5G技術(shù)與應(yīng)用

1第1章AIoT技術(shù)概論23學(xué)習(xí)要求了解IoT發(fā)展背景及其定義理解AIoT形成與發(fā)展過(guò)程掌握AIoT的技術(shù)特征理解AIoT技術(shù)架構(gòu)與層次結(jié)構(gòu)模型1.1IoT的基本概念1.1.1IoT發(fā)展背景社會(huì)背景比爾·蓋茨在1995年出版的《未來(lái)之路（TheRoadAhead）》中描述了對(duì)“物聯(lián)網(wǎng)”的設(shè)想1998年,MIT的科學(xué)家描述了一個(gè)基于射頻標(biāo)簽（RadioFrequencyIdentification，RFID）與產(chǎn)品電子代碼（ElectronicProductCode，EPC）的物聯(lián)網(wǎng)概念與原型系統(tǒng)4社會(huì)背景2005年，ITU在世界互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展年度會(huì)議上發(fā)表了題為“物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings）”的報(bào)告。這份報(bào)告向我們描繪了世界上的萬(wàn)事萬(wàn)物，小到鑰匙、手表、手機(jī)，大到汽車、飛機(jī)、樓房，只要嵌入一個(gè)微型的RFID芯片或傳感器芯片，就能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物與物之間的信息交互，從而形成一個(gè)無(wú)所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)想5社會(huì)背景2009年，在全球金融危機(jī)的背景之下，IBM公司向美國(guó)政府提出名為“智慧地球（SmartEarth）”的科研與產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告。IBM學(xué)者認(rèn)為：智慧地球=互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)。智慧地球?qū)鞲衅髑度牍?、鐵路、橋梁、隧道、建筑、電網(wǎng)、供水系統(tǒng)、油氣管道等各種物體中，并與超級(jí)計(jì)算機(jī)、云數(shù)據(jù)中心組成物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)人與物的融合。通過(guò)智慧地球技術(shù)的實(shí)施，人類可以更精細(xì)和動(dòng)態(tài)地管理生產(chǎn)與生活，提高資源利用率和生產(chǎn)能力，改善人與自然的關(guān)系6技術(shù)背景普適計(jì)算（PervasiveComputing）又稱為泛在計(jì)算或無(wú)處不在的計(jì)算。1991年，美國(guó)Xerox實(shí)驗(yàn)室的MarkWeiser提出了普適計(jì)算的概念普適計(jì)算的重要特征是“無(wú)處不在”與“不可見”。普適計(jì)算體現(xiàn)了信息空間與物理空間的融合。普適計(jì)算核心是“以人為本”。普適計(jì)算重點(diǎn)在于提供面向用戶、統(tǒng)一、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)普適計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)從設(shè)計(jì)目標(biāo)到工作模式有相似之處，普適計(jì)算研究方法與成果，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用有借鑒作用。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)使人類在實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算的道路上前進(jìn)一大步7技術(shù)背景隨著嵌入式計(jì)算、無(wú)線通信、自動(dòng)控制與傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，信息物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystems，CPS）研究引起學(xué)術(shù)界重視CPS是“人-機(jī)-物”深度融合的系統(tǒng)，是“計(jì)算-通信-控制”深度融合的系統(tǒng)，是“環(huán)境感知-嵌入式計(jì)算-網(wǎng)絡(luò)通信”深度融合的系統(tǒng)。CPS在環(huán)境感知基礎(chǔ)上，形成可控、可信與可擴(kuò)展的智能系統(tǒng)。CPS功能總結(jié)為“感、聯(lián)、知、控”CPS與IoT沿著不同的路徑發(fā)展而來(lái)，這兩條路徑之間存在很多交集。CPS研究目標(biāo)正是物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的方向8IoT形成與發(fā)展過(guò)程91.1.2IoT的定義國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的定義：IoT是信息社會(huì)的全球性基礎(chǔ)設(shè)施，基于現(xiàn)有及不斷演進(jìn)、可操作的信息與通信技術(shù)，通過(guò)物理和虛擬設(shè)備的互聯(lián)互通來(lái)提供更高級(jí)的服務(wù)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）的定義：IoT能夠?qū)⑽ㄒ粯?biāo)識(shí)的“物（things）”連接到互聯(lián)網(wǎng)。這些“物”具有感知/執(zhí)行能力，同時(shí)可能具有一定的可編程能力。利用“物”的唯一標(biāo)識(shí)和感知能力，任何對(duì)象可以在任何時(shí)刻從任何位置采集相關(guān)信息，并且可以改變“物”的狀態(tài)10我國(guó)的IoT定義2009年，《關(guān)于支持無(wú)錫建設(shè)國(guó)家傳感器創(chuàng)新示范區(qū)（國(guó)家傳感網(wǎng)信息中心）情況的報(bào)告》的定義：IoT是以感知為目的，實(shí)行人與人、人與物、物與物全面地互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。