面向5G移動通信系統的智慧城市匯聚及接入網絡

吳大鵬，閆俊杰，楊鵬

（1.重慶郵電大學光通信與網絡重點實驗室，重慶 400065；2.中國信息通信研究院，北京 100191）

面向5G移動通信系統的智慧城市匯聚及接入網絡

吳大鵬1，閆俊杰1，楊鵬2

（1.重慶郵電大學光通信與網絡重點實驗室，重慶 400065；2.中國信息通信研究院，北京 100191）

智慧城市的發展與建設需要充分依托通信網絡，5G 移動通信系統將推動智慧城市通信網絡產生重大變革。 給出了智慧城市 3 層網絡結構，深入分析了匯聚網絡中所面臨的關鍵問題，尤其是關系評估、信任管理及可靠性保障 3 個方面，并對相應的解決方法進行了深入闡述，增強了智慧城市通信網絡對各類應用的承載能力。

5G 移動通信系統；智慧城市；匯聚網絡

1 引言

智慧城市的主要目標是以居民的生活為中心，利用信息通信技術解決城市化過程中所產生的問題，以達成運營極大化、能耗最小化的目標。 作為信息感知、匯聚、接入及傳輸的重要承載平臺，通信網絡是智慧城市功能實現、性能 優 化 、服 務 便 捷 的 有 力 保 障［1］。近 年 來 ，隨 著 云 計 算 、移 動互聯網、大數據、社交網絡等技術的迅速興起，智慧城市的內涵除了傳統的信息傳輸，還需要包括全面感知、智能處理等特征。除了傳統的智慧城市相關應用之外，其還需要承 載 物 聯 網 、健 康 醫 療［2］、物 流 跟 蹤［3］、內 容 分 享［4］等 具 有 海量連接需求的新型應用。

隨著通信網絡的逐漸建設和發展，當前支撐智慧城市的通 信 網 絡 架構 呈 現 出 較強 的 多 樣 性 、異 構 性 及 融 合 性［5-7］。憑借較高的部署靈活性，5G 蜂窩移動通信網絡在智慧城市的網絡基礎設施方面得到了廣泛的關注。然而，按照傳統通信網絡的體系結構，均需核心網對智慧城市相關業務進行接入控制及資源分配等相關操作，此種方式將極大地消耗核心網絡資源，并顯著地增加用戶業務的處理時延，降 低 QoE［8］，使 得 智 慧 城 市 在 未 來 的 應 用 及 業 務 擴 展 過 程中遇到瓶頸。

2 智慧城市網絡架構

從邏輯功能上來看，智慧城市通信網絡結構為 3層網絡結構，即感知網絡、匯聚網絡和無線接入網絡。

感知網絡即各種傳感器節點以自組織的方式形成的網絡。根據節點的部署狀態，感知網絡可進一步劃分為靜態 感 知 網 絡 和 動 態 感 知 網 絡［9］。對 于 靜 態 網 絡 來 說 ，感 知 節點以預先布設的方式放置于感知區域內，在整個數據通信、控制指令傳輸過程中，節點的位置固定不變，數據傳輸和控制指令的發送路徑相對穩定，如智能家居、環境監控等應用領域。與之相反，動態感知網絡中，節點以隨機的方式部署在給定區域中，各個節點動態地建立傳輸路徑，拓撲變化較為頻繁，如體域網、車聯網等應用領域。

