5G 物联网场景下的SPN 建设策略

袁 凌

（中国联合网络通信有限公司武汉市分公司，湖北 武汉 430000）

1 5G 物联网场景下的SPN 应用场景分析

1.1 大带宽

5G 物联网需要连接大量的设备产生海量数据，这对网络带宽提出更高的要求。在大带宽场景下，切片分组网络（Slicing Packet Network，SPN）需要具备高效的数据传输能力，以满足高清视频和大规模传感器数据采集等应用的需求。因此，SPN 网络应采用灵活的架构支持多层次和多路径的数据传输，以充分利用网络资源，提高数据传输效率。

1.2 低时延

对于一些实时性要求较高的应用，如自动驾驶和远程医疗等，5G 物联网需要提供低时延的服务。在低时延场景下，SPN 不仅需要优化节点间的传输路径，减少数据包的处理时间，还需要通过网络切片技术，为不同应用提供定制化的服务。

1.3 网络切片技术

网络切片技术是5G 物联网的一项重要创新，能为不同应用提供独立的网络资源和优化的服务。SPN可以通过网络切片技术可以实现不同应用之间的隔离，保证各自的性能不受其他应用的影响。此外，网络切片可以根据应用的实时需求，动态调整网络资源，最大化利用资源[1]。

1.4 灵活连接

在灵活连接场景下，SPN 网络需要具备灵活的组网能力，以适应不同应用的需求。对于一些临时性的应用，如临时搭建的无线监控系统，SPN 网络应能快速部署，提供即时的网络服务。同时，SPN 应支持多种接入技术，以适应不同设备的连接需求。

2 5G 物联网场景下的SPN 建设策略

2.1 SPN 架构设计针对物联网的优化

2.1.1 物联网环境下的网络层次结构优化

物联网环境下的网络层次结构优化是确保网络高效运行的关键。在传统的网络架构中，通常包括核心层、汇聚层及接入层。核心层负责处理高速数据传输和关键业务的路由。为满足物联网的大数据量需求，核心层应采用高性能的路由器，支持100 Gb/s 及以上的数据传输速率，以确保数据快速处理和转发。此外，核心层应具备良好的负载均衡能力，以适应不断变化的网络流量。汇聚层作为连接核心层和接入层的中间节点，需要具备高效的流量聚合和分发能力。在物联网环境中，汇聚层的交换机应支持10 Gb/s 及以上的端口速率，并具备多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）等技术，以实现数据的快速路由和优化路径选择。同时，接入层直接与物联网设备相连[2]。在接入层，应采用低功耗和低成本的接入设备，如Wi-Fi 接入点、窄带物联网（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT）网关等，以支持大量设备的接入。接入层的设计应考虑物联网设备的低功耗特性，通过优化电源管理和开启睡眠模式，延长设备的电池寿命。

2.1.2 物联网设备接入与节点设计

物联网设备的接入和节点设计需要考虑设备的多样性和大规模部署。在接入层，应采用模块化的设计，以支持不同类型的物联网设备接入。例如，对于需要低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）的设备，可以部署NB-IoT 或远距离广域网（Long Range Wide Area Network，LoRaWAN）接入点，在增加传输距离的同时降低传输功耗。在节点设计方面，应考虑设备的计算能力和存储需求。对于需要处理复杂数据的物联网应用如视频监控，节点应具备足够的计算能力和存储空间。而对于简单的数据采集任务如温度传感器，节点可以设计得更为轻量化，以降低成本和功耗。

2.1.3 物联网数据传输链路的优化策略

在物联网中，优化数据传输链路是确保实时性、可靠性及效率的关键。核心层与汇聚层之间，使用100 Gb/s 光纤链路，以支持大量数据的快速传输。汇聚层至接入层的链路应根据应用需求和设备分布定制。接入层内部，针对低功耗设备，可提供低速率无线连接，对于工业自动化等高吞吐量需求内容，Wi-Fi 6或5G 新空口（New Radio，NR）技术可实现高速、低延迟传输。

2.2 关键技术在物联网SPN 中的应用

2.2.1 网络切片技术在物联网中的应用

网络切片技术是5G 物联网的创新，它允许在共享的物理网络基础设施中创建多个虚拟网络，每个切片都能独立配置以满足特定应用的需求，这种技术对于提供多样化和个性化的服务至关重要。网络切片通过核心网的软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）技术实现资源的动态分配和优化，同时边缘计算设备作为切片的执行点，处理和转发数据流，确保端到端的低延迟和高可靠性。

2.2.2 物联网场景下的端到端性能优化

端到端性能优化对于物联网应用至关重要，因为它们通常对实时性、可靠性和能效的要求较高。SPN通过在无线接入层面采用高效的编码和调制方案，如正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）和多用户多输入多输出（Multi-User Multiple Input Multiple Output，MU-MIMO）技术，提高频谱利用率和吞吐量。核心网层面通过优化路由算法和引入内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）减少延迟，同时部署边缘计算节点来缩短数据传输距离，加快响应速度。此外，采用冗余路径和自动故障转移机制提高网络的可靠性，从而确保数据传输的连续性。

2.3 SPN 部署与物联网业务的融合

2.3.1 物联网业务驱动的网络部署模式

物联网业务的多样性和动态性要求SPN 部署模式必须具有高度的灵活性和可扩展性。在5G 物联网场景下，网络部署不仅要满足当前的业务需求，还要能够适应未来业务的增长和变化。业务驱动的网络部署模式意味着网络资源的配置和优化应基于实际的业务需求开展。