其突出的特征是通過(guò)各種感知方式獲取物理世界的各種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等進(jìn)行信息的傳遞與交互，再采用智能計(jì)算技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行分析處理，從而提升人們對(duì)物質(zhì)世界的感知能力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策與控制。這個(gè)定義更符合當(dāng)前國(guó)內(nèi)技術(shù)人員對(duì)于IoT的認(rèn)識(shí)水平與研究現(xiàn)狀111.2從IoT到AIoT1.2.1AIoT發(fā)展背景社會(huì)背景2016年8月，在《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，“新一代信息技術(shù)”的“物聯(lián)網(wǎng)”專題提出：“開展物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)、信息物理系統(tǒng)等基礎(chǔ)理論研究，攻克智能硬件（硬件嵌入式智能）、物聯(lián)網(wǎng)低功耗可信泛在接入等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)共性技術(shù)創(chuàng)新基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能感知芯片、軟件以及終端的產(chǎn)品化”。在“重點(diǎn)研究”中提出“基于物聯(lián)網(wǎng)的智能工廠”、“健康物聯(lián)網(wǎng)”等研究?jī)?nèi)容，將“提升智能終端和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)芯片產(chǎn)品市場(chǎng)占有率”的作為發(fā)展目標(biāo)之一12社會(huì)背景2017年4月，《物聯(lián)網(wǎng)的“十三五”規(guī)劃（2016-2020年）》指出：物聯(lián)網(wǎng)正進(jìn)入跨界融合、集成創(chuàng)新和規(guī)?；l(fā)展的新階段。物聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)發(fā)展新階段，智能可穿戴設(shè)備、智能家電、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、智能機(jī)器人等數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的新設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)智能信息技術(shù)將在制造業(yè)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化等轉(zhuǎn)型升級(jí)方面發(fā)揮重要作用。車聯(lián)網(wǎng)、健康、家居、智能硬件、可穿戴設(shè)備等消費(fèi)市場(chǎng)需求更活躍，驅(qū)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)和其它前沿技術(shù)不斷融合，人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、自動(dòng)駕駛、智能機(jī)器人等技術(shù)取得新突破13社會(huì)背景2021年3月，《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》的第11章第1節(jié)“加快建設(shè)新型基礎(chǔ)設(shè)施”中指出：推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展，打造支持固移融合、寬窄結(jié)合的物聯(lián)接入能力。加快構(gòu)建全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心體系，強(qiáng)化算力統(tǒng)籌智能調(diào)度，建設(shè)若干國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn)和大數(shù)據(jù)中心集群，建設(shè)大型超級(jí)計(jì)算中心。積極穩(wěn)妥發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)。加快交通、能源、市政等傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造，加強(qiáng)泛在感知、終端聯(lián)網(wǎng)、智能調(diào)度體系建設(shè)。構(gòu)建基于5G的應(yīng)用場(chǎng)景和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在智能交通、智慧物流、智慧能源、智能醫(yī)療等重點(diǎn)領(lǐng)域開展試點(diǎn)示范。綱要明確了AIoT在“十四五”期間的建設(shè)任務(wù)，規(guī)劃了2035年的發(fā)展遠(yuǎn)景目標(biāo)14技術(shù)背景云計(jì)算（CloudComputing）不是一個(gè)全新概念。早在1961年，JohnMcCarthy預(yù)言：未來(lái)的計(jì)算資源能像公共設(shè)施（如水、電）一樣被使用。