匯聚網絡由多個移動終端構成，隨著智能終端的逐漸普及，除了完成蜂窩移動通信網絡的傳統業務之外，還可作為感知網絡遠程數據傳輸過程中的中繼節點，為下層感知網絡提供數據接入，以使感知數據能夠通過匯聚網絡上層的無線接入網絡發送至智慧城市應用平臺。為了屏蔽不同感知域的差異，并結合蜂窩通信網的標準體制，移動終端采用給定通信協議與感知域進行通信，獲取感知數據，并采用 IP（互聯網協議）對感知數據進行封裝，以提升擴展性。根據移動終端的通信模式，匯聚網絡可以分為兩種組網方式，分別為分布式組網和集中式組網。分布式組網方式中，終端節點可根據 5G 移動通信系統中的終端直接通信模式在彼此通信范圍內直接連接，進行通信，不需要基站節點的輔助，此種方式能夠有效地降低終端節點的發射功率和通信時延，提升頻譜效率并增強覆蓋范圍；集中式組網方式中，終端節點需要在基站的控制下為感知網絡提供接入，資源分配、功率控制、切換管理等功能均需要在基站的輔助下實現。此外，終端節點可以利 用 無 線 局 域 網 ，采 用 胖 AP （access point，接 入 點 ）或 者瘦AP 執行業務數據傳輸，以卸載蜂窩通信網絡的負載。

無線接入網絡由多個基站節點以協作的方式構成，將匯聚網絡中節點自身的語音、數據、視頻業務及感知網絡中的業務數據轉發至互聯網中。為了便于各類業務數據的快速處理，基站節點中還將包含第三方提供的業務處理單元。與傳統的蜂窩通信網絡不同，基站之間可通過 X1 接口實現互聯，進而，可以根據當前網絡狀態或者預測的未來網絡狀態參數，實現網絡自配置、狀態自優化和故障自恢復等功能，能夠顯著地降低移動通信網絡運營商的運行和維護成本。同時，為了為宏蜂窩小區內的用戶提供公平接入，并保障小區邊緣用戶的傳輸速率，無線接入網絡還需要通過射頻拉遠、家庭基站等方式對覆蓋及速率進行補償。

從傳輸媒介方面來看，其主要包括無線傳輸媒介及光纖傳輸媒介兩類。顯然，無線通信具有較強的靈活性，適用于動態性較強的感知網絡及接入網絡，但是其傳輸容量相對較小、易受干擾，難以高速率完成感知網絡匯聚后的海量數據傳輸，因此，所提出的架構能夠在感知網絡、匯聚網絡部分充分利用無線傳輸媒介的靈活性，以較低的成本實現感知節點及匯聚節點的互聯網接入。此外，光纖媒介具有傳輸容量大、速率高、傳輸距離遠的優點，所提出的架構中采用光纖作為回傳和前傳的傳輸媒介，對于回傳網絡來說，基站及第三方提供的業務處理單元匯聚了多個移動終端的自身數據和感知網絡數據，采用光纖將這些數據發送至交換中心。為了進一步降低所提出網絡架構的部署成本，此處采用 PON 實現回傳網絡相關傳輸功能，蜂窩通信網絡中 的 eNode B 和 PON 中 的 ONU、交 換 中 心和 OLT 均采用共址的方式進行部署，使得上下行數據的傳輸時延、可靠性、服務質量均能得到有效保障。

從業務層面來看，隨著移動互聯網、物聯網及其他新型網絡業務的迅速普及，如智能家居、體域網、車聯網、電子支付等，智慧城市中的用戶已經不滿足于傳統通信網絡所提供的語音、數據、視頻業務。然而，如前所述，諸多應用需要依托現有通信網絡為其提供遠程傳輸通道，如LTE-Advanced、Ethernet、PON 等。為了實現靈活、快速的數據傳輸，未來智慧城市的多種應用必然與蜂窩移動通信網絡的終端進行融合，移動終端可以采用現有短距離無線通信模塊，如藍 牙、ZigBee、RFID、NFC 等，與感知層網絡節點進行通信，以實現各類應用的有效融合，進而發揮移動終端的便攜性以及蜂窩移動通信網絡的廣覆蓋性。網絡結構如圖1所示。

