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面向5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的智慧城市匯聚及接入網(wǎng)絡(luò)（通訊）

                      吳大鵬¹，閆俊杰¹，楊鵬²

 (1．重慶郵電大學(xué)光通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065： 2．中國(guó)信息通信研究院，北京100191r)

摘  要：智慧城市的發(fā)展與建設(shè)需要充分依托通信網(wǎng)絡(luò)，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)將推動(dòng)智慧城市通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生重大變革。給出了智慧城市3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，深入分析了匯聚網(wǎng)絡(luò)中所面臨的關(guān)鍵問題，尤其是關(guān)系評(píng)估、信任管理及可靠性保障3個(gè)方面，并對(duì)相應(yīng)的解決方法進(jìn)行了深入闡述，增強(qiáng)了智慧城市通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)各類應(yīng)用的承載能力。

關(guān)鍵詞：5G移動(dòng)通信系統(tǒng)；智慧城市；匯聚網(wǎng)絡(luò)   中圖分類號(hào)：TP393    

doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016160

1  引言

    智慧城市的主要目標(biāo)是以居民的生活為中心，利用信息通信技術(shù)解決城市化過程中所產(chǎn)生的問題，以達(dá)成運(yùn)營(yíng)極大化、能耗最小化的目標(biāo)。作為信息感知、匯聚、接入及傳輸?shù)闹匾�承載平臺(tái)，通信網(wǎng)絡(luò)是智慧城市功能實(shí)現(xiàn)、性能優(yōu)化、服務(wù)便捷的有力保障。近年來，隨著云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、社交網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的迅速興起，智慧城市的內(nèi)涵除了傳統(tǒng)的信息傳輸，還需要包括全面感知、智能處理等特征。除了傳統(tǒng)的智慧城市相關(guān)應(yīng)用之外，其還需要承載物聯(lián)網(wǎng)、健康醫(yī)療、物流跟蹤、內(nèi)容分享等具有海量連接需求的新型應(yīng)用。

    隨著通信網(wǎng)絡(luò)的逐漸建設(shè)和發(fā)展，當(dāng)前支撐智慧城市的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的多樣性、異構(gòu)性及融合性。憑借較高的部署靈活性，5G蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在智慧城市的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施方面得到了廣泛的關(guān)注。然而，按照傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，均需核心網(wǎng)對(duì)智慧城市相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行接入控制及資源分配等相關(guān)操作，此種方式將極大地消耗核心網(wǎng)絡(luò)資源，并顯著地增加用戶業(yè)務(wù)的處理時(shí)延，降低Q oE，使得智慧城市在未來的應(yīng)用及業(yè)務(wù)擴(kuò)展過程中遇到瓶頸。

2  智慧城市網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

    從邏輯功能上來看，智慧城市通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即感知網(wǎng)絡(luò)、匯聚網(wǎng)絡(luò)和無線接入網(wǎng)絡(luò)。

    感知網(wǎng)絡(luò)即各種傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式形成的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的部署狀態(tài)，感知網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)一步劃分為靜態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)來說，感知節(jié)點(diǎn)以預(yù)先布設(shè)的方式放置于感知區(qū)域內(nèi)，在整個(gè)數(shù)據(jù)通信、控制指令傳輸過程中，節(jié)點(diǎn)的位置固定不變，數(shù)據(jù)傳輸和控制指令的發(fā)送路徑相對(duì)穩(wěn)定，如智能家居、環(huán)境監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域。與之相反，動(dòng)態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)的方式部署在給定區(qū)域中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地建立傳輸路徑，拓?fù)渥兓�較為頻繁，如體域網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域。