对于需要低延迟和高可靠性的工业自动化应用，SPN 需要部署在靠近工厂的边缘位置，以减少数据传输的延迟。这种边缘计算的部署模式可以显著加快响应速度。据研究，通过边缘计算可以将延迟降低至1 ms 以下，这对于实时控制系统来说十分重要。在智慧城市等场景中，物联网设备分布区域较为广泛，这要求SPN 能够支持大规模的设备接入和多样化的接入技术[3]。在这种情况下，网络部署模式需要开展宏基站、微基站及室内分布系统的组合，以确保网络全面覆盖和高质量的服务。

2.3.2 物联网环境下的网络覆盖策略

物联网环境下的网络覆盖策略需要充分考虑设备的分布密度、环境特性及业务需求。在城市地区，由于建筑物密集，可能需要部署更多的微基站和室内分布系统来提供良好的信号覆盖，同时网络覆盖策略可能使用小蜂窝技术，提供更高的频谱效率和更强的信号穿透能力。在农村或偏远地区，物联网设备的分布可能更为稀疏，网络覆盖策略可能侧重于使用宏基站来提供广泛的覆盖范围。在这些地区，网络规划需要考虑地形、建筑物和其他自然障碍物对信号传播的影响。此外，对于特定的物联网应用，如农业监测或环境监测，网络覆盖策略可能需要特别设计，以确保在广阔的农田或自然保护区内提供稳定的连接。

2.3.3 物联网业务流量与网络容量规划

物联网业务流量的增长速度远超传统网络流量。据预测，2025 年，全球物联网设备数量将达到75×109台，产生的数据量将达到79.4 ZB。为应对这种爆炸性的增长，SPN 的容量规划需要采取前瞻性的策略。例如，需要准确预测业务流量，包括设备数量、每个设备的流量需求以及流量模式，从而开展网络容量规划工作。

SPN 可以采用多种技术，如多址接入技术、频谱复用技术以及NFV 技术，以提高频谱利用率，允许更多设备共享同一频段，同时提供灵活的网络资源分配，从而提高网络容量。此外，通过实施动态资源管理，SPN 可以根据实时流量需求动态调整资源分配。在网络容量规划中，还需要考虑网络的扩展性。随着物联网设备的不断增加，网络需要能够无缝地扩展以适应新的流量需求，这可能涉及增加新的基站、升级现有基站的硬件和软件以及优化网络架构[4]。

2.4 物联网SPN 的技术创新与优化

2.4.1 新型波形技术在物联网中的应用

波形技术直接影响信号的传输效率和频谱利用率。OFDM 波形因其高效率和抗多径干扰能力而广泛应用于5G 网络。OFDM 将宽带信道分割成多个正交的窄带子载波，每个子载波进行独立调制，从而提高频谱利用率和信号的传输质量。在物联网环境中，OFDM 可以支持大量设备的并行通信，满足高密度设备接入的需求。

探索滤波器组多载波（Filter Bank Multi-Carrier，FBMC）和广义频分复用（Generalized Frequency Division Multiplexing，GFDM）等新型波形技术以进一步提高网络性能。FBMC 通过在子载波之间引入滤波器，减少子载波之间的干扰，提高频谱效率。GFDM 则通过灵活的调制方式和多径干扰抑制，提供更高的传输速率和更稳定的连接。在物联网应用中，尤其是在高速移动或恶劣环境下，应用这些波形技术可以提高数据传输的可靠性。

2.4.2 大规模天线技术与物联网的结合

大规模天线技术（Massive Multiple Input Multiple Output，Massive MIMO）是5G 网络的核心技术，通过在基站部署大量天线元素，实现对多个用户的同时服务。在物联网环境中，Massive MIMO 可以显著扩充网络的容量，并扩大覆盖范围，满足大量设备接入的需求。Massive MIMO 结合波束成形技术，可以实现对信号的精确定向传输，减少干扰并提高信号质量。在物联网应用中，Massive MIMO 可以为每个设备提供定制化的信号覆盖，优化网络资源的使用。

3 5G 物联网场景下的SPN 挑战与解决方案

3.1 网络切片技术的挑战

网络切片技术是5G 物联网场景下的重要创新之一，它允许运营商在同一物理网络中创建多个虚拟网络，以满足不同业务的需求。然而，在实际操作中，如何高效、灵活地创建和管理这些虚拟网络成为一个难题。网络切片不仅需要考虑切片之间的资源分配、隔离及协同工作等多个方面，这需要强大的网络管理和调度能力[5]。随着业务种类的增多和变化，如何动态调整切片配置，以满足不断变化的业务需求，是一个需要解决的问题。为应对这些挑战，运营商需要引入网络管理系统和智能化工具，实现网络切片的自动化配置和动态调整，提高网络的灵活性和适应性。

3.2 低延迟和高可靠性的挑战

在5G 物联网应用场景中，许多业务对网络的延迟和可靠性要求极高，如自动驾驶、远程医疗等需要网络能够在毫秒级的时间内响应并传输数据，同时保证数据传输的准确性和可靠性。然而，网络中的多种因素，如传输距离、设备性能及网络拥塞等，都可能导致网络延迟和可靠性的下降。为应对这一挑战，需要采用网络技术和算法，如边缘计算、低延迟路由算法等，减少数据传输的延迟和提高网络的可靠性。同时，需要建立完善的网络故障检测和恢复机制，确保在网络出现故障时能够迅速恢复服务，保障业务的连续性。

4 结 论

文章探讨5G 物联网场景下的SPN 建设策略，从应用场景、网络架构设计、关键技术选择、部署策略、技术创新以及优化与运维等方面提出具体策略。同时，针对高密度设备连接、网络切片技术实施、低延迟高可靠性以及安全隐私保护等挑战提出相应的解决方案，为我国5G 物联网的发展提供理论支持和实践指导。未来，5G 物联网技术将进一步得到创新，以此推动网络事业的进步与发展。