3 匯聚網絡關鍵問題

匯聚網絡主要承擔將自身業務數據及感知層數據發送至遠端網絡的任務，其需要為用戶提供滿足服務質量要求的可靠數據傳輸。匯聚網絡中的節點主要有兩種工作模式，分別為集中式和分布式。集中模式中，終端通信過程需要基站對其執行接入控制、資源分配、移動管理等功能性操作。與其他類型的無線網絡類似，采用分布式工作的匯聚網絡也具有資源有限性、信道共享性等共有特征。此外，還具有諸多特殊屬性，其中包括間斷連接性、節點非合作性和模式多變性。間斷連接性導致節點之間的物理鏈路呈現出時間域和空間域的非連續性，導致數據轉發過程中的中繼協作節點選擇困難；節點非合作性使得部分節點受到多種因素影響，呈現出非合作行為，所轉發的數據無法正常投遞；模式多變性使得節點需要在不同應用場景中切換工作模式，以建立滿足通信質量要求的可靠鏈路。可見，匯聚網絡需要解決的關鍵問題包括社會關系感知、信任管理及可靠性保障技術 3 個方面。此外 ，鄰居發 現、干擾協調、媒介認知、協作緩存等多個問題也亟待解決。

圖1 網絡結構

3.1 社會關系評估

受到終端攜帶者的社會屬性影響，節點具有較強的移動性，然而，其移動過程并非完全隨機。根據社會網絡基本原理及大量數學特性的研究可知，各個終端節點的重要程度及活躍程度并不相同，呈現出“小世界”和“大世界”特性，節點之間存在較強的社會關系，且節點以自組織的方式 形 成 多 個 邏 輯 社 區［10］。為 了 充 分 利 用 此 種 社 會 關 系 提 升數據轉發的效率，需要對節點的社會關系強度進行評估，節點之間的社會關系包括水平社會關系和垂直社會關系兩個維度：水平社會關系是指活動規律相似的節點所形成的關系；垂直社會關系是指社會特征不同的節點所形成的關系。對于水平關系來說，匯聚網絡節點能夠依托與其水平關系強度較高的節點完成數據的高效轉發，其中包括感知網絡的數據及自身的數據，同時，利用此類節點能夠降低社區內部通信所引發的負載；對于垂直關系來說，依托與給定節點垂直關系較強的節點攜帶其數據及狀態信息至其他邏輯社區，提高數據的轉發速度。顯然，對于分布式運行的匯聚網絡節點來說，難以采用泛洪的方式獲知節點狀態及社會屬性。因此在對上述兩個關系強度進行評估的過程中，需要利用運動過程中的狀態參數，其中包括相遇間隔時間、相遇持續時間、相遇持續時間方差、相遇頻率等。

根據節點的社會屬性可知，行為規律類似的節點以自組織的方式形成了社區，然而，任意節點均具有多維社會屬性，節點間的社會關系受多個屬性的交叉影響。從邏輯上可將任意具有相同屬性的節點抽象為一個社區，進而導致針對給定節點所建立的多個社區內部成員可能并不相同，即有些節點同時屬于多個社區，且其對各個社區的歸屬度呈現出一定的差異性，使得網絡的邏輯結構形成了相互重疊的社區。對此類呈現交疊狀態的社區進行檢測對智慧城市中群組通信類應用至關重要，也是未來網絡為用戶提供差異化的前提條件。根據社區檢測過程中使用的網絡狀態信息量，可將當前的社區檢測方法分為基于局部信息和基于全局信息兩類。基于全局信息的方法需要在網絡中擴散大量的節點狀態信息，并不適用于資源有限的無線網絡；基于局部信息的方法利用節點運動過程中所獲知的部分網絡狀態信息，以分布式的方式感知社區結構，有助于提高節點數據轉發能力，提升網絡性能，但是，節點狀態的缺失也將為檢測結果的準確性帶來較大的影響。

3.2 信任管理

按照上述方法將匯聚網絡中的節點劃分完社區之后，由于節點的隨機移動， 可能出現節點之間鏈路的斷裂，此種情況下，節點之間通過中繼協作節點完成通信?？梢?，數據轉發過程可能需要多個節點以協作的方式完成，然而，受社會屬性（如社會關系強度）、資源（如緩存、能量）等因素的影響，節點往往會表現出非協作的行為。節點非協作行為主要指節點不遵循網絡協議而采取非常規的手段收發網絡中的數據，并對其進行額外的處理。 其主要包括兩個方面的原因，分別為客觀原因和主觀原因?？陀^原因主要包括節點緩存不足、能源有限、移動設備故障等因素，導致其無法接收新到來的數據；主觀原因則是理性實體因社會關系強度、信任程度、活躍度及個人隱私保護等因素消極協作甚至惡意丟棄數據。

