估兩者之間的關系強度，還需要來自其他節點的間接推薦。

（三）可靠性保障

匯聚網絡節點采用分布式通信，可以充分利用頻譜資源，降低終端發射功率。建立的通信鏈路必須滿足QoE方面的約束條件，并按照多媒體應用方式傳輸數據，避免鏈路突然終端，導致數據無法及時傳輸。目前終端節點有三種工作模式：蜂窩模式、復用模式、專用模式。為了提高通信網絡的容量，一般采用復用模式，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，所以在智慧模式網絡建設過程中，需要考慮到各個方面的綜合因素。

四、5G移動通信網絡規劃以及通信網絡定位需求

當前我國5G移動網絡還未正式商用，按照工信部發布的《信息通信行業發展規劃（2016-2020年）》，我國將在2020年啟動5G商用服務.。隨著手機、筆記本電腦、ipad等各種移動終端的發展，用戶對移動數據流量將呈現爆炸式增長。為了滿足智慧城市發展需求，未來5G移動通信網絡建設過程中，需要減少小區半徑，增加低功率節點數量，增加無線網絡覆蓋范圍和無線節點，支持1千米范圍內可以為25000個用戶提供無線網絡需求。5G移動通信網絡規劃時，確保整個網絡構架具備逐漸的彈性，部署形態更多樣、業務模式更加豐富、網絡連接能力更加強大、數據傳輸時延更低等要求。將5G網絡和城市規劃發展以及智慧城市建設聯系起來，協調智慧城市發展各個方面，提高信息資源利用率。網絡實際應用過程中，需要建立多種類型的基站、射頻卡片，分布在城市地面、建筑樓頂和室內空間，提高網絡的靈活性。

五、結束語

5G移動通信網絡是實現智慧城市的基礎設施，5G移動通信網絡規劃設計的科學性、前瞻性直接影響到智慧城市發展。我國的5G移動通信網絡處于起步階段，5G移動通信網絡的技術標準和網絡標準尚未確定下來，一定程度上給網絡規劃設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，要總結和積累經驗，為智慧城市發展提供參考。