    匯聚網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)移動(dòng)終端構(gòu)成，隨著智能終端的逐漸普及，除了完成蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)之外，還可作為感知網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸過程中的中繼節(jié)點(diǎn)，為下層感知網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)接入，以使感知數(shù)據(jù)能夠通過匯聚網(wǎng)絡(luò)上層的無線接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至智慧城市應(yīng)用平臺(tái)。為了屏蔽不同感知域的差異，并結(jié)合蜂窩通信網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)體制，移動(dòng)終端采用給定通信協(xié)議與感知域進(jìn)行通信，獲取感知數(shù)據(jù)，并采用IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，以提升擴(kuò)展性。根據(jù)移動(dòng)終端的通信模式，匯聚網(wǎng)絡(luò)可以分為兩種組網(wǎng)方式，分別為分布式組網(wǎng)和集中式組網(wǎng)。分布式組網(wǎng)方式中，終端節(jié)點(diǎn)可根據(jù)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中的終端直接通信模式在彼此通信范圍內(nèi)直接連接，進(jìn)行通信，不需要基站節(jié)點(diǎn)的輔助，此種方式能夠有效地降低終端節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率和通信時(shí)延，提升頻譜效率并增強(qiáng)覆蓋范圍；集中式組網(wǎng)方式中，終端節(jié)點(diǎn)需要在基站的控制下為感知網(wǎng)絡(luò)提供接人，資源分配、功率控制、切換管理等功能均需要在基站的輔助下實(shí)現(xiàn)。此外，終端節(jié)點(diǎn)可以利用無線局域網(wǎng)，采用胖AP（access point，接人點(diǎn)）或者瘦AP執(zhí)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，以卸載蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

    無線接入網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)基站節(jié)點(diǎn)以協(xié)作的方式構(gòu)成，將匯聚網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)自身的語音、數(shù)據(jù)、視頻業(yè)務(wù)及感知網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至互聯(lián)網(wǎng)中。為了便于各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的快速處理，基站節(jié)點(diǎn)中還將包含第三方提供的業(yè)務(wù)處理單元。與傳統(tǒng)的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)不同，基站之間可通過X1接口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，進(jìn)而，可以根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)或者預(yù)測(cè)的未來網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自配置、狀態(tài)自優(yōu)化和故障自恢復(fù)等功能，能夠顯著地降低移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)行和維護(hù)成本。同時(shí)，為了為宏蜂窩小區(qū)內(nèi)的用戶提供公平接人，并保障小區(qū)邊緣用戶的傳輸速率，無線接入網(wǎng)絡(luò)還需要通過射頻拉遠(yuǎn)、家庭基站等方式對(duì)覆蓋及速率進(jìn)行補(bǔ)償。

    從傳輸媒介方面來看，其主要包括無線傳輸媒介及光纖傳輸媒介兩類。顯然，無線通信具有較強(qiáng)的靈活性，適用于動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)的感知網(wǎng)絡(luò)及接入網(wǎng)絡(luò)，但是其傳輸容量相對(duì)較小、易受干擾，難以高速率完成感知網(wǎng)絡(luò)匯聚后的海量數(shù)據(jù)傳輸，因此，所提出的架構(gòu)能夠在感知網(wǎng)絡(luò)、匯聚網(wǎng)絡(luò)部分充分利用無線傳輸媒介的靈活性，以較低的成本實(shí)現(xiàn)感知節(jié)點(diǎn)及匯聚節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)網(wǎng)接入。此外，光纖媒介具有傳輸容量大、速率高、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，所提出的架構(gòu)中采用光纖作為回傳和前傳的傳輸媒介，對(duì)于回傳網(wǎng)絡(luò)來說，基站及第三方提供的業(yè)務(wù)處理單元匯聚了多個(gè)移動(dòng)終端的自身數(shù)據(jù)和感知網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，采用光纖將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至交換中心。為了進(jìn)一步降低所提出網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的部署成本，此處采用PON實(shí)現(xiàn)回傳網(wǎng)絡(luò)相關(guān)傳輸功能，蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中的eNo de B和PON中的ONU、交換中心和OLT均采用共址的方式進(jìn)行部署，使得上下行數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延、可靠性、服務(wù)質(zhì)量均能得到有效保障。

    從業(yè)務(wù)層面來看，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及其他新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的迅速普及，如智能家居、體域網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、電子支付等，智慧城市中的用戶已經(jīng)不滿足于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)所提供的語音、數(shù)據(jù)、視頻業(yè)務(wù)。然而，如前所述，諸多應(yīng)用需要依托現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)為其提供遠(yuǎn)程傳輸通道．如LTE-Advanced、Ethernet、PON等。為了實(shí)現(xiàn)靈活、快速的數(shù)據(jù)傳輸，未來智慧城市的多種應(yīng)用必然與蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的終端進(jìn)行融合，移動(dòng)終端可以采用現(xiàn)有短距離無線通信模塊，如藍(lán)牙、ZigBee、RFID、NFC等，與感知層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)用的有效融合，進(jìn)而發(fā)揮移動(dòng)終端的便攜性以及蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋性。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3  匯聚網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題