一般來說，節點的非協作行為可分為自私行為與惡意攻擊行為。自私行為表現為節點僅盡力轉發與自身關系較強節點相關的數據，而消極對待其他節點的數據，甚至直接丟棄；惡意攻擊行為表現在節點不僅會隨意丟棄數據，而且會對節點歷史信息甚至數據內容進行篡改，對網絡性能造成了惡劣的影響?？梢姡跀祿D發之前需要充分評估中繼節點的信任程度。由于節點分布式運行，信任關系感知過程中需要充分利用節點獲知的歷史狀態信息，此外，單純依靠節點之間的直接交互信息無法滿足信任關系的動態特性，因此，還需要充分考慮來自于其他節點的間接推薦信息，進而，全面、準確地評估節點之間的信任關系。

目前，主要涉及的攻擊方式如下。

· BMA （bad mouthing attack，誹 謗 攻 擊 ）：惡 意 節 點 發送關于其他節點的負面推薦信息，以降低其他節點的信任程度，進而截獲網絡中的合法數據并進行丟棄。

· FlA （flattery attack，奉 承 攻 擊 ）：惡 意 節 點 通 過 夸 大其數據轉發數量及歷史相遇信息等欺騙其他節點來獲得較高信任值，以達到截獲數據的目的。

· DoS （denial of service attack，拒 絕 服 務 攻 擊 ）：惡 意節點不停地、盡可能多地發送數據副本或推薦信息給網絡中的節點，以消耗網絡中節點的計算資源。

· CBA （conflicting behavior attack，矛 盾 行 為 攻 擊 ）：惡意節點隨機地表現為合作節點和惡意節點，或者對不同節點表現不同的行為，如對同一節點的推薦信息在發送給不同節點時的好壞不同，從而通過這種攻擊可以迷惑信任評估系統，達到降低網絡性能的目的。

· DTA （data tampering attack，數 據 篡 改 攻 擊 ）：網 絡 中惡意的非法節點可能對原始消息進行更改，可能改變消息路由或者消息本身，能夠造成網絡資源的極大浪費。

3.3 可靠性保障

匯聚網絡中的節點采用分布式方式進行通信，能夠有效地重用有效的頻譜資源，且能夠有效地降低終端的發射功率。但是，所建立的通信鏈路必須滿足 QoE 方面的約束，以執行多媒體類相關應用的數據傳輸，同時，為了避免鏈路頻繁中斷，其可靠性方面也需要得到有效保障。

通常，終端節點有 3 種工作模式，分別為復用模式、專用模式和蜂窩模式。其中，復用模式不需要通過基站的轉發而進行直接通信，并與蜂窩鏈路使用相同的信道，此時終端直通鏈路既可以復用蜂窩鏈路的上行信道，也可以復用蜂窩鏈路的下行信道。顯然，使用相同信道的蜂窩鏈路會對終端直接通信鏈路造成干擾，反之，終端直接通信鏈路也會對使用相同信道的蜂窩鏈路造成干擾。專用模式不需要通過基站的轉發而進行直接通信，基站為其分配的是未經使用的信道（如正交信道），因此不會受到同一小區內其他鏈路的干擾。蜂窩模式類似于傳統的蜂窩用戶通信，終端直接通信鏈路所發送的數據需要經過基站的轉發進行轉發，所分配的也是未經使用的信道，因此也不會受到同一小區內其他鏈路的干擾。

為了增加系統容量，復用模式得到廣泛關注，此種模式下不同終端之間建立的鏈路之間存在干擾，終端之間的鏈路和基站與終端之間的鏈路也存在干擾。此外，在節點密度較低的情況下，可能并不存在中繼節點為給定終端到目的終端提供數據轉發服務。另外，在節點密度較高的情況下，給定終端到目的終端間存在多條路徑，不同路徑的轉發能力并不相同?？梢姡煽啃员Ｕ闲枰浞挚紤]上述3個因素的影響。