此后幾十年，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界提出了集群計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、服務(wù)計(jì)算等技術(shù)，云計(jì)算是在這些技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)云計(jì)算作為一種利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的隨時(shí)隨地、按需訪問(wèn)和共享計(jì)算、存儲(chǔ)與軟件資源的計(jì)算模式，它具有以下幾個(gè)主要技術(shù)特征：按需服務(wù)、資源池化、泛在接入、高可靠性、降低成本、快速部署云計(jì)算平臺(tái)可以為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、可控和可擴(kuò)展的計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，成為AIoT集成創(chuàng)新的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施15技術(shù)背景邊緣計(jì)算（EdgeComputing）的概念出現(xiàn)可以追溯到2000年。邊緣計(jì)算的發(fā)展與面向數(shù)據(jù)的計(jì)算模式發(fā)展是分不開的。在早期的邊緣計(jì)算中，“邊緣”僅限于分布在世界各地的CDN緩沖服務(wù)器。隨著邊緣計(jì)算研究的發(fā)展，“邊緣”資源的概念已經(jīng)從最初的邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)備，擴(kuò)展到從數(shù)據(jù)源到核心云路徑中的任何可利用的計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)資源2013年，5G研究催生了移動(dòng)邊緣計(jì)算（MobileEdgeComputing，MEC）的發(fā)展。MEC是一種在接近移動(dòng)用戶的無(wú)線接入網(wǎng)位置部署，能夠提供計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)資源的邊緣云或微云，避免端節(jié)點(diǎn)直接通過(guò)主干網(wǎng)與云計(jì)算中心的通信，以便突破云計(jì)算服務(wù)的限制。2017年3月，ETSI將MEC更名為多接入邊緣計(jì)算（Multiple-accessEdgeComputing，MEC），將MEC擴(kuò)展到其他無(wú)線接入網(wǎng)（如Wi-Fi），以滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)MEC的應(yīng)用需求基于MEC的物聯(lián)網(wǎng)“端-邊-云”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)槌邘挕⒊脱訒r(shí)、高可靠性的AIoT應(yīng)用提供技術(shù)支持16技術(shù)背景大數(shù)據(jù)并不是一個(gè)確切的概念。到底多大的數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)，不同的學(xué)科領(lǐng)域、不同的行業(yè)有不同的理解。大數(shù)據(jù)具備“5V”特征：大體量（Volume）、多樣性（Variety）、時(shí)效性（Velocity）、準(zhǔn)確性（Veracity）和大價(jià)值（Value）物聯(lián)網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)與一般的大數(shù)據(jù)研究有共性的一面，也有個(gè)性的一面。它們共性的一面首先表現(xiàn)在大數(shù)據(jù)分析的基本內(nèi)容上。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)具有異構(gòu)性、多樣性、實(shí)時(shí)性、顆粒性、非結(jié)構(gòu)化、隱私性等特點(diǎn)智能交通、智能工業(yè)、智能醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中的大量傳感器、RFID標(biāo)簽、視頻監(jiān)控器、工業(yè)控制系統(tǒng)是造成數(shù)據(jù)“爆炸”的重要原因之一。物聯(lián)網(wǎng)為大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展提出了重大應(yīng)用需求，成為大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展的重要推動(dòng)力17技術(shù)背景隨著物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的超常規(guī)發(fā)展，大量物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)部署在山區(qū)、森林、水域等偏僻地區(qū)。很多的物聯(lián)網(wǎng)感知與控制節(jié)點(diǎn)，密集部署在大樓內(nèi)部、地下室、地鐵與隧道中，4G網(wǎng)絡(luò)已難以適應(yīng)，只能寄希望于5G技術(shù)ITU明確了5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶通信、大規(guī)模機(jī)器類通信與超可靠低延時(shí)通信。其中，大規(guī)模機(jī)器類通信應(yīng)用場(chǎng)景面向以人為中心和以機(jī)器為中心的通信，面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)等應(yīng)用，為海量、小數(shù)據(jù)包、低成本、低功耗的設(shè)備提供有效的連接方式。超可靠低延時(shí)通信應(yīng)用主要滿足車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、移動(dòng)醫(yī)療等行業(yè)的特殊應(yīng)用對(duì)超高可靠、超低延時(shí)通信場(chǎng)景需求。