5G 時(shí)代下的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)探討

陳劍英

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙，410208）

1 引言

移動(dòng)信息技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)信息時(shí)代的變革，2020 年作為我國5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的元年，也是國家新基建開局之年，是通信行業(yè)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存之年，相對于運(yùn)營商基站來說有一個(gè)很大的市場就是自組網(wǎng)通信，相比運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，自組網(wǎng)通信有它自己的優(yōu)勢：比如快速、低成本、高抗毀自愈、大帶寬，高速移動(dòng)通信、超遠(yuǎn)距離通信等。

2 5G 概況

第五代移動(dòng)通信技術(shù)，簡稱5G，它是4G 網(wǎng)絡(luò)的延伸。歷代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)速率比較如圖1 所示，從用戶體驗(yàn)看，5G 具有更高的速率、更寬的帶寬，5G 網(wǎng)絡(luò)的理論運(yùn)行速度為10Gb/s（相當(dāng)于下載速度1.25GB/s），預(yù)計(jì)網(wǎng)速將比4G 提高10 倍左右[1]，只需要幾秒即可下載一部高清電影，能夠滿足消費(fèi)者對虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清視頻等更高的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)在汽車智能駕駛方面的迅速發(fā)展，在網(wǎng)速上具備更高要求，這勢必進(jìn)一步推動(dòng)5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

5G 網(wǎng)絡(luò)在邏輯架構(gòu)上主要利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）將硬件與軟件分離，部署靈活快速；利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）將控制與并發(fā)進(jìn)一步分離，快速高效自組網(wǎng)絡(luò)、拓?fù)淇焖僦貥?gòu)、網(wǎng)絡(luò)連接可編程化。作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的方向，5G作為全新信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要部分，勢必能滿足未來物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)需求[2]。在性能上更加可靠，延時(shí)時(shí)間也更加短，使得它在工業(yè)智能制造、智能駕駛等方面能夠進(jìn)一步融合，將創(chuàng)造更多的發(fā)展空間來支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)。

圖1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)速率比較

3 移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)介紹

通過無線移動(dòng)通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)結(jié)合組建的網(wǎng)絡(luò)稱為移動(dòng)自組網(wǎng),AdHoc 作為無線移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的先驅(qū),在20 世紀(jì)70 年代就已出現(xiàn),當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于軍事通信方面，這種網(wǎng)絡(luò)是一種非常特殊的無線通信網(wǎng),它不僅可以快速自動(dòng)組網(wǎng)，并且不需要依賴任何預(yù)先搭建好的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,而且具有超強(qiáng)的靈活性和抗毀壞性。在技術(shù)上廣泛應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)、互聯(lián)網(wǎng)及信息安全傳輸?shù)确矫鎇3]。針對其實(shí)際應(yīng)用需求，AdHoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)一步衍生發(fā)展，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN 和無線網(wǎng)狀網(wǎng)WMN。早期該網(wǎng)絡(luò)主要研究如何保證在多跳無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中高效和可靠地傳送數(shù)據(jù)，隨著不斷地研究以及信息技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，AdHoc 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到民用和商業(yè)領(lǐng)域。

4 5G 下的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)

4.1 無線網(wǎng)狀網(wǎng)WMN

無線網(wǎng)狀網(wǎng)WMN（Wireless Mesh Network）作為移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支，它是采用了全新的“無線網(wǎng)格網(wǎng)”理念設(shè)計(jì)的移動(dòng)寬帶多媒體通信系統(tǒng)。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)相鄰的結(jié)點(diǎn)也必須先要訪問一個(gè)集中的接入點(diǎn)之后才能進(jìn)行無線連接，而無線Mesh 中采用網(wǎng)絡(luò)的分組交換來進(jìn)行信息交換，具有便攜式的可移動(dòng)用戶終端，在移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)下的所有終端都具有路由器和主機(jī)的功能，這樣，各個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或多個(gè)對等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信[4]。作為主機(jī)時(shí)，在終端上要運(yùn)行的各種用戶的程序，例如各種編輯器，不同的瀏覽器等等；當(dāng)作路由器功能使用時(shí)，勢必會(huì)有相應(yīng)的路由協(xié)議要運(yùn)行，還要根據(jù)其提供的相關(guān)路由策略以及路由表來進(jìn)行分組數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，也要負(fù)擔(dān)相關(guān)路由的維護(hù)工作，得到適合該節(jié)點(diǎn)的路由協(xié)議[5]。WMN 自組網(wǎng)的路由協(xié)議有它自己的目標(biāo)：快速、準(zhǔn)確、高效，能在盡可能短時(shí)間內(nèi)比較準(zhǔn)確地找到自己可能用到的相關(guān)路由信息，并且還要能在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化上盡快適應(yīng)，與此同時(shí)，在額外延時(shí)上要減少引入，也要減小相關(guān)的維護(hù)控制信息，比如路由維護(hù)方面，這樣在開銷上就可以適當(dāng)降低，移動(dòng)終端在存儲(chǔ)空間上、計(jì)算能力上以及電源方面都是有限制的，較小的開銷正好滿足這種需求。

