基于5G移动通信的智慧城市汇聚及接入网络研究.pdf

信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期基于 5G 移动通信的智慧城市汇聚及接入网络研究谢林源(江苏省无锡技师学院 江苏 无锡 214000)【摘摘要要】智慧城市是现代城市发展和建设的一个重要理念和方向。智慧城市在实际应用过程中利用 5G 移动通信能够实现智能感知、连接、融合的目的,进而建立起具有知识社会特点的智慧城市结构,对于推动智慧城市的发展具有重要的意义。基于此,本研究将从 5G 移动通信的角度出发,分析 5G 移动通信的智慧城市汇聚过程中的关键性问题,并从社会关系、信任管理、可靠性、无线接入网络 4 个方面分析其需求,促进我国智慧城市在基于 5G 移动通信网络系统中的建设。【关关键键词词】5 5 G G 移移动动通通信信;智智慧慧城城市市;汇汇聚聚网网络络【中中图图分分类类号号】TN913 【文文献献标标识识码码】A 【文文章章编编号号】1009-5624(2023)07-0227-030 引言智慧城市以保证人们的安全为首要目的,在充分利用现代信息技术和通信技术的前提下可以有效地解决各种问题,达到降低能源消耗和提高运行效率的目的,为城市的进一步发展奠定坚实的基础。5G 移动通信系统作为现代城市建设的一个重要组成部分,可以为智慧城市的建设带来更大的便利和更高的性能、更合理的功能结构。近年来,我国信息技术发展的速度不断加快,智慧城市在其内涵上已不再局限于传统的信息传递,而应具备全面感知、智能处理等特性。在与智慧城市相关的基础上它还将承载物联网、健康医疗、物流追踪、内容分享等对互联规模巨大的新兴应用1。5G 移动通信网络在智慧城市中具有高度的可扩展性,已成为未来智慧城市建设的重要发展方向。由于在传统的通信网架构下所有与智慧城市有关的服务都需要通过核心网来实现,大量的核心网资源被占用,用户的服务延迟和用户的服务质量受到影响,导致智慧城市在开展相关业务和服务的过程中遭受一定的难题。因此,分析 5G 移动通信的智慧城市汇聚及接入网络的应用现状以及需求可以较好地解决存在的问题,为我国 5G技术的发展提供保障。1 智慧城市网络架构分析从逻辑功能上来看,智慧城市通信网络结构为 3 层网络结构,即感知网络、汇聚网络和无线接入网络。1.1 感知网络感知网络是由多个传感节点组成的一种自组织网络。传感网络按其部署情况可分为静态传感网络和动态传感网络。在静态网络中感知节点被事先布置在感知范围内,在数据传输、控制指令传输等全过程中节点的位置是不变的。而动态传感网络则是指在特定的区域内节点按照一定的规律分布,并且每个节点都是动态构建的,因此其拓扑结构也会发生改变。1.2 汇聚网络汇聚网络是在原有的移动终端的基础上进行重组的网络,它在完成传统的蜂窝移动通信网的同时也可以充当感知网在进行远程数据传输时的中继节点,对低层的感知网进行数据访问,从而使得感知到的数据可以经过更高层次的无线接入网传送到智慧城市应用平台上。为消除各感知域之间的差别,并与现有的蜂窝网络系统相结合。移动终端按照一定的通信协议与各感知域进行通信,获得各感知域之间的信息,并利用互联网协议(internet protocol,IP)对其进行封装,以提高可扩展性,然后利用信息融合技术建立一个聚合网络模型2。在分布式网络中,当没有基站时终端节点可以按照 5 G 移动通信系统中的终端直通模式在相互通信的范围之内,实现直接连接和通信。该方法能够有效地减少传输功率、减少传输延迟、提高系统的频谱利用率、扩大网络的覆盖面积。在中心化的组网模式中,基站控制的同时终端节点对感知网络进行访问,并通过基站来完成资源分配、功率控制和切换管理等功能。1.3 无线接入网络无线接入网络是由多个基站通过协同工作而形成的,它把自己的话音、数据和视频服务以及从传感网获得的服务通过网络传送到互联网上。此外,还会有第三方所提供的服务处理器,以方便迅速地处理各种服务数据。与传统的蜂窝通信网络相比,基站与基站之间可以利用 X1 接口进行互联,并且能够根据当前网络状态或者预测的未来网络状态参数,实现网络自配置、状态自优化和故障自恢复等功能,这能够明显地降低移动通信网络运营商的运营和维护成本。除此之外,无线接入网络还可以利用射频拉远、家庭基站等方式,来对其覆盖范围和速率进行补偿,以保证其在宏蜂窝中的用户能够得到公平的接入,并保证其在小区中的传输速率。1.4 传送媒介就传送媒介而言,可分为两种:一种是无线传送媒体,另一种是光纤传送媒体。无线通信拥有很强的灵活性,适合在动态的感知网络和接入网络中使用。