    匯聚網(wǎng)絡(luò)主要承擔(dān)將自身業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及感知層數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)，其需要為用戶提供滿足服務(wù)質(zhì)量要求的可靠數(shù)據(jù)傳輸。匯聚網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)主要有兩種工作模式，分別為集中式和分布式。集中模式中，終端通信過程需要基站對(duì)其執(zhí)行接人控制、資源分配、移動(dòng)管理等功能性操作。與其他類型的無線網(wǎng)絡(luò)類似，采用分布式工作的匯聚網(wǎng)絡(luò)也具有資源有限性、信道共享性等共有特征。此外，還具有諸多特殊屬性，其中包括間斷連接性、節(jié)點(diǎn)非合作性和模式多變性。間斷連接性導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間的物理鏈路呈現(xiàn)出時(shí)間域和空間域的非連續(xù)性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中的中繼協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇困難；節(jié)點(diǎn)非合作性使得部分節(jié)點(diǎn)受到多種因素影響，呈現(xiàn)出非合作行為，所轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)無法正常投遞；模式多變性使得節(jié)點(diǎn)需要在不同應(yīng)用場(chǎng)景中切換工作模式，以建立滿足通信質(zhì)量要求的可靠鏈路�？梢�，匯聚網(wǎng)絡(luò)需要解決的關(guān)鍵問題包括社會(huì)關(guān)系感知、信任管理及可靠性保障技術(shù)3個(gè)方面。此外，鄰居發(fā)現(xiàn)、干擾協(xié)調(diào)、媒介認(rèn)知、協(xié)作緩存等多個(gè)問題也亟待解決。

3.1  社會(huì)關(guān)系評(píng)估

    受到終端攜帶者的社會(huì)屬性影響，節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的移動(dòng)性，然而，其移動(dòng)過程并非完全隨機(jī)。根據(jù)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)基本原理及大量數(shù)學(xué)特性的研究可知，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的重要程度及活躍程度并不相同，呈現(xiàn)出“小世界”和“大世界”特性，節(jié)點(diǎn)之間存在較強(qiáng)的社會(huì)關(guān)系，且節(jié)點(diǎn)以自組織的方式形成多個(gè)邏輯社區(qū)。為了充分利用此種社會(huì)關(guān)系提升數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的效率，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的社會(huì)關(guān)系強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估．節(jié)點(diǎn)之間的社會(huì)關(guān)系包括水平社會(huì)關(guān)系和垂直社會(huì)關(guān)系兩個(gè)維度：水平社會(huì)關(guān)系是指活動(dòng)規(guī)律相似的節(jié)點(diǎn)所形成的關(guān)系；垂直社會(huì)關(guān)系是指社會(huì)特征不同的節(jié)點(diǎn)所形成的關(guān)系。對(duì)于水平關(guān)系來說，匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠依托與其水平關(guān)系強(qiáng)度較高的節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)發(fā)，其中包括感知網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)及自身的數(shù)據(jù)，同時(shí)，利用此類節(jié)點(diǎn)能夠降低社區(qū)內(nèi)部通信所引發(fā)的負(fù)載；對(duì)于垂直關(guān)系來說，依托與給定節(jié)點(diǎn)垂直關(guān)系較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)攜帶其數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息至其他邏輯社區(qū)，提高數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)速度。顯然，對(duì)于分布式運(yùn)行的匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來說，難以采用泛洪的方式獲知節(jié)點(diǎn)狀態(tài)及社會(huì)屬性。因此在對(duì)上述兩個(gè)關(guān)系強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估的過程中，需要利用運(yùn)動(dòng)過程中的狀態(tài)參數(shù)，其中包括相遇間隔時(shí)間、相遇持續(xù)時(shí)間、相遇持續(xù)時(shí)間方差、相遇頻率等。

