5G移动通信系统在智慧城市中网络建设探究

郭忠仁

一、智慧城市和5G移动通信系统

（一）智慧城市

智慧城市是互联网、云计算、物联网等新一代信息技术与城市相结合起来的产物，将信息技术、通信技术用来感测、分析、管理城市民生、环保、工商、公共安全、城市服务等信息，并对各种需求作出智能响应，实现对城市的智能化的管理。

（二）5G移动通信系统

5G移动通信系统指第五代移动通信网络，是在第四代移动通信网络基础上建立起来的新一代移动通信网络。与4G移动通信系统相比，5G移动通信系统具有以下特征：第一，网络传输率更高，5G网络传输速率可达到10Gb/s，是4G网络的10-100倍，从而让用户获得更好的通信体验。第二，降低时延。5G网络终端到用户端的时延只有4G网络的四分之一，达到了毫秒级，可以在450Km/h的环境下进行通信。第三，频谱效率更高，满足用户不断增长的业务流量需求。

二、智慧城市网络架构分析

智慧城市的通信网络结构分为感知网络、汇聚网络和无线网络。感知网络是以各种传感器节点组织的网络形式，根据节点的布置情况，感知网络可以分为静态感知网络和动态感知网络，静态感知网络以预先布设的方式放置于感知区域内，让整个数据信息在传输过程中，各个节点的固定位置保持不变，目前主要在智能家居、环境监测等领域。动态感知网络的节点则是随机布置在网络传输区域，通过各个节点建立通整体的传输路径，目前主要应用在车联网。图1为智慧城市网络架构图。

汇聚网络是将交换机上多个端口连接在一起，形成一个拥有较大的端口并形成一套主干路，将各个的线路网络均匀负载，并提供冗余链路。汇聚网络除了满足传统的蜂窝移动通信网络的业务之外，还可以作为感知网络远程数据传输的中继节点，为下一层的网络提供数据接入，让感知数据可以通过汇聚网络上层的无线网络发送到智慧城市各个应用平台。为了打破不同感知网络的差异，根据蜂窝通信网络的通信标准，移动终端使用通信协议和感知网络通信，从而获得感知数据，并通过互联网IP协议对感知数据进行封装，智慧城市可以根据实际情况，对网络进行扩展。汇聚网络分为分布式组网和集中式组网两种组网方式：如果采用分布式组网方式，根据5G移动通信系统的终端通信模式直接和终端进行连接通信，不需要建立节点，从而避免了低终端向高一级终端发射信息，而导致的通信延时；集中式组网则需要在基站感知网络层建立终端节点，从而实现资源分配、功率控制、管理等目标。

无线接入网络由多个基站节点构成并相互协作，将汇聚网络各个节点的语音、视频、图片、数据等感知网络中的业务数据发送到互联网。与传统的蜂窝通信网络相比，无线网络基站可以通过X1接口进行互联，并根据网络的当前状态预制未来网络状态，从而实现网络资源配置、状态优化和故障恢复等功能，降低移动通信网络运行和维护成本。目前我国的无线接入网络传输速率、传输质量不稳定，已经影响到无线网络传输质量。随着大数据、物联网、云计算等技术在智慧城市的应用，对网络通信质量、通信承载力和业务能力要求比较高，需要通过载波聚合、密集蜂窝等数字化处理技术改造无线传输通道，提高网络通信容量和频率效率，但是这需要调高调制阶数、编码长度等问题。 光纤通信系统由光纤电缆传输信号，光纤的光波频率比电缆的频率要高，传输过程中，信号的损耗也比较低。光纤的外层由石英制成的绝缘体，不容易受到环境的腐蚀、污染，所以在传输过程中不会受到雷电、电磁和太阳黑子活动释放的电磁干扰，保密性强。将光纤通信网络与无线接入网络结合起来，可以提高网络的灵活性、降低网络成本、提高网络的质量，满足未来智慧城市网络连接的多态性和泛在性。因此，在汇聚网络前传和后传中可以采用光纤进行通信，满足智慧城市海量数据传输要求，其他通信过程采用无线接入网络，发挥无线网络的灵活性，并采用PIN技术和光纤链路进行组网。

三、汇聚网络实施关键技术

汇聚网络在智慧城市网络架构体系中主要负责将自身业务数据和感知层数据发送给远端网络，为用户提供优质的网络传输信号。根据汇聚网络节点不同，有分布式和集中式组网两种方式，在构建汇聚网络的时候，需要解决社会关系感知、信任管理以及可靠性保障技术等问题

