未来移动通信系统中的通信与计算融合

吴东伟



未来移动通信系统中的通信与计算融合

吴东伟

中时讯通信建设有限公司，广东 广州 510030

移动通信系统经过近几十年的迅猛发展，通信容量趋于饱和，可持续发展能力堪忧。突破传统移动通信发展瓶颈的一种思路是融合计算机领域的思想和技术。事实上，通信与计算融合的努力可追溯到信息科学发展的早期，而目前移动通信系统在核心网和无线接入网方向都开展了通信与计算融合的研究，初步表明通信与计算融合能有效降低网络部署与维护成本，降低对系统的容量需求，从而提升系统支撑业务的能力。

未来移动通信系统；通信与计算；融合

引言

移动通信与计算是信息领域的两大核心技术。移动通信产业与计算相关产业的发展一直密切关联、互相促进。移动通信系统基本遵循“十年一代”的发展规律，经过2G至4G高速发展的30年，增速明显趋缓。目前系统构建成本日益增加，性能逐渐向理论极限趋近，而收益则趋于平稳，移动通信系统的可持续发展面临巨大的挑战。

1 未来移动通信技术的特点

第四代移动通信作为未来移动通信技术一个动态的、自适应的系统，能够有效提高频率的分配与管理，能快速地、动态地自适应多层路由技术和智能无线电组网技术。具备的特点有：通信速度更快，最大传输速率能达到100 MB/s；兼容性更好；灵活性更强；自适应的分配资源能对业务流大小做出准确处理，智能信号处理器也具有更强的智能性、适应性和灵活性；无线频谱利用率更高，提高无线频率的使用效率和系统的可实现性；业务类型更广泛，使个人通信、信息系统、广播和娱乐等多项业务无缝连接成一个整体；无线系统容量很大，并引入了空分多址技术；终端手机多样化和智能化[1]。

2 未来移动通信系统的网络体系结构

未来移动通信系统网络被称为广带接入和分布网络，在不同的固定无线平台上都可以提供无线服务，在跨越不同频带的网络中也能提供信息通信以外的数据进行采集、定位定时、远程控制。

未来移动通信系统的网络体系有三层：第一层是物理层，又叫接入层，是提供接入和选路的功能；第二层叫网络层，也称承载层，起到链接作用，作为桥接的载体提供QoS映射，进而实现地址转换、即插即用、安全管理和有源网络。第三层是应用层，与网络业务执行技术层之间行了开放式接口，为第三方的开发提供新业务。

3 移动通信网络中的通信与计算融合

3.1 核心网中的通信与计算融合

目前移动通信网络的核心网面临的主要挑战是网络部署、维护、升级等成本的日益高涨。与提供尽力而为服务的互联网不同，通信网从一开始就是一个以商业经营为目的的网络，必须确保通信服务质量和服务安全，对网络的部署、维护升级、电信设备的性能等都有严格的要求。通信网最初提供的核心服务就是语音通信。为了满足语音通信的实时性等要求，必须使用基于专用集成电路的专用设备。通信专用设备能够保证服务质量，但成本高昂。经过近几十年有线、移动通信的迅猛发展，各种通信服务需求层出不穷。按照传统通信网专用硬件对应专用服务的思路，通信网络已从一个简单、低负荷、易运维的网络演变成为一个多网共存、高负荷、高能耗、高运维成本的复杂网络[2]。运营商的收益率逐年下降，迫切需要改变传统思路，降低通信网络的建设成本、运维成本和能耗成本。

近年来，运营商积极研发和应用计算机领域的虚拟化技术。虚拟化技术将计算机的实体资源包括计算资源、存储资源等，通过抽象和转换后呈现出来，能够透明化底层实体资源，打破实体资源不可切割的障碍，不受实体资源地域等限制，最大化实体资源的利用率，降低网络部署成本。目前通信与计算机领域都在研讨及应用的虚拟化技术包括软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）。SDN是对网络本身的虚拟化，关注的是网络节点之间的连接。

传统互联网中的专用设备如路由器，其数据和控制是混合在一起处理的。由于任一路由器只能获取周围局部的网络信息，因此造成了网络控制的局部性，降低了数据传输的效率。SDN将数据面和控制面分离开来，并将控制面从专用设备上提取出来，集中放置，使网络的控制对网络的数据有一个全面了解，提高数据传输效率。NFV则关注各种网络节点功能的虚拟化，基于通用的服务器，通过软件定义的方式，虚拟化地实现网络实体的功能，部署成本低，并能快速适应网络需求变化。将SDN和NFV联合起来，就可以将原本昂贵的专用通信设备用低成本的通用设备加软件实现。由于数据的控制面集中起来就可以实现标准化，未来网络应用的变革只要改变控制面，无须升级大量设备的硬件，大幅降低了网络运行维护以及升级的成本。