    根據(jù)節(jié)點(diǎn)的社會(huì)屬性可知，行為規(guī)律類似的節(jié)點(diǎn)以自組織的方式形成了社區(qū)，然而，任意節(jié)點(diǎn)均具有多維社會(huì)屬性，節(jié)點(diǎn)間的社會(huì)關(guān)系受多個(gè)屬性的交叉影響。從邏輯上可將任意具有相同屬性的節(jié)點(diǎn)抽象為一個(gè)社區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致針對(duì)給定節(jié)點(diǎn)所建立的多個(gè)社區(qū)內(nèi)部成員可能并不相同，即有些節(jié)點(diǎn)同時(shí)屬于多個(gè)社區(qū)，且其對(duì)各個(gè)社區(qū)的歸屬度呈現(xiàn)出一定的差異性，使得網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)形成了相互重疊的社區(qū)。對(duì)此類呈現(xiàn)交疊狀態(tài)的社區(qū)進(jìn)行檢測(cè)對(duì)智慧城市中群組通信類應(yīng)用至關(guān)重要，也是未來網(wǎng)絡(luò)為用戶提供差異化的前提條件。根據(jù)社區(qū)檢測(cè)過程中使用的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息量，可將當(dāng)前的社區(qū)檢測(cè)方法分為基于局部信息和基于全局信息兩類�；�于全局信息的方法需要在網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散大量的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，并不適用于資源有限的無線網(wǎng)絡(luò)；基于局部信息的方法利用節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程中所獲知的部分網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，以分布式的方式感知社區(qū)結(jié)構(gòu)，有助于提高節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力，提升網(wǎng)絡(luò)性能，但是，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的缺失也將為檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來較大的影響。

3.2信任管理

    按照上述方法將匯聚網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)劃分完社區(qū)之后，由于節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)移動(dòng)，可能出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間鏈路的斷裂，此種情況下，節(jié)點(diǎn)之間通過中繼協(xié)作節(jié)點(diǎn)完成通信。可見，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程可能需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)以協(xié)作的方式完成，然而，受社會(huì)屬性（如社會(huì)關(guān)系強(qiáng)度）、資源（如緩存、能量）等因素的影響，節(jié)點(diǎn)往往會(huì)表現(xiàn)出非協(xié)作的行為。節(jié)點(diǎn)非協(xié)作行為主要指節(jié)點(diǎn)不遵循網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而采取非常規(guī)的手段收發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行額外的處理。其主要包括兩個(gè)方面的原因，分別為客觀原因和主觀原因。客觀原因主要包括節(jié)點(diǎn)緩存不足、能源有限、移動(dòng)設(shè)備故障等因素，導(dǎo)致其無法接收新到來的數(shù)據(jù)：主觀原因則是理性實(shí)體因社會(huì)關(guān)系強(qiáng)度、信任程度、活躍度及個(gè)人隱私保護(hù)等因素消極協(xié)作甚至惡意丟棄數(shù)據(jù)。

    一般來說，節(jié)點(diǎn)的非協(xié)作行為可分為自私行為與惡意攻擊行為。自私行為表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)僅盡力轉(zhuǎn)發(fā)與自身關(guān)系較強(qiáng)節(jié)點(diǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)，而消極對(duì)待其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，甚至直接丟棄；惡意攻擊行為表現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)不僅會(huì)隨意丟棄數(shù)據(jù)，而且會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)歷史信息甚至數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行篡改，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成了惡劣的影響�？梢娫跀�(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)之前需要充分評(píng)估中繼節(jié)點(diǎn)的信任程度。由于節(jié)點(diǎn)分布式運(yùn)行，信任關(guān)系感知過程中需要充分利用節(jié)點(diǎn)獲知的歷史狀態(tài)信息，此外，單

純依靠節(jié)點(diǎn)之間的直接交互信息無法滿足信任關(guān)系的動(dòng)態(tài)特性，因此，還需要充分考慮來自于其他節(jié)點(diǎn)的間接推薦信息，進(jìn)而，全面、準(zhǔn)確地評(píng)估節(jié)點(diǎn)之間的信任關(guān)系。

