计算机技术在5G通信网络中的应用研究

胡凡玮，张春雨

（江西交通职业技术学院，江西 南昌 330013）

0 引 言

网络信息技术的深度发展对移动通信网络提出了更高的要求。作为社会积极发展的网络技术，5G技术应该深度规划网络技术应用，拓宽网络资源服务范围。随着终端设备越来越智能化，未来的网络服务和应用也将考验终端设备的计算处理能力。因此，相关行业需要展开架构和关键技术层面的网络调整，从而适应带宽和计算密集型业务的应用需求。

1 5G通信网络应用技术

1.1 移动通信网络场景指标

移动互联网和物联网是推动5G移动通信技术发展的主要力量，通信网络相关的研究和设计也将围绕着这一部分应用展开。以虚拟现实为代表的各类服务给移动通信网络带来了新的挑战，各类智慧物联网应用与服务也呈现出显著增长的态势，拓展了传统移动通信的服务范围。因此，大量的设备连接和多样化的物联网业务应用，使得5G标准化研究工作开始深入推进。未来，连续广域覆盖场景是5G移动通信网络的基本技术场景，其目的在于保障用户的移动性和业务连续性，为用户提供无缝的高速高质量通信网络服务。其中，低功耗大连接场景主要面向终端数量更多的物联网类型应用业务，以数据采集为基本目标，保障终端的功耗和成本需要。综合来看，未来的5G移动通信网络应用场景始终会对网络体系的架构研究和标准制定做出应对方案，确定应用和业务的工作场景。

1.2 使能技术

使能技术在改善5G移动通信网络的内容分发性能和数据处理方面意义显著。以软件定义网络数据为例，其核心思想在于通过网络设备的控制平面与数据平面相互分离，实现资源的抽象，之后通过虚拟资源的形式，支持上层应用服务，保障系统的灵活性与可操控性。所有的决策策略由控制器决定和处理，可集中进行网络的配置和管理，无需单独访问每一个网络硬件设备。在软件定义网络中，由于控制器可以直接管理全网网络设备，因此网络节点的部署和维护难度明显下降。

值得一提的是，网络服务和业务的快速发展使得网络体系架构持续演进，某些专用网络设备在实现特定的网络功能后，可以发挥硬件设备和业务服务的耦合特征。为了解决专用设备带来的一系列问题，网络功能虚拟化技术开始出现。该技术可以在同一设备上或同一虚拟环境中配置多种功能，包括虚拟化的资源创建与生命周期管控。

网络切片技术是5G移动通信网络最为关键的使能技术。通过网络虚拟化技术，将通用物理基础设施抽象成为虚拟资源，根据特定的网络功能展开网络接入。这样一来，通信网络可以按照用户的实际需求构建端对端的逻辑网络，实现服务定制化和实例化。网络切片技术具体如图1所示。

图1 网络切片技术

对于一些可靠性功能要求较高的服务来说，还需要在网络边缘进行资源的合理配置，以保障数据任务的处理水准。网络切片基本模块包括切片管理器、选择功能以及虚拟化管理编排设备等，采用相互隔离的措施保障网络安全性，实现资源的按需分配和网络资源利用率的提高。对于未来的5G网络切片来说，虚拟资源分配问题将成为后续的工作重点[1]。

作为一种革命性的网络体系架构，信息中心网络存在的目的在于实现以信息为中心的通信模式，取代传统的面向主机通信模式。相比于传统的TCP/IP网络，这种信息网络模式更加关注内容本身，从而在安全性和可扩展性方面优势明显。例如，面向数据的网络体系架构可以在内容缓存和内容分发方面做出重新规划，实现移动性和安全性特征，并且按照表项指示准确完成传输过程。

1.3 5G移动通信网络体系架构

1.3.1 基于SDN/NFV的架构设计

基于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）/网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）的5G网络体系架构设计已经成为移动通信网络架构的研究与设计重点。在网络管控层面，可以充分利用该技术来实现平面处理与接入控制等多个方面的功能保障，专注于数据分发和网络功能的高效资源利用。整个网络的设备采用通用的服务器，实现灵活的部署和资源高效化应用，整体架构属于灵活可扩展的网络系统，支持分布式移动管理和数据转发功能，保障了无线接入技术协作的基础要求。控制平面主要包含网络管理工具和定制应用，主要从网络管控和网络功能的角度出发进行设计，保障基础设施资源的整体利用。基于NFV的具体架构如图2所示。

图2 NFV架构

1.3.2 基于云计算技术的架构设计

基于云计算技术的整体架构设计充分利用了云计算的集成与存储一体化优势，提供多种类型的服务模式，根据业务场景的要求做到灵活部署。与此同时，控制云、接入云以及转发云还能实现无线资源管理的边缘计算，实现整体和局部的会话控制和策略管理等。通过相互协作的方式，使5G移动通信网络更加灵活和弹性化。