（一）社会关系感知技术

根据社会网络基本原理，各个终端节点的重要程度和活跃程度不同，所以各个节点之间形成了一定的社会关系。为了利用这种社会关系提高数据信息转发效率，需要对各个节点的社会关系强度进行评估。节点间的社会关系包括垂直社会关系和水平社会关系两个方面。分布式组网方式的汇聚网络节点无法通过泛洪的方式得到各个网络节点社会关系和节点状态，还需要了解到节点运动过程中的状态参数，包括节点相遇间隔时间、节点相遇持续时间、相遇频率等信息。各个行为规律相似的节点以组织的方式形成了社区，但是任何的节点社会关系受到多方面的影响，逻辑上可以将任意具有相同属性的节点列为一个社区，给定节点建立的社区内部成员可能各不相同，所以导致一些节点会出现多个社区，并且和其他社区的属性具有一定的差异，导致网络社区属性的差异性，出现了一些逻辑结构相互重叠的社会社区，对重叠社区属性的检验关系可以为网络用户提供差异化的网络服务。全局检测方法需要了解网络中各个节点的状态信息，不利于无线网络数据信息采集；通过局部信息检测方法了解各个节点在运动过程中的网络状态信息，从而感知社区结构，了解到各个节点数据转发能力，提升整个网络性能。但是局部检测无法检测到所有節点信息，所以无法提供全面、准确的检测结果。

（二）信任管理

由于汇聚网络的无线网络节点在不断移动，可能出现节点链路断裂的现象，这个时候需要中继站为断裂链路提供通信通路，汇聚网络数据转发需要多个节点相互协作共同完成。但是，受到社会关系强度、网络通信质量等因素的影响，各个节点可能出现不协作的现象，没有按照要求对数据进行转发，这主要是由于节点缓存不足、移动设备故障等客观原因导致节点无法接收到新的数据信息，或者由于各个节点的社会关系强度、活跃度以及用户隐私保护等因素导致各个节点消极合作。因此数据转发前需要评估与中继站的关系。与中继站的关系需要从各个节点过去运行的状态进行感知，单纯节点之间的交互信息无法评估两者之间的关系强度，还需要来自其他节点的间接推荐。

（三）可靠性保障

汇聚网络节点采用分布式通信，可以充分利用频谱资源，降低终端发射功率。建立的通信链路必须满足QoE方面的约束条件，并按照多媒体应用方式传输数据，避免链路突然终端，导致数据无法及时传输。目前终端节点有三种工作模式：蜂窝模式、复用模式、专用模式。为了提高通信网络的容量，一般采用复用模式，但是这种模式下不同终端链路、终端链路和基站之间存在干扰，所以在智慧模式网络建设过程中，需要考虑到各个方面的综合因素。

四、5G移动通信网络规划以及通信网络定位需求

当前我国5G移动网络还未正式商用，按照工信部发布的《信息通信行业发展规划（2016-2020年）》，我国将在2020年启动5G商用服务.。随着手机、笔记本电脑、ipad等各种移动终端的发展，用户对移动数据流量将呈现爆炸式增长。为了满足智慧城市发展需求，未来5G移动通信网络建设过程中，需要减少小区半径，增加低功率节点数量，增加无线网络覆盖范围和无线节点，支持1千米范围内可以为25000个用户提供无线网络需求。5G移动通信网络规划时，确保整个网络构架具备逐渐的弹性，部署形态更多样、业务模式更加丰富、网络连接能力更加强大、数据传输时延更低等要求。将5G网络和城市规划发展以及智慧城市建设联系起来，协调智慧城市发展各个方面，提高信息资源利用率。网络实际应用过程中，需要建立多种类型的基站、射频卡片，分布在城市地面、建筑楼顶和室内空间，提高网络的灵活性。

五、结束语

5G移动通信网络是实现智慧城市的基础设施，5G移动通信网络规划设计的科学性、前瞻性直接影响到智慧城市发展。我国的5G移动通信网络处于起步阶段，5G移动通信网络的技术标准和网络标准尚未确定下来，一定程度上给网络规划设计增加了一定的难度。目前我国三大运营商正在全国多个城市开展试点工作，运营商在试运行的时候，要总结和积累经验，为智慧城市发展提供参考。