    目前，主要涉及的攻擊方式如下。

    ·BMA (bad mouthing attack，誹謗攻擊)：惡意節(jié)點(diǎn)發(fā)送關(guān)于其他節(jié)點(diǎn)的負(fù)面推薦信息，以降低其他節(jié)點(diǎn)的信任程度，進(jìn)而截獲網(wǎng)絡(luò)中的合法數(shù)據(jù)并進(jìn)行丟棄。

    ·FIA (flattery attack，奉承攻擊)：惡意節(jié)點(diǎn)通過夸大其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量及歷史相遇信息等欺騙其他節(jié)點(diǎn)來獲得較高信任值，以達(dá)到截獲數(shù)據(jù)的目的。

    ·DoS (denial of service attack，拒絕服務(wù)攻擊)：惡意節(jié)點(diǎn)不停地、盡可能多地發(fā)送數(shù)據(jù)副本或推薦信息給網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，以消耗網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源。

    ·CBA (conflicting behavior attack，矛盾行為攻擊)：惡意節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地表現(xiàn)為合作節(jié)點(diǎn)和惡意節(jié)點(diǎn)，或者對(duì)不同節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)不同的行為，如對(duì)同一節(jié)點(diǎn)的推薦信息在發(fā)送給不同節(jié)點(diǎn)時(shí)的好壞不同，從而通過這種攻擊可以迷惑信任評(píng)估系統(tǒng)，達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)性能的目的。

    ·DTA (data tampering attack，數(shù)據(jù)篡改攻擊)：網(wǎng)絡(luò)中惡意的非法節(jié)點(diǎn)可能對(duì)原始消息進(jìn)行更改，可能改變消息路由或者消息本身，能夠造成網(wǎng)絡(luò)資源的極大浪費(fèi)。

3.3可靠性保障

    匯聚網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用分布式方式進(jìn)行通信，能夠有效地重用有效的頻譜資源，且能夠有效地降低終端的發(fā)射功率。但是，所建立的通信鏈路必須滿足Q oE方面的約束，以執(zhí)行多媒體類相關(guān)應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)，為了避免鏈路頻繁中斷，其可靠性方面也需要得到有效保障。

    通常，終端節(jié)點(diǎn)有3種工作模式，分別為復(fù)用模式、專用模式和蜂窩模式。其中，復(fù)用模式不需要通過基站的轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行直接通信，并與蜂窩鏈路使用相同的信道，此時(shí)終端直通鏈路既可以復(fù)用蜂窩鏈路的上行信道，也可以復(fù)用蜂窩鏈路的下行信道。顯然，使用相同信道的蜂窩鏈路會(huì)對(duì)終端直接通信鏈路造成干擾，反之，終端直接通信鏈  路也會(huì)對(duì)使用相同信道的蜂窩鏈路造成干擾。專用模式不需要通過基站的轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行直接通信，基站為其分配的是未經(jīng)使用的信道（如正交信道），因此不會(huì)受到同一小區(qū)內(nèi)其他鏈路的干擾。蜂窩模式類似于傳統(tǒng)的蜂窩用戶通信，終端直接通信鏈路所發(fā)送的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過基站的轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，所分配的也是未經(jīng)使用的信道，因此也不會(huì)受到同一小區(qū)內(nèi)其他鏈路的干擾。

    為了增加系統(tǒng)容量，復(fù)用模式得到廣泛關(guān)注，此種模式下不同終端之間建立的鏈路之間存在干擾，終端之間的鏈路和基站與終端之間的鏈路也存在干擾。此外，在節(jié)點(diǎn)密度較低的情況下，可能并不存在中繼節(jié)點(diǎn)為給定終端到目的終端提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。另外，在節(jié)點(diǎn)密度較高的情況下，給定終端到目的終端間存在多條路徑，不同路徑的轉(zhuǎn)發(fā)能力并不相同�？梢�，可靠性保障需要充分考慮上述

3個(gè)因素的影響。

    對(duì)于無線信號(hào)的干擾來說，在下行方向，可以通過基站的傳輸功率控制及終端的傳輸功率控制來實(shí)現(xiàn)：在上行方向，需要充分考慮終端直接通信鏈路對(duì)基站的干擾及基站對(duì)直接通信鏈路的干擾，保障系統(tǒng)容量和鏈路的可靠性。