但是,它的传输容量比较小且容易受到干扰,在感知网络汇聚之后很难在高速率下完成大规模的数据传输。所以,本文所研究的体系结构能够在传感与汇聚两个环节中充分发挥传感与汇聚两个环节中无线传输介质的灵活性,以更低的代价实现传感与汇聚两个环节中的网络接入。除此之外,光纤媒体还拥有大的传送容量、高的传送速率以及远的传送距离,在该体系结构中以光纤为后传与前传的传输介质,通过光纤将722信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期数据传送到交换中心。在此基础上以无源光网络(passiveoptical network,PON)为核心,利用 PON 作为节点将移动通信网络中的 eNodeB 与 PON 中的光网络单元(optical networkunit,ONU)、交换中心、OLT 等节点放在同一地址,以保证上行与下行之间的传输时延,可靠性,服务质量等3。1.5 业务分析从业务层面来看,随着智能家居、体域网、车联网、电子支付等移动互联网、物联网以及其他一些新兴的网络服务的迅速发展,智慧城市的用户已经不再对传统的通信网络所提供的语音、数据和视频服务感到满意。但如前所述,许多应用程序必须依靠现有的通信网络才能获得长程传输通道。为了实现灵活、快速的数据传输,在未来的智慧城市中各种应用都需要与 5G 移动通信的终端进行组合,移动终端可以利用已有的短距离无线通信模块实现高速的信息传输。综合智慧城市网络架构如图 1 所示。图 1 智慧城市网络架构示意图2 5G 移动通信的智慧城市汇聚关键性问题分析2.1 社会关系判断评估因为受到移动终端设备使用人员的基本社会属性的限制,节点具有较高的移动性,但是移动过程并非完全随机。根据社会网络原理和数学特征相关理论可以发现,每个终端节点的活跃程度和重要性都有较大的差别,节点和节点之间存在着显著的社会关联,并且每个节点都以自我组织和实现的方式来构建不同的逻辑社区。在此基础上对网络中的社交关系进行有效的评价,从而全面利用社交关系提高网络中的数据传输和转发质量和效率。结点以及结点之间的社会关系包含的内容比较多。因此,文章将重点讨论垂直社会关系和水平社会关系:从横向的社会关系来看它是指那些行为规律具有相似特征的节点,它们共同组成了一张关系网络。从纵向的社会关系上看则是由具有不同社会属性的结点组成的网络结构。水平社会关系聚集网络节点可以对自己的节点形成依赖,但网络节点需要具有较高的水平关系强度,其中包含了自身数据、感知网络数据等4。2.2 信任管理受到社会属性、资源等多方面因素的限制和影响,节点通常会呈现出一系列的非协同行为。它可以被划分为“自私性”和“恶意性”两类,它们都给网络安全带来了巨大的危害。为此,需要综合评判和评估节点的可信性,并对其实施有效的可信性管理。因为网络中的节点都是分布式的,所以网络中的信任关系只能通过网络中获取的历史信息来判断。仅依靠节点和节点间的信息交流难以适应动态变化的信任关系。2.3 可靠性保障核心节点通常有复用、专用、蜂窝等多种工作方式。在这种方式下复用无需通过基站进行转发,只需自己进行直接通信,并且与蜂窝网共享一条通信通道,在这个过程中终端设备直接与链路相连,还可以使用蜂窝网下的信道。然后在使用同一通信信道时可能会导致干扰情况的产生,而这些干扰又是相互影响的;这种接入方式无需基站转发、效率高,受干扰情况少;在蜂窝模式下,相对于传统的蜂窝用户通信只需通过基站即可完成转发,并且所分配的信道未被占用,不受任何影响。2.4 无线接入网络承担着云计算任务的应用与节点的多样性特征,使得智慧城市中的数据信息可以被重新聚集并高效地传输到云端。无线接入云系统呈现出结构复杂、粒度多样、跨领域失配等显著特点。在云计算环境下无线接入终端服务面临着低效率和复杂资源需求的问题。从理论上说,光纤技术可以有效地解决终端服务中存在的各种缺陷。为了全面满足现代化、高速、多维、多层次的信息通信服务,智慧城市通信网络必须向汇聚及接入网络的方向发展。首先,随着世界信息化的发展,互联网不再局限于互联网,而是以互联网、大数据和物联网为代表的新一代信822信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期息技术,对互联网通信提出了更高的要求。其次,从无线网络的角度来看,目前制约该问题的主要因素是无线网络的接入,尽管目前可以通过密集蜂窝、载波聚合等方式来提升网络的容量,但同时也带来了编码长度、天线阵元数量等一系列新的问题。为此,亟待研究一种新型的 5G 网络与光纤网融合的接入模式。