基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的5G高速移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

高欣

摘 ?要：該課題結(jié)合5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景和需求分析，采用了一種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上分析了內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)組成部分及5G分組域網(wǎng)絡(luò)通信過程，最后進(jìn)行了在ndnSIM2.0仿真環(huán)境上對(duì)基于CCN技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了測(cè)試，得出基于CCN技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)具有很好的用戶體驗(yàn)感、延時(shí)短、抗干擾性能高、可靠性強(qiáng)、容量足以及傳輸速率快、移動(dòng)特性好等特點(diǎn)，符合未來5G發(fā)展需求。

關(guān)鍵詞：5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) ?ndnSIM2.0仿真 ?內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN929.5 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）05（b）-0025-02

1 ?5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景

考慮到人們更加追求超高移動(dòng)性、連接數(shù)及流量密度的移動(dòng)通信性能，當(dāng)前第5代移動(dòng)通信技術(shù)（Fifth-Generation，5G）已進(jìn)入快速發(fā)展期，其運(yùn)營(yíng)智能化、功能靈活性、生態(tài)友好化、網(wǎng)絡(luò)性能高效性更符合未來社會(huì)各界發(fā)展的需求。（1）運(yùn)營(yíng)智能化：5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)決策性能及智能感知實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，利用地理環(huán)境、系統(tǒng)用戶喜好、終端運(yùn)行情況以及網(wǎng)絡(luò)的上下文等相關(guān)信息的監(jiān)測(cè)，建立出一套最優(yōu)方案，達(dá)到智能化運(yùn)行、系統(tǒng)資源智能化分配等功能。（2）功能靈活性：能夠更好地滿足客戶的體驗(yàn)感，符合當(dāng)前Internet的發(fā)展要求。同時(shí)，5G系統(tǒng)支持通信基站的隨插隨用以及自動(dòng)組網(wǎng)，從而能夠靈活控制通信網(wǎng)絡(luò)。（3）生態(tài)友好化：新一代的網(wǎng)絡(luò)通信能夠提供更加友好的生態(tài)，滿足新型網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境需求，能夠更好地與其他應(yīng)用進(jìn)行業(yè)務(wù)互動(dòng)。同時(shí)，按照特定的市場(chǎng)需求建立特定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，增強(qiáng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)面向用戶的服務(wù)價(jià)值。（4）網(wǎng)絡(luò)性能高效性：5G網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)速是質(zhì)的飛躍，下載速度將達(dá)到1.25GB/s，用戶的體驗(yàn)感得到升華，而且網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)維護(hù)更加高效。

2 ?5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的社會(huì)需求分析

結(jié)合當(dāng)前的Internet及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，新一代的5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向3個(gè)方面進(jìn)行發(fā)展。（1）對(duì)無線傳輸技術(shù)進(jìn)行革新，將Internet資源的使用率能夠增加至原來的10倍;（2）建立一套全新的Internet網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，將通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐率增加至原來的25倍;（3）網(wǎng)絡(luò)頻率資源進(jìn)一步改進(jìn)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信的頻率資源可達(dá)到原來的4倍及以上。當(dāng)前，技術(shù)人員對(duì)新一代的Internet網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，給出了多種技術(shù)措施，如內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Content Delivery Network，CDN）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Software Defined Network，SDN）等。以上技術(shù)措施均是通過改進(jìn)及優(yōu)化當(dāng)前基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的Internet網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，達(dá)到5G移動(dòng)技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)無縫對(duì)接的目的。CDN技術(shù)是當(dāng)前最可靠和成熟的一種技術(shù)。CDN技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)點(diǎn)放置節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)處的流量情況、節(jié)點(diǎn)服務(wù)器的負(fù)載信息、體驗(yàn)者位置及響應(yīng)時(shí)間等相關(guān)信息，利用相關(guān)信息重新給體驗(yàn)者分配到最佳的節(jié)點(diǎn)服務(wù)器上，確保體驗(yàn)者能夠得到最佳的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。但CDN技術(shù)也不能夠完美地應(yīng)對(duì)高速移動(dòng)通信時(shí)的設(shè)備跨區(qū)切換，通信信息基于數(shù)據(jù)包等級(jí)的共享和轉(zhuǎn)發(fā)等難題，因此該課題采取了一種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)（Content Center Network，CCN）的5G網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，已解決上述技術(shù)難題，提高網(wǎng)絡(luò)高速移動(dòng)性能。

3 ?基于CCN的5G網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

結(jié)合對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)環(huán)境的要求，該課題對(duì)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步的改進(jìn)?？紤]到現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)具有投資大、兼容性弱以及業(yè)務(wù)部署時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，5G技術(shù)通過利用Internet和NFV技術(shù)搭建一款新式的基于通用硬件的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)平臺(tái)。同時(shí)，在5G網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)上，采用控制功能重構(gòu)與控制轉(zhuǎn)發(fā)分離技術(shù)相結(jié)合建立一種網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，以符合市場(chǎng)發(fā)展的要求。