边缘计算技术的发展，使得移动网络边缘架构设计得到领域内的高度关注。在整个网络体系中，边缘计算能够就近为用户提供内容转换和数据处理业务，可以为某些高带宽的业务提供更加良好的服务。基于运行环境和创新的网内聚合模式，集成控制平面网络功能，实现对移动边缘网络的合理管控。从网络服务的角度出发设计，用户可以获得更加智能化和高质量的网络服务。

1.3.3 ICN技术支持的架构设计

ICN技术支持下的5G网络架构体系一直是学术界的关注重点。这种架构主要包括无线频谱资源、基础网络设施、虚拟资源以及无线虚拟化控制器。整个架构可以支持端对端的网络切片技术，从而保障差异化网络服务，从内容分发的角度设计了移动通信网络的低时延与高体验服务标准。各个网络之间以服务化的接口展开交互，增强了能力开放的网络功能，为创新发展提供重要基础[2]。

2 5G通信网络缓存技术

2.1 缓存部署机制研究

缓存部署对于改善内容分发效率和降低网络传输延迟意义明显，目前在移动通信网络中完成部署机制研究工作至关重要。移动通信网络本质上是一种层次化的架构，移动核心网络和移动边缘网络都包含在内，分别负责无线网络的移动性管理和接入功能。按照缓存部署的位置不同，可以将移动通信网络中的缓存技术进一步划分为核心网络缓存和边缘网络缓存。

行业学者在4G时代就开始研究在移动核心网络中部署缓存。通常情况下，用户发起请求后，若服务网关缓存有目标内容则可以直接进行响应，否则会重新定向至拥有缓存目标内容的其他服务网关。为了进一步增强核心网络的内容分发效率，可以通过协同缓存框架，将网络内缓存问题描述为成本最小化问题，服务于更大范围内的各类用户。终端用户请求最终都会定位于核心网络，因此，缓存资源的服务请求内容需要在分发效率和响应时延方面做出规划，整体改善网络体验质量。

在移动边缘网络缓存方面，当前用户对于带宽和时延的需求明显增加，因此缓存部署位置的区域选择变得更加灵活，划分为用户侧缓存和基站侧缓存。用户侧缓存主要包括用户终端（如智能手机或平板电脑）的缓存，基站侧缓存则主要包括宏基站和蜂窝基站缓存。相比于核心网络缓存，现有的基站缓存能够在传输时延方面进行整体优化，在改善用户体验质量的同时，建立以自适应集群为中心的蜂窝网络来降低回传带宽资源消耗。然而，无论是基站侧缓存还是用户侧缓存，都旨在加强缓存协作，改善用户的网络体验，并且在缓存方面综合评估内容放置和路由问题，降低互联网接入时的带宽成本，实现网络系统的能效优化[3]。

2.2 缓存策略机制研究

缓存策略机制研究需要明确缓存放置和缓存替代这两个方面的问题，尤其是缓存内容的更新替代过程[4]。即考虑到成本因素后，设计人员需要对移动网络的缓存资源部署作出整体规划，考虑到每个移动终端设备能够访问的基站，主动预测用户可能需要的服务需求，综合提升缓存命中率。在近年来的研究中，为了改善缓存的理论性能，限制基于编码理论的缓存机制开始被提出并研究，使用多波传输手段使平均回程率达到稳定的状态。需要注意的是，如果大量部署缓存资源，也会造成通信网络的建设成本过高。策略缓存机制在空间优化方面还可以进行针对性完善，如对协作内容分发作出改进以保障边缘网络的系统化性能[5]。

3 5G通信网络计算技术

考虑到移动终端的应用程序运行过程更加复杂，需要的计算量明显增加，设计人员在计算任务卸载方面需做好整体规划，确定移动计算卸载和数据备份在云计算场景中的可行性，保障移动终端能量优化过程[6]。未来，网络接入形式将变得更加多样化，联合优化任务分配决策与计算资源的整体部署可以基于边缘计算要求，制定高效的卸载策略，降低传输时延，改善终端设备的能量消耗[7]。

在资源分配和调度层面，边缘计算服务器的资源较少，对于计算资源的分布和调动问题，还应该通过集中式和分布式的规划得出具体方案。尤其是集中式资源分配，其研究会定位在系统能耗和网络时延优化层面，而分布式资源分配可利用分解技术来展开优化，从而满足延迟要求。

4 结 论

5G移动通信网络对于推动生产力发展而言价值突出，同时也是移动互联网的主要驱动力。本研究针对通信网络中的计算机技术应用展开具体探讨，目的在于改善网络性能和用户体验质量，在今后的工作实践环节确定网络部署策略。后续工作中，基于人工智能的5G移动通信网络优化仍然存在进步和发展的空间，尤其是缓存和计算联合优化，将重点围绕资源协作探索利用过程。