    對(duì)于節(jié)點(diǎn)密度較低的情況來說，使用復(fù)用模式建立終端直接通信鏈路可能使其服務(wù)質(zhì)量難以得到滿足，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地為節(jié)點(diǎn)合理地選擇工作模式。顯然，衡量當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)至關(guān)重要，可根據(jù)鏈路的傳輸功率、鏈路的傳輸速率、鏈路終端概率和信道開銷等參數(shù)確定通信模式。

    對(duì)于節(jié)點(diǎn)密度較高的情況來說，若需要建立通信路徑的兩個(gè)終端不在彼此的覆蓋范圍內(nèi)，則可以選擇其他節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)，按照這種方式，終端之間的路徑由多條鏈路組成，且中繼節(jié)點(diǎn)的選擇將對(duì)路徑質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。需要在滿足路徑服務(wù)質(zhì)量要求的前提條件下，充分提高路徑的可靠性，避免路徑中斷�？筛鶕�(jù)節(jié)點(diǎn)社會(huì)屬性、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁程度、期望傳輸跳數(shù)、節(jié)點(diǎn)服務(wù)能力等參數(shù)確定中繼節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而建立端到端路徑。

4  無線接入網(wǎng)絡(luò)

    無線接入云負(fù)責(zé)將來自多個(gè)應(yīng)用、多個(gè)節(jié)點(diǎn)的智慧城市數(shù)據(jù)再次匯聚，并發(fā)送至物理云平臺(tái)。無線接人云的特點(diǎn)有以下3個(gè)方面：架構(gòu)復(fù)雜性、粒度多樣性和跨域失配性。末端業(yè)務(wù)具有眾連接、低速率、資源需求混雜的特點(diǎn)，然而，采用光纖作為承載媒介需要根據(jù)不同業(yè)務(wù)屬性解決

    資源分配問題。此外，無線媒介的傳輸容量與光纖媒介存在較大差異，且服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制并不相同，需要解決速率失配、服務(wù)等級(jí)失配等多域協(xié)同問題。

    為了滿足無處不在的高速數(shù)據(jù)通信服務(wù)的需求，未來智慧城市的通信網(wǎng)絡(luò)必將朝著異構(gòu)融合接入方向發(fā)展。一方面是全球信息產(chǎn)業(yè)及智慧城市飛速發(fā)展的需求，未來網(wǎng)絡(luò)將是互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等傳輸承載和業(yè)務(wù)提供的融合體，這將使得通信網(wǎng)絡(luò)提供更高帶寬的電信級(jí)數(shù)據(jù)通信承載和業(yè)務(wù)能力。另一方面，從無線網(wǎng)絡(luò)層面來看，制約數(shù)據(jù)傳輸速率提高和能量消耗降低的重要瓶頸依然是無線接入問題，雖然，可以通過載波聚合、密集蜂窩、大規(guī)模MIMO等先進(jìn)數(shù)字處理技術(shù)改造自然界實(shí)質(zhì)存在的窄帶時(shí)變、多變復(fù)雜的無線物理傳輸信道，以不斷提升網(wǎng)絡(luò)容量及頻譜效率，但同時(shí)也帶來了一些新問題，如過度提高調(diào)制階數(shù)、編碼長(zhǎng)度與層數(shù)直接影響傳輸頑健性，過多的天線陣元（如5G中提出大規(guī)模天線采用128陣元）將造成能量消耗過高及算法復(fù)雜度過高等。

    從傳輸媒介的角度來說，光纖接入相比無線接人具有傳輸帶寬大、傳輸損耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但受到覆蓋能力、覆蓋成本以及接人靈活性的制約。與之相對(duì)，無線媒介的優(yōu)缺點(diǎn)與光纖傳輸媒介互補(bǔ)，由于其具有共享特性，使其接入具有極強(qiáng)的靈活性、覆蓋成本較低，因此，為了能夠在接入網(wǎng)為各類業(yè)務(wù)提供令人滿意的服務(wù)質(zhì)量，需要合理利用光纖和無線媒介的優(yōu)點(diǎn)，滿足未來接入網(wǎng)中連接的多態(tài)性、泛在性要求。

