5G网络灵活架构开启万物互联之门

2015-09-19强宇红中兴通讯股份有限公司系统架构师

信息通信技术与政策 2015年7期

强宇红中兴通讯股份有限公司系统架构师

谢宝国中兴通讯股份有限公司系统架构师

1 引言

当前，4G网络在神州大地铺开，人们已经能够通过智能终端迅速获取到大量信息、随时更新朋友圈、分享生活的喜与忧，移动网络很大程度上改变了人们的生活。4G方兴为艾，而此时全球移动通信界的专家们早就如火如荼地开始了下一代移动网络——5G网络的设计工作。5G网络的目标是进一步提升网络的能力，包括容量限制，提高网络的可靠性、覆盖率、能效性，降低延迟性等。从2012年开始，通信界就开始了5G网络需求的调研，并开展了无线关键技术的选择分析和网络架构的重构研究工作。

现在已经可以预知，5G带来的不仅仅是更快更宽的移动互联网体验，而且将开启万物互联（IOT：InternetofThings，）之门，即把与人们生活息息相关的汽车、家电、消费类电子产品，甚至是工厂的生产线、医生的手术室一起接入网络，实现基于传感器、无线接入、控制网络、业务平台、应用等领域设备的深度集成和创新。5G不仅服务于个人用户，而且会大规模向各类垂直行业拓展，5G必将对当代工业的发展带来不可磨灭的作用。据世界银行分析，以5G为重要基石的ICT相关的新增投资将使欧洲GDP重拾上升之路。5G时代的电信运营商将成为智能制造业的使能者，物联网的海量连接意味着运营商的价值重塑和广阔的利润空间。

物联网（即机器类通信，MTC-Machine Type Communication）对网络有独特的技术需求，可大致归结为海量接入和超可靠性，以及人烟稀少地区的广覆盖。5G系统将支持百亿/千亿数量级的海量传感器接入，并且以低成本、低能耗的方式实现业务连接和数据传输需求。超可靠性的应用则要求5G提供几乎零等待的数据传输（时延小于1ms）、极少的丢包率，例如在远程驾驶、工业控制、危险环境监控等行业应用中需要的实时控制。业界正通过创新的空口技术、灵活的架构、改进的通讯控制协议等多方面技术来满足物联网的需求，本文重点介绍通信专家们在定义新的灵活网络架构方面所做的工作。

笔者认为，5G网络架构将通过虚拟专网、动态Mesh接入网、物联网平台、大数据平台几个方面支持物联网的众多需求。

2 5G架构支持网络切片，按需创建行业虚拟专网

图1为NGMN公布的5G白皮书中的网络架构图，NGMN将5G网络分为3层，即基础设施层、业务使能层、应用/价值层。基础设施层包括各类无线接入节点设备和基于虚拟化的共享硬件设备；业务使能层包括目前的核心网控制面/媒体面设备和一部分接入侧网元功能，这些功能以网络功能虚拟化方式运行于数据中心统一管理的物理设备中，按照需要共享计算、存储、网络资源；业务使能层向应用/价值层开发网络能力，并根据一定的策略和要求（例如地理覆盖区域、服务时间、业务容量、带宽、延迟要求、可靠性、安全性和可用性）为不同的垂直行业定制个异性的服务能力。业务使能层是现有网络架构的自然演进，并将应用包括 Software Defined Networking（SDN）、Network FunctionsVirtualization（NFV）、MobileEdgeComputing（MEC）andFogComputing（FC）在内的关键技术，将通信网络纵向细分为多个虚拟专网，在横向则是可编程的、弹性、灵活、可靠的分层架构。

图1 NGMN5G白皮书中的网络架构图

以智能医疗中的手术实时信息传输及实时控制需求为例，5G网络能够迅速组建一个虚拟化网络提供所需的服务。医疗部门预定某个时间点将实施一场多点远程指导的手术，需要建立一个包括ABC三地专家参与的网络，现场手术的视频、数据需要实时传输到异地，而异地专家进行综合分析后将给出进一步操作的诊断分析。这个场景中要求网络高带宽、低时延，高可靠性，而对覆盖、移动性低的要求不高，5G网络会针对这种需求迅速组建一个虚拟化网络，在预定的时间点激活网络，服务终止后，去活网络，释放资源。

在现有网络的标识体系中不能支持海量的传感器接入，通用的移动性管理/鉴权流程导致终端耗电较多。5G网络针对这种需求，能够单独建立传感器管理应用，通过多种技术满足传感器类应用的特殊需求，例如以某种类型的传感器组为单位实施设备管理，调整定时器以减少降低周期性更新的次数，动态调整收发功率和休眠/工作模式等。

3 接入网动态Mesh，多维度融合实现极限指标

欧盟METIS项目已经给出了5G的愿景指标，不同行业有不同的极限指标，包括端到端传输1～5ms的超低时延；99.999%的超高传输可靠性；每个小区支持30万终端/Cell，每平方米支持10个以上终端；终端在持续工作模式连续使用1周以上；休眠模式下连续使用时间大于5年等。

