計算機技術在5G通信網絡中的應用研究

胡凡瑋，張春雨

（江西交通職業技術學院，江西 南昌 330013）

0 引 言

網絡信息技術的深度發展對移動通信網絡提出了更高的要求。作為社會積極發展的網絡技術，5G技術應該深度規劃網絡技術應用，拓寬網絡資源服務范圍。隨著終端設備越來越智能化，未來的網絡服務和應用也將考驗終端設備的計算處理能力。因此，相關行業需要展開架構和關鍵技術層面的網絡調整，從而適應帶寬和計算密集型業務的應用需求。

1 5G通信網絡應用技術

1.1 移動通信網絡場景指標

移動互聯網和物聯網是推動5G移動通信技術發展的主要力量，通信網絡相關的研究和設計也將圍繞著這一部分應用展開。以虛擬現實為代表的各類服務給移動通信網絡帶來了新的挑戰，各類智慧物聯網應用與服務也呈現出顯著增長的態勢，拓展了傳統移動通信的服務范圍。因此，大量的設備連接和多樣化的物聯網業務應用，使得5G標準化研究工作開始深入推進。未來，連續廣域覆蓋場景是5G移動通信網絡的基本技術場景，其目的在于保障用戶的移動性和業務連續性，為用戶提供無縫的高速高質量通信網絡服務。其中，低功耗大連接場景主要面向終端數量更多的物聯網類型應用業務，以數據采集為基本目標，保障終端的功耗和成本需要。綜合來看，未來的5G移動通信網絡應用場景始終會對網絡體系的架構研究和標準制定做出應對方案，確定應用和業務的工作場景。

1.2 使能技術

使能技術在改善5G移動通信網絡的內容分發性能和數據處理方面意義顯著。以軟件定義網絡數據為例，其核心思想在于通過網絡設備的控制平面與數據平面相互分離，實現資源的抽象，之后通過虛擬資源的形式，支持上層應用服務，保障系統的靈活性與可操控性。所有的決策策略由控制器決定和處理，可集中進行網絡的配置和管理，無需單獨訪問每一個網絡硬件設備。在軟件定義網絡中，由于控制器可以直接管理全網網絡設備，因此網絡節點的部署和維護難度明顯下降。

值得一提的是，網絡服務和業務的快速發展使得網絡體系架構持續演進，某些專用網絡設備在實現特定的網絡功能后，可以發揮硬件設備和業務服務的耦合特征。為了解決專用設備帶來的一系列問題，網絡功能虛擬化技術開始出現。該技術可以在同一設備上或同一虛擬環境中配置多種功能，包括虛擬化的資源創建與生命周期管控。

網絡切片技術是5G移動通信網絡最為關鍵的使能技術。通過網絡虛擬化技術，將通用物理基礎設施抽象成為虛擬資源，根據特定的網絡功能展開網絡接入。這樣一來，通信網絡可以按照用戶的實際需求構建端對端的邏輯網絡，實現服務定制化和實例化。網絡切片技術具體如圖1所示。

圖1 網絡切片技術

對于一些可靠性功能要求較高的服務來說，還需要在網絡邊緣進行資源的合理配置，以保障數據任務的處理水準。網絡切片基本模塊包括切片管理器、選擇功能以及虛擬化管理編排設備等，采用相互隔離的措施保障網絡安全性，實現資源的按需分配和網絡資源利用率的提高。對于未來的5G網絡切片來說，虛擬資源分配問題將成為后續的工作重點[1]。

作為一種革命性的網絡體系架構，信息中心網絡存在的目的在于實現以信息為中心的通信模式，取代傳統的面向主機通信模式。相比于傳統的TCP/IP網絡，這種信息網絡模式更加關注內容本身，從而在安全性和可擴展性方面優勢明顯。例如，面向數據的網絡體系架構可以在內容緩存和內容分發方面做出重新規劃，實現移動性和安全性特征，并且按照表項指示準確完成傳輸過程。

1.3 5G移動通信網絡體系架構

1.3.1 基于SDN/NFV的架構設計

基于軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）/網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）的5G網絡體系架構設計已經成為移動通信網絡架構的研究與設計重點。在網絡管控層面，可以充分利用該技術來實現平面處理與接入控制等多個方面的功能保障，專注于數據分發和網絡功能的高效資源利用。整個網絡的設備采用通用的服務器，實現靈活的部署和資源高效化應用，整體架構屬于靈活可擴展的網絡系統，支持分布式移動管理和數據轉發功能，保障了無線接入技術協作的基礎要求。控制平面主要包含網絡管理工具和定制應用，主要從網絡管控和網絡功能的角度出發進行設計，保障基礎設施資源的整體利用。基于NFV的具體架構如圖2所示。

圖2 NFV架構

1.3.2 基于云計算技術的架構設計

基于云計算技術的整體架構設計充分利用了云計算的集成與存儲一體化優勢，提供多種類型的服務模式，根據業務場景的要求做到靈活部署。與此同時，控制云、接入云以及轉發云還能實現無線資源管理的邊緣計算，實現整體和局部的會話控制和策略管理等。通過相互協作的方式，使5G移動通信網絡更加靈活和彈性化。