在这两种融合的架构中光纤网络要完成拉远单元、基站单元处理的工作,根据网络数据信息的总容量、用户规模、负荷情况等因素设计出一种具有多级分光体系结构的系统,从而使光纤网络成为实现智慧城市汇聚的重要工具。在资源分配上,TP 系统有比较多的波长通讯信道,而ONU 可以实现所有波长上的数据传送。因此,有差别的TP 与 WP 就必须同时考虑到 ONU 的有效波长。在服务质量上由于 IP 用户协议的结构和迅速增加的数据业务,因此要求光纤完成快响应、多粒度、较低延时的无线分组5。因此,应该重视将前传和后传的节点需要对上层数据信息和下级数据信息进行流量重整,这样才能合理地利用网络资源。3 5G 移动通信的智慧城市汇聚及接入网络的需求分析 第一,智慧城市移动网络通信建设涉及社会阶层的各个方面,5G 技术的多样性和复杂性以及通信对象的相对广泛性使得 5G 网络的建设成为一个重要的项目。网络规划要体现精细化、科学化、综合性、前瞻性等特征。在未来,5G 的网络规划将与城市规划越来越密切,城市规划必须与网络规划相结合,将通信网络规划与智慧城市的总体规划相结合,从而更好地促进城市的协调发展。第二,未来的城域网将向全覆盖、高可靠、高带宽、大容量的方向发展,为更好的城市规划打下坚实的基础。智慧城市的移动网络通信除了要满足已有的宽带数据和话音业务外,还需要突破传统的万物互联技术。即 5G 应用将从已有的框架中跳脱出来,转向大规模互联网垂直行业,这是智慧城市建设的目标需求和初衷。5G 技术自身已有重大技术突破,且具有网络灵活、部署形式丰富、业务模式多样化、备用频谱覆盖范围广、连接能力提升、可靠性提升、时延降低、速度提升等显著优点,可为智慧城市的规划与建设提供强有力的支持6。第三,在未来智慧城市的发展过程中 5G 移动网络将成为一个立体化、多层次的网络。因此,传统的计划方案已不能适应当前的形势。在互联网时代研究人员要用分析的方式去把握这一趋势。针对 5G 网络中的三个主要问题给予相应的解决,即转发、接入、控制等进行深入的研究,使 5G 网络中的资源最大程度的共享以及整体的完整性7。第四,为了能够最大限度地满足高速数据通信服务需求,在未来智慧城市发展的大背景,和全球互联网信息化产业以及智慧城市对通信服务飞速发展的需求持续增长下,未来网络可以是互联网、云计算技术等传输承载以及业务提供融合体,从而促进通信网络业务能力、数据通信承载能力的提升。在无线网络层次上,由于无线接入的存在限制了整体数据传输率的提高,同时也导致了能耗的下降8。为解决该问题,可以采用载波聚合技术、密集蜂窝技术等先进数字处理技术对具有真实自然界的宽窄时变信息传输信道、多变复杂无线物理传输信道进行改造,从而提高网络容量和频谱效率。4 结语综上所述,5G 移动通信是智慧城市发展过程中的重要保障,其接入水平可为智慧城市的发展提供基础,同时也对智慧城市的管理产生一定的影响。本研究从 5G 移动通信的角度分析智慧城市汇聚及接入网络的关键性问题和需求,得出的结果显示 5G 移动通信已经成为智慧城市中不可缺少的重要部分,应重视在未来的深化研究,为智慧城市的发展提供更多的可能。【参考文献】1 谷志群,肖玉明,张佳玮,等.5G 时代光与无线融合接入网及其关键技术研究进展 J.太原理工大学学报,2021,52(4):525-533.2 罗丹,高自旺,于周顺.交通网络、市场接入度与进口贸易网络地位:基于中国制造业企业的研究 J.财经论丛,2022(12):3-12.3 李友东,闫晨丽,赵云辉.TOE 框架下智慧城市治理路径的前因组态研究:基于 35 个重点城市的模糊集定性比较分析J.技术经济,2022,41(11):140-151.4 杨正,郑云,余月好,等.基于自适应功率分裂的协作非正交多址接入无线携能通信网络性能分析 J.通信学报,2023,44(1):177-188.5 许艺苹,庄灵习.第五代移动通信技术(5G)产业政策的国际比较研究:基于二分类 Logistic 回归分析的视角 J.科学管理研究,2021,39(5):87-94.6 阮永俭,张新长,居圣哲,等.智慧城市快速建设背景下的老旧 社 区 智 慧 化 改 造 探 讨 J.测 绘 通 报,2023(1):14-19.7 任萍萍.5G 技术驱动下的智慧图书馆应用场景与智慧平台模型构建J.情报理论与实践,2020,43(7):95-102.8 段伟伦,韩晓露.全球数字经济战略博弈下的 5G 供应链安全研究J.信息安全研究,2020,6(1):46-51.作者简介:谢林源(1997),男,江苏无锡,本科,研究方向:网络信息安全、综合布线。922