5G作為物聯(lián)網(wǎng)集成創(chuàng)新的通信平臺(tái)，有力地推動(dòng)著AIoT應(yīng)用的發(fā)展18技術(shù)背景人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)等多學(xué)科高度發(fā)展、緊密結(jié)合、互相滲透而發(fā)展起來(lái)的交叉學(xué)科2006年，以深度學(xué)習(xí)（DeepLearning）為代表的人工智能進(jìn)入第三次熱潮。“學(xué)習(xí)”是人類智能的主要標(biāo)志，也是人類獲取知識(shí)的基本手段?！皺C(jī)器學(xué)習(xí)”研究計(jì)算機(jī)如何模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，獲取新的知識(shí)與技能，不斷提高自身能力的方法。自動(dòng)知識(shí)獲取成為機(jī)器學(xué)習(xí)研究目標(biāo)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)是機(jī)器學(xué)習(xí)的“金礦”。物聯(lián)網(wǎng)智能數(shù)據(jù)分析廣泛應(yīng)用了機(jī)器學(xué)習(xí)方法，它們?cè)絹?lái)越依賴于大規(guī)模數(shù)據(jù)集和強(qiáng)大計(jì)算能力；云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算、5G技術(shù)的發(fā)展，為人工智能與物聯(lián)網(wǎng)融合提供了巨大動(dòng)力19技術(shù)背景工業(yè)4.0促進(jìn)了數(shù)字孿生的發(fā)展。2002年，數(shù)字孿生（DigitalTwin）術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)。傳統(tǒng)的控制理論與方法已不能滿足物聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜大系統(tǒng)的智能控制需求。2019年，隨著“智能+”概念的興起，數(shù)字孿生成為了產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)數(shù)字孿生是在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)與智能技術(shù)的支撐下，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品全生命周期“迭代優(yōu)化”和“以虛控實(shí)”方法，徹底改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)，將極大地豐富智能技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的理論體系，為物聯(lián)網(wǎng)的閉環(huán)智能控制提供了新的設(shè)計(jì)理念與方法20技術(shù)背景區(qū)塊鏈（Blockchain）出現(xiàn)于2009年，起源于虛擬貨幣。區(qū)塊鏈作為“去中心化”協(xié)作、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、“點(diǎn)-點(diǎn)”傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法、智能合約等技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)信任管理領(lǐng)域的集成，能夠剔除網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中最薄弱環(huán)節(jié)與最根本缺陷（即人為因素），研究人員認(rèn)為區(qū)塊鏈將成為重新構(gòu)造社會(huì)信任體系的基礎(chǔ)“物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈（BIoT）”將成為建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)“可信、可用、可靠”的信任體系的理論基礎(chǔ)。目前，區(qū)塊鏈已經(jīng)開始應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)的智慧城市、智能制造、供應(yīng)鏈管理、數(shù)字資產(chǎn)交易、可信云計(jì)算與邊緣計(jì)算等領(lǐng)域，并將逐步與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合21AIoT形成與發(fā)展過(guò)程221.2.2AIoT的定義維基百科（Wikipedia）的定義：AIoT是人工智能技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更高效的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，改善人機(jī)交互，提高數(shù)據(jù)管理與分析能力2020年，《中國(guó)智能物聯(lián)網(wǎng)白皮書》的定義：AIoT是人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同應(yīng)用，它通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息采集，而在終端、邊緣或云中實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)分析，最終形成一個(gè)智能化的生態(tài)體系231.2.2AIoT的定義維基百科（Wikipedia）的定義：AIoT是人工智能技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更高效的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，改善人機(jī)交互，提高數(shù)據(jù)管理與分析能力2020年，《中國(guó)智能物聯(lián)網(wǎng)白皮書》的定義：