3.2 无线接入网中的通信与计算融合

无论是有线通信还是无线移动通信，点到点的传输容量C都是有限的，可用香农公式表示如下。

移动通信无线传输的研究一直致力于提升频谱利用率，逼近香农容量理论极限。例如，信道编码是提升无线信道可靠性的重要技术。它通过编码计算，将冗余度有逻辑地引入有效数字信息中，形成一个码字。码字在无线信道中传输，很可能被信道畸变，造成误码。在接收端通过解码计算，利用编码引入的有逻辑的冗余，可从带有误码的码字中正确地恢复有效数字信息。香农指出，如果采用足够长的随机编码，就能逼近香农信道容量。传统的信道编码都有规则的代数结构，跟“随机”相距甚远；同时，出于译码复杂度的考虑，码长也不可能太长。所以传统的信道编码性能与信道容量之间都有较大的差距。1993年法国科学家Claude Berrou提出的Turbo码是一个长码。它采用多次迭代伪随机译码达到优越的纠错性能，是第一个能够逼近香农容量的信道编码，但其代价是译码算法的计算复杂度非常高。由于信道编解码所需的存储和计算复杂度与编码长度成正比，可见香农容量公式隐含的一个意义是：这是点对点通信，在计算与存储资源不受限制时，所能达到的最大传输速率，此时该最大速率仅由通信资源，即带宽和发送功率（SNR）所决定[4]。如果实际编解码对计算与存储资源有较大的限制，如传统的分组码，那么编码性能与信道容量之间必然有较大的差距。因此，从信道编码这个单一的传输技术看，计算与存储能力的提高能够带来通信能力的增强。但目前这个方向的努力已经接近极限，Turbo码、LDPC码以及Polar码都可以逼近香农容量，能够继续改进的空间非常小。

正如信道编码一样，任何一个具体的移动通信无线传输技术，都离不开计算，而且计算的作用越来越重要。从这个角度看，通信与计算在无线传输中已有很好的协同与融合。但通信与计算的融合不应限于单个技术层面的融合，更要从系统的高度，合理地优化计算与通信，满足用户日益增长和变化的需求。系统思维是计算机领域研究的一个主要特征，指的是对计算机系统不同层次的抽象和归纳，对整机系统的性能分析和优化等。移动通信由于整个系统庞大复杂，包括移动终端、无线传输、基站、核心网等，很难对整个移动通信系统的性能进行分析和优化。已有研究大部分局限于某个技术点，比如信道编码、多天线、干扰管控等。随着移动通信发展瓶颈的显现，对未来移动通信的研究应突破传统的局部思维，借鉴计算机领域的系统思维，在研究设计未来通信机制的时候，更多地考虑系统级的因素。如果能够利用、融合整个通信系统中的计算与存储能力，就有可能提升整个系统的通信能力。这是因为，计算存储和数据通信都能起到信息交流的作用[5]，比如内容分发网络（Content Delivery Network）在网络各处放置大容量服务器存储内容，可以将用户请求导向离用户最近的服务点，从而降低对远程通信的要求。

4 结束语

在目前的移动通信系统中，对于单个设备和单个技术层面而言，通信与计算已有较好的融合，但要突破传统移动通信系统的瓶颈，更需要从系统的角度开展通信与计算融合的研究与应用。已有研究初步表明，从系统层面融合通信与计算，有望降低对移动通信容量的需求，提升系统支撑业务的能力。

[1]王孟. 新一代卫星移动通信系统关键技术[J]. 电子技术与软件工程，2016（14）：58.

[2]赵思聪，黄磊，申滨，等. LTE-U：未来移动通信系统发展的助推剂[J]. 电信科学，2016，32（4）：114-125.

[3]许英越. 针对未来移动通信系统的频率复用技术研究[D]. 北京：北京邮电大学，2014.

[4]刘永辉. 未来移动通信系统及关键技术[J]. 信息系统工程，2013（9）：15-16.

[5]马文敏. 未来移动通信系统资源分配与调度策略研究[D]. 北京：北京邮电大学，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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