    所提出的架構(gòu)中，在后傳(backhaul)和前傳(fronthaul)中使用光纖媒介進(jìn)行通信，以滿足海量、并發(fā)數(shù)據(jù)的承載需求，其余通信過程使用無線媒介，以充分發(fā)揮其靈活性。憑借其點(diǎn)到多點(diǎn)的無源網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，采用PON技術(shù)對(duì)回程和去程的光纖鏈路進(jìn)行組網(wǎng)。目前，融合了TDM-PON的低成本與共享接入特點(diǎn)以及WDM-PON的高接人帶寬特點(diǎn)的TWDM-PON滿足了NG-PON2及無線接入網(wǎng)的各項(xiàng)技術(shù)要求，其具有組網(wǎng)靈活、平滑升級(jí)、強(qiáng)擴(kuò)展性、高可靠性的特征，能夠有效地支持未來富媒體應(yīng)用、Io T應(yīng)用及社會(huì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

    然而，兩者結(jié)合的過程中，還有下列問題需要深入研究。

    在體系結(jié)構(gòu)方面，作為后傳和前傳鏈路，光纖需要連接射頻拉遠(yuǎn)單元、基站及基站處理單元。隨著超密度蜂窩網(wǎng)絡(luò)的逐漸形成，光纖分配網(wǎng)絡(luò)及分光器件的布設(shè)也應(yīng)隨之改變，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)容量、用戶數(shù)量、負(fù)載狀態(tài)、布設(shè)成本、生存性等方面，設(shè)計(jì)帶有多級(jí)分光的體系結(jié)構(gòu)將能夠更加有效地利用光纖媒介的優(yōu)勢(shì)。

    在資源調(diào)度方面，TWDM-PON系統(tǒng)具有多條波長(zhǎng)信道，且ONU可在任意波長(zhǎng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，不同于TDM-PON（如EPON和GPON）和WDM-PON，其資源分配由授權(quán)調(diào)度和授權(quán)大小組成，即為每個(gè)時(shí)分復(fù)用(TDM)子網(wǎng)分配的傳輸信道取決于授權(quán)調(diào)度（波長(zhǎng)分配），為每個(gè)ONU分配的帶寬大小取決于授權(quán)大�。◣�寬分配）。TWDM-PON系統(tǒng)中進(jìn)行資源分配時(shí)，需同時(shí)考慮ONU可由哪條可用波長(zhǎng)進(jìn)行承載及可在哪個(gè)時(shí)隙中發(fā)送數(shù)據(jù)。

    在服務(wù)質(zhì)量保障方面，面向IP化的體系結(jié)構(gòu)及高速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量，需要光纖鏈路實(shí)現(xiàn)多粒度、快響應(yīng)、低時(shí)延的無線分組承載，然而，受到各類互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的影響，感知層及匯聚層所產(chǎn)生的分組具有突發(fā)特征，且速率遠(yuǎn)低于光纖媒介的傳輸速率，因此，需要后傳和前傳中的節(jié)點(diǎn)對(duì)上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)進(jìn)行流量整形，以更加合理地利用網(wǎng)絡(luò)資源。此外，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)工作中，TWDM-PON和無線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)服務(wù)等級(jí)的設(shè)定存在差異，并不存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，需要根據(jù)給定媒介域的各層邏輯關(guān)系，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)的垂直QoS映射，以保障無線域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率，同時(shí)，也需要根據(jù)不同域間的資源占用狀態(tài)設(shè)計(jì)水平QoS映射方法，以

保障端到端服務(wù)質(zhì)量。

5結(jié)束語

    通信網(wǎng)絡(luò)是智慧城市建設(shè)和發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，其智能化、融合化水平?jīng)Q定了智慧城市相關(guān)應(yīng)用部署的便捷性及擴(kuò)展性。本文深入分析了5G移動(dòng)通信系統(tǒng)支持下的匯聚網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題，其中包括社會(huì)關(guān)系評(píng)估、信任管理及可靠性保障問題。