4.2 5G 無線Mesh

無線Mesh 的無線組網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用在連續(xù)廣域覆蓋的5G 網(wǎng)絡(luò)中，或具有超密集組網(wǎng)的環(huán)境下。如圖2 所示，在密集的基站中進(jìn)行無線傳輸，而且構(gòu)建速度快，效率高，在基站之間的協(xié)調(diào)能力強(qiáng)，這樣可以使得基站間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間降低，信息交互達(dá)到最低延時(shí)，還能在回傳選擇上更加動(dòng)態(tài)且靈活，實(shí)現(xiàn)多場景下的基站的靈活使用，也就是即插即用，這種網(wǎng)絡(luò)在部署、維護(hù)上都非常簡單，用戶體驗(yàn)也十分輕快、一致，可以稱得上是一種輕型網(wǎng)絡(luò)[6]。

圖2 無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)

5G 無線Mesh 技術(shù)對本網(wǎng)絡(luò)中無線回傳鏈路以及無線接入鏈路的處理方式主要包含兩個(gè)方面，一方面將它們聯(lián)合設(shè)計(jì)，另一方面就是進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，比如：基于容量和能效的接入，與回傳資源協(xié)調(diào)優(yōu)化等；網(wǎng)絡(luò)回傳中的網(wǎng)關(guān)規(guī)劃、管理；網(wǎng)絡(luò)回傳中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼⒙窂絻?yōu)化；網(wǎng)絡(luò)回傳的網(wǎng)絡(luò)資源管理；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)、接口研究等等。

4.3 MESH 自組網(wǎng)的應(yīng)用

無線MESH 自組網(wǎng)，目前已經(jīng)應(yīng)用在武警、消防、人防應(yīng)急、三防應(yīng)急、水利防汛、電力巡檢、電力搶險(xiǎn)、“雪亮工程”、鐵路搶險(xiǎn)、海事執(zhí)法、海監(jiān)巡查、海關(guān)邊防、碼頭監(jiān)控、森林防火、油田防盜、軍事偵察、電視轉(zhuǎn)播等領(lǐng)域。在城市、海上、山地等多種復(fù)雜環(huán)境中提供高質(zhì)量圖像、語音、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)移動(dòng)傳輸。近幾年“雪亮工程”項(xiàng)目建設(shè)大多集中在城市中，下沉到縣、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)的工作尚顯薄弱。“雪亮工程”在縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)推行緩慢的原因之一就是部分農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施相對薄弱，沒有滿足要求的光纖網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)地形地貌等原因?qū)е录芫€施工難度大、成本高。在鄉(xiāng)村、山區(qū)、草原等地廣人稀的區(qū)域，“雪亮工程”建設(shè)項(xiàng)目采用無線Mesh 視頻監(jiān)控技術(shù)，相比有線傳輸，無線傳輸可以節(jié)省光纖線纜成本，且部署快捷方便、便于維護(hù)，節(jié)省施工人力成本；不存在私拉亂接光纜現(xiàn)象；不影響現(xiàn)有線路，減少與其他線路部門的矛盾；相比無線網(wǎng)橋，MESH 多跳特性可實(shí)現(xiàn)長距離非視距傳輸，可解決“雪亮工程”中由于電桿高度不夠?qū)е聼o線設(shè)備間被樹木、建筑物、大山等遮擋而無法通視傳輸?shù)膯栴}；與Wi-Fi 網(wǎng)橋通過加大發(fā)射功率、采用定向天線方式相比，Mesh 可以實(shí)現(xiàn)更高的接收靈敏度，采用全向天線遠(yuǎn)距離傳輸，可避免定向天線安裝復(fù)雜、需要技術(shù)人員指導(dǎo)、容易出現(xiàn)歪斜等問題。

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越需要功能強(qiáng)大的通信設(shè)備，Mesh 無線自組網(wǎng)相比傳統(tǒng)的通信傳輸技術(shù)，在很大程度上提高了通信的速度和降低了故障的概率，這是傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所不擁有的功能。Mesh 無線自組網(wǎng)特有的優(yōu)勢讓它在市場上占有一席之地，未來Mesh 無線自組網(wǎng)在設(shè)備小型化、便攜化方面有提升空間，在充分考慮應(yīng)用場景和保障必要的功能性能的前提下，研究輕便靈巧化技術(shù)，滿足單人背負(fù)和無人機(jī)載要求，在應(yīng)急通信領(lǐng)域的應(yīng)用，Mesh 與其他專網(wǎng)通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)融合也是未來發(fā)展的重點(diǎn)。