5G 时代下的移动自组织网络探讨

陈剑英

（湖南工业职业技术学院，湖南 长沙，410208）

1 引言

移动信息技术的发展推动信息时代的变革，2020 年作为我国5G 网络发展的元年，也是国家新基建开局之年，是通信行业的机遇与挑战并存之年，相对于运营商基站来说有一个很大的市场就是自组网通信，相比运营商网络，自组网通信有它自己的优势：比如快速、低成本、高抗毁自愈、大带宽，高速移动通信、超远距离通信等。

2 5G 概况

第五代移动通信技术，简称5G，它是4G 网络的延伸。历代移动通信网络速率比较如图1 所示，从用户体验看，5G 具有更高的速率、更宽的带宽，5G 网络的理论运行速度为10Gb/s（相当于下载速度1.25GB/s），预计网速将比4G 提高10 倍左右[1]，只需要几秒即可下载一部高清电影，能够满足消费者对虚拟现实、超高清视频等更高的网络体验需求。随着物联网在汽车智能驾驶方面的迅速发展，在网速上具备更高要求，这势必进一步推动5G 网络的发展。

5G 网络在逻辑架构上主要利用网络功能虚拟化（NFV）将硬件与软件分离，部署灵活快速；利用软件定义网络（SDN）将控制与并发进一步分离，快速高效自组网络、拓扑快速重构、网络连接可编程化。作为新一代移动通信技术发展的方向，5G作为全新信息技术基础设施的重要部分，势必能满足未来物联网的相关需求[2]。在性能上更加可靠，延时时间也更加短，使得它在工业智能制造、智能驾驶等方面能够进一步融合，将创造更多的发展空间来支撑社会经济。

图1 移动通信网络速率比较

3 移动自组织网络介绍

通过无线移动通信技术与计算机网络相关技术结合组建的网络称为移动自组网,AdHoc 作为无线移动自组织网络的先驱,在20 世纪70 年代就已出现,当时主要应用于军事通信方面，这种网络是一种非常特殊的无线通信网,它不仅可以快速自动组网，并且不需要依赖任何预先搭建好的网络设施,而且具有超强的灵活性和抗毁坏性。在技术上广泛应用于各种网络体系结构、网络跨层设计、互联网及信息安全传输等方面[3]。针对其实际应用需求，AdHoc 网络技术进一步衍生发展，在此基础上出现了无线传感网络WSN 和无线网状网WMN。早期该网络主要研究如何保证在多跳无线网络环境中高效和可靠地传送数据，随着不断地研究以及信息技术领域的发展，AdHoc 网络的应用逐渐扩展到民用和商业领域。

4 5G 下的移动自组织网络

4.1 无线网状网WMN

无线网状网WMN（Wireless Mesh Network）作为移动自组织网络的一个分支，它是采用了全新的“无线网格网”理念设计的移动宽带多媒体通信系统。传统的无线网络两个相邻的结点也必须先要访问一个集中的接入点之后才能进行无线连接，而无线Mesh 中采用网络的分组交换来进行信息交换，具有便携式的可移动用户终端，在移动自组网络下的所有终端都具有路由器和主机的功能，这样，各个用户节点都可以与一个或多个对等节点进行直接通信[4]。作为主机时，在终端上要运行的各种用户的程序，例如各种编辑器，不同的浏览器等等；当作路由器功能使用时，势必会有相应的路由协议要运行，还要根据其提供的相关路由策略以及路由表来进行分组数据的转发，也要负担相关路由的维护工作，得到适合该节点的路由协议[5]。WMN 自组网的路由协议有它自己的目标：快速、准确、高效，能在尽可能短时间内比较准确地找到自己可能用到的相关路由信息，并且还要能在网络拓扑结构的变化上尽快适应，与此同时，在额外延时上要减少引入，也要减小相关的维护控制信息，比如路由维护方面，这样在开销上就可以适当降低，移动终端在存储空间上、计算能力上以及电源方面都是有限制的，较小的开销正好满足这种需求。

4.2 5G 无线Mesh

无线Mesh 的无线组网技术主要应用在连续广域覆盖的5G 网络中，或具有超密集组网的环境下。如图2 所示，在密集的基站中进行无线传输，而且构建速度快，效率高，在基站之间的协调能力强，这样可以使得基站间的数据传输时间降低，信息交互达到最低延时，还能在回传选择上更加动态且灵活，实现多场景下的基站的灵活使用，也就是即插即用，这种网络在部署、维护上都非常简单，用户体验也十分轻快、一致，可以称得上是一种轻型网络[6]。

图2 无线Mesh 网络

5G 无线Mesh 技术对本网络中无线回传链路以及无线接入链路的处理方式主要包含两个方面，一方面将它们联合设计，另一方面就是进行联合优化，比如：基于容量和能效的接入，与回传资源协调优化等；网络回传中的网关规划、管理；网络回传中的网络拓扑管理、路径优化；网络回传的网络资源管理；网络协议架构、接口研究等等。

4.3 MESH 自组网的应用

无线MESH 自组网，目前已经应用在武警、消防、人防应急、三防应急、水利防汛、电力巡检、电力抢险、“雪亮工程”、铁路抢险、海事执法、海监巡查、海关边防、码头监控、森林防火、油田防盗、军事侦察、电视转播等领域。在城市、海上、山地等多种复杂环境中提供高质量图像、语音、数据实时移动传输。近几年“雪亮工程”项目建设大多集中在城市中，下沉到县、乡、镇的工作尚显薄弱。“雪亮工程”在县乡镇地区推行缓慢的原因之一就是部分农村地区基础设施相对薄弱，没有满足要求的光纤网络资源，同时地形地貌等原因导致架线施工难度大、成本高。在乡村、山区、草原等地广人稀的区域，“雪亮工程”建设项目采用无线Mesh 视频监控技术，相比有线传输，无线传输可以节省光纤线缆成本，且部署快捷方便、便于维护，节省施工人力成本；不存在私拉乱接光缆现象；不影响现有线路，减少与其他线路部门的矛盾；相比无线网桥，MESH 多跳特性可实现长距离非视距传输，可解决“雪亮工程”中由于电杆高度不够导致无线设备间被树木、建筑物、大山等遮挡而无法通视传输的问题；与Wi-Fi 网桥通过加大发射功率、采用定向天线方式相比，Mesh 可以实现更高的接收灵敏度，采用全向天线远距离传输，可避免定向天线安装复杂、需要技术人员指导、容易出现歪斜等问题。

5 结语

随着科学技术的不断发展，越来越需要功能强大的通信设备，Mesh 无线自组网相比传统的通信传输技术，在很大程度上提高了通信的速度和降低了故障的概率，这是传统的通信网络设备所不拥有的功能。Mesh 无线自组网特有的优势让它在市场上占有一席之地，未来Mesh 无线自组网在设备小型化、便携化方面有提升空间，在充分考虑应用场景和保障必要的功能性能的前提下，研究轻便灵巧化技术，满足单人背负和无人机载要求，在应急通信领域的应用，Mesh 与其他专网通信、卫星通信等系统融合也是未来发展的重点。