邊緣計算技術的發展，使得移動網絡邊緣架構設計得到領域內的高度關注。在整個網絡體系中，邊緣計算能夠就近為用戶提供內容轉換和數據處理業務，可以為某些高帶寬的業務提供更加良好的服務。基于運行環境和創新的網內聚合模式，集成控制平面網絡功能，實現對移動邊緣網絡的合理管控。從網絡服務的角度出發設計，用戶可以獲得更加智能化和高質量的網絡服務。

1.3.3 ICN技術支持的架構設計

ICN技術支持下的5G網絡架構體系一直是學術界的關注重點。這種架構主要包括無線頻譜資源、基礎網絡設施、虛擬資源以及無線虛擬化控制器。整個架構可以支持端對端的網絡切片技術，從而保障差異化網絡服務，從內容分發的角度設計了移動通信網絡的低時延與高體驗服務標準。各個網絡之間以服務化的接口展開交互，增強了能力開放的網絡功能，為創新發展提供重要基礎[2]。

2 5G通信網絡緩存技術

2.1 緩存部署機制研究

緩存部署對于改善內容分發效率和降低網絡傳輸延遲意義明顯，目前在移動通信網絡中完成部署機制研究工作至關重要。移動通信網絡本質上是一種層次化的架構，移動核心網絡和移動邊緣網絡都包含在內，分別負責無線網絡的移動性管理和接入功能。按照緩存部署的位置不同，可以將移動通信網絡中的緩存技術進一步劃分為核心網絡緩存和邊緣網絡緩存。

行業學者在4G時代就開始研究在移動核心網絡中部署緩存。通常情況下，用戶發起請求后，若服務網關緩存有目標內容則可以直接進行響應，否則會重新定向至擁有緩存目標內容的其他服務網關。為了進一步增強核心網絡的內容分發效率，可以通過協同緩存框架，將網絡內緩存問題描述為成本最小化問題，服務于更大范圍內的各類用戶。終端用戶請求最終都會定位于核心網絡，因此，緩存資源的服務請求內容需要在分發效率和響應時延方面做出規劃，整體改善網絡體驗質量。

在移動邊緣網絡緩存方面，當前用戶對于帶寬和時延的需求明顯增加，因此緩存部署位置的區域選擇變得更加靈活，劃分為用戶側緩存和基站側緩存。用戶側緩存主要包括用戶終端（如智能手機或平板電腦）的緩存，基站側緩存則主要包括宏基站和蜂窩基站緩存。相比于核心網絡緩存，現有的基站緩存能夠在傳輸時延方面進行整體優化，在改善用戶體驗質量的同時，建立以自適應集群為中心的蜂窩網絡來降低回傳帶寬資源消耗。然而，無論是基站側緩存還是用戶側緩存，都旨在加強緩存協作，改善用戶的網絡體驗，并且在緩存方面綜合評估內容放置和路由問題，降低互聯網接入時的帶寬成本，實現網絡系統的能效優化[3]。

2.2 緩存策略機制研究

緩存策略機制研究需要明確緩存放置和緩存替代這兩個方面的問題，尤其是緩存內容的更新替代過程[4]。即考慮到成本因素后，設計人員需要對移動網絡的緩存資源部署作出整體規劃，考慮到每個移動終端設備能夠訪問的基站，主動預測用戶可能需要的服務需求，綜合提升緩存命中率。在近年來的研究中，為了改善緩存的理論性能，限制基于編碼理論的緩存機制開始被提出并研究，使用多波傳輸手段使平均回程率達到穩定的狀態。需要注意的是，如果大量部署緩存資源，也會造成通信網絡的建設成本過高。策略緩存機制在空間優化方面還可以進行針對性完善，如對協作內容分發作出改進以保障邊緣網絡的系統化性能[5]。

3 5G通信網絡計算技術

考慮到移動終端的應用程序運行過程更加復雜，需要的計算量明顯增加，設計人員在計算任務卸載方面需做好整體規劃，確定移動計算卸載和數據備份在云計算場景中的可行性，保障移動終端能量優化過程[6]。未來，網絡接入形式將變得更加多樣化，聯合優化任務分配決策與計算資源的整體部署可以基于邊緣計算要求，制定高效的卸載策略，降低傳輸時延，改善終端設備的能量消耗[7]。

在資源分配和調度層面，邊緣計算服務器的資源較少，對于計算資源的分布和調動問題，還應該通過集中式和分布式的規劃得出具體方案。尤其是集中式資源分配，其研究會定位在系統能耗和網絡時延優化層面，而分布式資源分配可利用分解技術來展開優化，從而滿足延遲要求。

4 結 論

5G移動通信網絡對于推動生產力發展而言價值突出，同時也是移動互聯網的主要驅動力。本研究針對通信網絡中的計算機技術應用展開具體探討，目的在于改善網絡性能和用戶體驗質量，在今后的工作實踐環節確定網絡部署策略。后續工作中，基于人工智能的5G移動通信網絡優化仍然存在進步和發展的空間，尤其是緩存和計算聯合優化，將重點圍繞資源協作探索利用過程。