對于無線信號的干擾來說，在下行方向，可以通過基站的傳輸功率控制及終端的傳輸功率控制來實現；在上行方向，需要充分考慮終端直接通信鏈路對基站的干擾及基站對直接通信鏈路的干擾，保障系統容量和鏈路的可靠性。

對于節點密度較低的情況來說，使用復用模式建立終端直接通信鏈路可能使其服務質量難以得到滿足，應根據當前系統狀態，動態地為節點合理地選擇工作模式。顯然，衡量當前系統狀態至關重要，可根據鏈路的傳輸功率、鏈路的傳輸速率、鏈路終端概率和信道開銷等參數確定通信模式。

對于節點密度較高的情況來說，若需要建立通信路徑的兩個終端不在彼此的覆蓋范圍內，則可以選擇其他節點將數據中繼轉發至目的節點，按照這種方式，終端之間的路徑由多條鏈路組成，且中繼節點的選擇將對路徑質量產生較大影響。需要在滿足路徑服務質量要求的前提條件下，充分提高路徑的可靠性，避免路徑中斷?？筛鶕濣c社會屬性、節點移動頻繁程度、期望傳輸跳數、節點服務能力等參數確定中繼節點，進而建立端到端路徑。

4 無線接入網絡

無線接入云負責將來自多個應用、多個節點的智慧城市數據再次匯聚，并發送至物理云平臺。無線接入云的特點有以下 3 個方面：架構復雜性、粒度多樣性和跨域失配性。末端業務具有眾連接、低速率、資源需求混雜的特點，然而，采用光纖作為承載媒介需要根據不同業務屬性解決資源分配問題。此外，無線媒介的傳輸容量與光纖媒介存在較大差異，且服務質量保障機制并不相同，需要解決速率失配、服務等級失配等多域協同問題。

為了滿足無處不在的高速數據通信服務的需求，未來智慧城市的通信網絡必將朝著異構融合接入方向發展。一方面是全球信息產業及智慧城市飛速發展的需求，未來網絡將是互聯網、物聯網、云計算、大數據等傳輸承載和業務提供的融合體，這將使得通信網絡提供更高帶寬的電信級數據通信承載和業務能力。另一方面，從無線網絡層面來看，制約數據傳輸速率提高和能量消耗降低的重要瓶頸依然是無線接入問題，雖然，可以通過載波聚合、密集蜂窩、大規模 MIMO 等先進數字處理技術改造自然界實質存在的窄帶時變、多變復雜的無線物理傳輸信道，以不斷提升網絡容量及頻譜效率，但同時也帶來了一些新問題，如過度提高調制階數、編碼長度與層數直接影響傳輸頑健性，過多的天線陣元（如 5G 中提出大規模天線采用 128 陣元）將造成能量消耗過高及算法復雜度過高等。

從傳輸媒介的角度來說，光纖接入相比無線接入具有傳輸帶寬大、傳輸損耗低、抗干擾能力強等特點，但受到覆蓋能力、覆蓋成本以及接入靈活性的制約。與之相對，無線媒介的優缺點與光纖傳輸媒介互補，由于其具有共享特性，使其接入具有極強的靈活性、覆蓋成本較低，因此，為了能夠在接入網為各類業務提供令人滿意的服務質量，需要合理利用光纖和無線媒介的優點，滿足未來接入網中連接的多態性、泛在性要求。

所提出 的 架 構 中 ，在 后 傳 （backhaul）和 前 傳 （fronthaul）中使用光纖媒介進行通信，以滿足海量、并發數據的承載需求，其余通信過程使用無線媒介，以充分發揮其靈活性。憑借其點到多點的無源網絡架構優勢，采用 PON 技術對回程和去程的光纖鏈路進行組網。目前，融合了 TDM-PON的低成本與共享接入特點以及 WDM-PON 的高接入帶寬特 點 的 TWDM-PON 滿 足 了 NG-PON2 及 無 線 接 入 網 的 各項技術要求，其具有組網靈活、平滑升級、強擴展性、高可靠性的特征，能夠有效地支持未來富媒體應用、IoT 應用及社會網絡應用。