已经研究确定，5G标准中将启用多种频段/无线制式、组网方式、灵活自适应的有线/无线回程网络来满足以上需求。5G中会需要重叠部署多种基站，各种类型基站之间需要灵活共享资源，实时地进行功率控制和干扰协调，因此可以预测基站之间的横向协作将比4G更为频繁，5G将采用基于动态Mesh的全新动态自适应接入网架构。5G基站包括传统宏基站、Massive MIMO、设备到设备通信（Device-to-Device，D2D），超密集网络（UDN）等多种类型和技术。

大规模的MIMO技术通过在基站收发信机（BTS）上安装大量的天线，使用预编码技术集将能量集中到目标移动终端上，降低了辐射功率和干扰，从而有效地提高了无线传输速度、接入容量和可靠性，降低了能耗。

D2D通信是指用户数据可不经网络中转，而直接在终端之间传输。通过D2D技术，位于覆盖盲区的终端能够连接其他终端，从而减少盲点，提升覆盖率。借助该用户终端连接到无线通信网络。D2D由于具有临近终端之间直接通信的特性，信道质量高，通信时延大大减少，因此在车辆安全领域具有先天优势。

未来数据业务将主要分布在室内和热点地区，这使得UDN成为实现未来5G的1000倍流量需求的主要手段之一。超密集网络能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，在实况转播、视频监控等服务领域中大有可为。

4 物联网开放平台整合行业价值链

5G时代电信网络不仅仅为个人用户提供通信服务，而且将是工业4.0/互联网+时代促进不同行业跨界合作的开放平台。发达国家都投入了大力量研究物联网产业链需求，希望占据产业的制高点。美国国家标准与技术研究院（NIST）组织其工业界和ICT产业界的龙头企业，共同推动工业互联网相关标准框架的制定；欧盟在第七科研框架计划（FrameworkProgram 7，FP7）下，在智能电网、智慧城市、智能交通方面进行了积极部署。目前，物联网领域的研发重点集中在传感器、架构、标识、安全和隐私、语义互操作性等方面。欧美物联网产业生态环境相对成熟，主要以政府推动为核心推动，产业链各环节中的全球大鳄们都在进行横纵向整合，以提升市场占有率。电信运营商，系统集成商，服务提供商都对产业链的每个环节提供了强有力的支撑。

物联网产业链中，由中间件及应用开发商、系统集成商搭建的物联网平台在电信网络和垂直行业服务提供商之间起到了承上启下的作用（见图2）。为了促进国际物联网标准化活动的协调统一，推动国际物联网产业持续健康发展，同时减少各行业的重复工作，2011年5月，物联网领域国际标准化组织“oneM2M”成立。oneM2M由欧洲电信标准化协会（ETSI）联络美国和中日韩各通信标准化组织（共7家）成立，同时邀请垂直行业加入，共同开展物联网业务平台层国际标准的制定。

oneM2M的物联网业务平台设立思想是将不同的物联网应用中的公用功能提取出来，从物联网应用中剥离出公用的物联网应用中间件，使得物联网应用更加简单化、核心化，便于物联网应用的快速开发，极大地提高物联网应用的投入产出比。物联网业务平台是移动网络与物联网应用之间的桥梁，物联网应用与网络之间的数据与命令的协同，需要通过物联网业务平台进行数据转交、协议互通，及信息/命令的上传下达，物联网业务平台的职能非常多，需要进行终端注册及终端管理、通信互通、后台计费、数据管理、端到端的安全管理、位置管理、组管理、能力开放协同等多种功能。oneM2M物联网平台架构如图3所示。

目前，国内三大运营商正在建设一个全国统一的物联网业务管控平台，中国移动已经制定物联网业务平台WMMP规范，重点推广智慧城市相关的物联网应用，如数字城管、车务通、动物溯源、电力抄表、手机支付、企业安防、电梯卫士、智能家居等。国内运营商通过物联网业务平台，能快速导入物联网应用需求，实现物联网用户的差异化服务及快速的QoE服务响应，通过物联网业务平台满足物联网应用的差异化需求，极大地提高物联网用户的体验满意度。

5 大数据分析使行业应用如虎添翼

大数据及其应用的迅速发展，已经引起了社会各界的广泛关注，人们通过对各种社会行为的统计分析了解目标人群的行为特征和喜好。5G系统中包含了大数据分析平台，在对网络中的各种数据进行有效的整合后，再进行大数据分析处理，能帮助垂直行业应用进行合理的业务规划。例如，运营商用户行为分析系统对移动终端发送的位置登记请求信令进行捕获，结合基站位置数据库进行分析，就能实时获取移动网络中的用户位置信息，并按照一定的规则对数据进行建模、处理、分析和存储。用户行为分析系统再将这些信息与客户关系管理系统、计费受理系统的用户身份信息结合起来进行实时的分析和挖掘，就能产生高价值的数据服务。