5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有延時(shí)短、抗干擾性能高、可靠性強(qiáng)、容量足以及傳輸速率快等特點(diǎn)，CCN架構(gòu)能夠很好地符合5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展要求。結(jié)合原網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的特點(diǎn)，采用的CCN架構(gòu)通過物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層4個(gè)方面構(gòu)成，其中網(wǎng)絡(luò)層是利用CCN協(xié)議，另外3個(gè)部分和當(dāng)前IP網(wǎng)絡(luò)中基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的分組數(shù)據(jù)通信模式協(xié)議相一致。應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包通過數(shù)據(jù)封裝后傳輸至網(wǎng)絡(luò)層，并利用CCN協(xié)議進(jìn)行處理后傳輸至數(shù)據(jù)鏈路以及物理層后將信息傳輸出去。結(jié)合基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的分組數(shù)據(jù)通信模式協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層中引入CCN協(xié)議，以重新建立新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，從而可以改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平。

基于CCN技術(shù)的5G分組域網(wǎng)絡(luò)通信過程如下：一是用戶提出申請(qǐng);二是將用戶的Interest請(qǐng)求的數(shù)據(jù)信息壓縮在Interest包里，同時(shí)傳輸?shù)胶袃?nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層里;三是網(wǎng)絡(luò)層在接收Interest包后，利用以數(shù)據(jù)內(nèi)容為中心的核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)方案和內(nèi)容處理和轉(zhuǎn)換過程對(duì)接收的Interest包進(jìn)行處理;四是當(dāng)接收的Interest請(qǐng)求有別于之前的數(shù)據(jù)包請(qǐng)求時(shí)，利用快速以太網(wǎng)等傳輸方式將相應(yīng)的Interest數(shù)據(jù)包傳輸?shù)綌?shù)據(jù)源中;五是數(shù)據(jù)源接收的Interest數(shù)據(jù)包壓縮至Data包里，Data包根據(jù)接收的Interest數(shù)據(jù)包原路徑傳送至用戶中心。

4 ?基于CCN技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試

為了能夠更好地測(cè)試基于CCN技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)性能，該課題采用如下硬件平臺(tái)：（1）環(huán)境仿真測(cè)試環(huán)境：ndnSIM2.0平臺(tái);（2）CPU型號(hào)：帶有英特爾、超高清顯卡P630的英特爾至強(qiáng)E-2176M博銳處理器（2.7GHz基礎(chǔ)頻率、使用英特爾睿頻加速技術(shù)時(shí)最高可達(dá)4.4GHz、12MB高速緩存、6核）;（3）操作系統(tǒng)：Windows10專業(yè)版;（4）內(nèi)存：16GB（內(nèi)存類型為DDR4 2666）;（5）程序語言：Python和C++;（6）測(cè)試參數(shù)設(shè)定：傳輸速率應(yīng)達(dá)到10Gbit/s，每秒內(nèi)可向數(shù)據(jù)提供者節(jié)點(diǎn)傳輸1.5萬個(gè)Interest包，同時(shí)Data包負(fù)載可達(dá)到1KB。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基于CCN技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試，可得到以下測(cè)試結(jié)果。

（1）基于CCN技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)具有很好的用戶體驗(yàn)感。相對(duì)于Data包而言，Interest包負(fù)載相對(duì)較小，從而在相等的傳送速度下，數(shù)據(jù)提供者相對(duì)于數(shù)據(jù)申請(qǐng)者的數(shù)據(jù)傳送速度要明顯慢。上行方向和下行方向的傳送速率分別可達(dá)到3.2M/s和12.5M/s，完全能夠符合5G技術(shù)的0.1GB/s至1.25GB/s網(wǎng)絡(luò)需求;（2）5G網(wǎng)絡(luò)具有延時(shí)短、抗干擾性能高、可靠性強(qiáng)、容量足以及傳輸速率快等特點(diǎn)，CCN架構(gòu)能夠很好地符合5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展要求;（3）當(dāng)通信鏈路在越區(qū)切換過程中被迫中斷至恢復(fù)連接期間，Data包傳輸受干擾時(shí)間的接近0.4s，符合綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)規(guī)定的0.8S的抗干擾時(shí)間。因此，基于CCN技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)具備良好的移動(dòng)特性。

5 ?結(jié)語

該課題首先對(duì)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景和需求分析進(jìn)行了分析，并采用了一種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上分析了內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)組成部分及5G分組域網(wǎng)絡(luò)通信過程，最后進(jìn)行了基于CCN技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試，得出：基于CCN技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)具有很好的用戶體驗(yàn)感;5G網(wǎng)絡(luò)具有延時(shí)短、抗干擾性能高、可靠性強(qiáng)、容量足以及傳輸速率快等特點(diǎn)，CCN架構(gòu)能夠很好地符合5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展要求;基于CCN技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)具備良好的移動(dòng)特性。

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