然而，兩者結合的過程中，還有下列問題需要深入研究。

在體系結構方面，作為后傳和前傳鏈路，光纖需要連接射頻拉遠單元、基站及基站處理單元。隨著超密度蜂窩網絡的逐漸形成，光纖分配網絡及分光器件的布設也應隨之改變，根據網絡容量、用戶數量、負載狀態、布設成本、生存性等方面，設計帶有多級分光的體系結構將能夠更加有效地利用光纖媒介的優勢。

在資源調度方 面，TWDM-PON 系統具有多條波長 信道，且 ONU 可在任意波長上進行數據傳輸。因此，不同于TDM-PON（如 EPON 和 GPON）和 WDM-PON，其 資 源 分 配由授權調 度和 授 權 大 小 組 成 ，即 為 每 個時 分 復 用（TDM）子網分配的傳輸信道取決于授權調度 （波長分配），為每個ONU 分 配的帶寬大小 取 決于授權 大 小 （帶寬分配 ）。TWDM-PON 系統中進行資源分配時，需同時考慮 ONU 可由哪條可用波長進行承載及可在哪個時隙中發送數據。

在服務質量保障方面，面向 IP 化的體系結構及高速增長的數據流量，需要光纖鏈路實現多粒度、快響應、低時延的無線分組承載，然而，受到各類互聯網應用的影響，感知層及匯聚層所產生的分組具有突發特征，且速率遠低于光纖媒介的傳輸速率，因此，需要后傳和前傳中的節點對上行數據和下行數據進行流量整形，以更加合理地利用網絡資源。此外，當前標準工作中，TWDM-PON 和無線網絡中對服務等級的設定存在差異，并不存在一一對應的關系，需要根據給定媒介域的各層邏輯關系，設計動態的垂直 QoS 映射，以保障無線域的數據轉發效率，同時，也需要根據不同域間的資源占用狀態設計水平 QoS 映射方法，以保障端到端服務質量。

5 結束語

通信網絡是智慧城市建設和發展的基礎設施，其智能化、融合化水平決定了智慧城市相關應用部署的便捷性及擴展性。本文深入分析了 5G 移動通信系統支持下的匯聚網絡關鍵問題，其中包括社會關系評估、信任管理及可靠性保障問題。

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Smart city converged and accessed network based on 5G mobile communication system

WU Dapeng1，YAN Junjie1，YANG Peng2
1.Key Lab of Telecommunication and Network，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China 2.China Academy of Telecommunication Research，Beijing 100191，China

The development and construction of smart cities largely depend on the communication network infrastructure，and the latest 5G mobile communication system can sufficiently facilitate the revolution of communication network infrastructure for smart cities.The 3-layer network architecture for smart cities was introduced and the key issues of converged networks，such as the relationship evaluation，trust management and reliability assurance were holistically analyzed.Lastly，the corresponding solutions were given，which could enhance the application bearing capabilities of smart city communication networks.

5G mobile communication system，smart city，converged network

s： The National Natural Science Foundation of China（No.61371097），Youth Talents Training Project of Chongqing Science& Technology Commission （No.CSTC2014KJRC-QNRC40001）

TP393

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016160

吳大鵬（1979-），男，重慶郵電大學教授，主要研究方向為泛在無線網絡、無線網絡服務質量管理等。

閆俊杰（1990-），男，重慶郵電大學光通信與網絡重點實驗室碩士生，主要研究方向為無線通信、D2D 通信。

楊鵬（1980-），男，中國信息通信研究院高級工程師，主要研究方向為下一代移動通信技術、無線泛在網絡、下一代互聯網理論與技術。

2016-05-12；

：2016-06-02

國家 自 然 科 學 基 金資助項目（No.61371097）；重慶市青年科技人 才 培 養 計 劃 基金資 助項 目 （No.CSTC2014KJRC-QNRC40001）