AIoT是人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同應(yīng)用，它通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息采集，而在終端、邊緣或云中實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)分析，最終形成一個(gè)智能化的生態(tài)體系24AIoT的新內(nèi)涵AIoT并不是一種新的物聯(lián)網(wǎng)，它是物聯(lián)網(wǎng)與智能技術(shù)成熟應(yīng)用、交叉融合的必然產(chǎn)物，標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段AIoT推進(jìn)了“物聯(lián)網(wǎng)+云計(jì)算+邊緣計(jì)算+5G+大數(shù)據(jù)+智能決策+智能控制+區(qū)塊鏈”等新技術(shù)與各行各業(yè)、社會(huì)的各個(gè)層面的深度融合與集成創(chuàng)新AIoT的核心是智能技術(shù)的應(yīng)用，研究目標(biāo)是使物聯(lián)網(wǎng)最終能達(dá)到“感知智能、認(rèn)知智能與控制智能”的境界251.3AIoT技術(shù)特征1.3.1AIoT“物”的特征實(shí)體是指物理世界或虛擬世界中的一個(gè)對(duì)象，能夠被識(shí)別和被集成到通信網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備是指必須具有通信功能，并可能具有感知、移動(dòng)、數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)和處理功能的裝置物聯(lián)網(wǎng)硬件“設(shè)備”與被監(jiān)測(cè)“實(shí)體”就變成了物聯(lián)網(wǎng)中的一個(gè)“感知/執(zhí)行”節(jié)點(diǎn)。在不同應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，它們的共同特征是：具有唯一的、可識(shí)別的身份標(biāo)識(shí)；具備一定的通信、計(jì)算與存儲(chǔ)能力26什么是物聯(lián)網(wǎng)中的“物”271.3.1AIoT“網(wǎng)”的特征智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在從單一設(shè)備、單一場(chǎng)景的局部小系統(tǒng)，不斷向大系統(tǒng)、復(fù)雜大系統(tǒng)方向演變。無(wú)論研究人員將復(fù)雜系統(tǒng)劃分成多層結(jié)構(gòu)，或者是劃分為多個(gè)功能模塊或功能域，多個(gè)層次或多個(gè)功能模塊或功能域之間必然要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互聯(lián)，通過(guò)數(shù)據(jù)與指令交互實(shí)現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)功能網(wǎng)絡(luò)作為支撐智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的信息基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)著在不同功能域之間的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，以及與外部其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資源共享和信息交互的作用。互聯(lián)網(wǎng)成熟的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，為智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)28IP網(wǎng)與5G網(wǎng)

內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)291.3.3AIoT“智”的特征感知智能傳感器、控制器與移動(dòng)終端正在向智能化、微型化方向發(fā)展。智能傳感器是傳感器與智能技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，形成具有自動(dòng)感知、計(jì)算、檢測(cè)、校正、診斷功能的新一代傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器具有三大能力：自學(xué)習(xí)、自診斷與自補(bǔ)償能力；復(fù)合感知能力；靈活的通信組網(wǎng)能力30智能硬件人機(jī)交互采用文字交互、語(yǔ)音交互、視覺(jué)交互、虛擬交互、人臉識(shí)別、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)對(duì)可穿戴計(jì)算設(shè)備、智能機(jī)器人、自動(dòng)駕駛汽車、無(wú)人機(jī)等智能設(shè)備，它們?cè)谠O(shè)計(jì)、研發(fā)、運(yùn)行中，無(wú)處不體現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用效果31交互智能32處理智能基于AIoT的智能工業(yè)、智能醫(yī)療、智能家居、智慧城市等應(yīng)用系統(tǒng)中大量使用語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言理解、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)聚類、分析、挖掘與智能決策成為機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)應(yīng)用最為成熟的領(lǐng)域之一控制智能傳統(tǒng)的智能控制已不適應(yīng)大規(guī)模AIoT應(yīng)用的需求。數(shù)字孿生引入虛擬空間，建立虛擬空間與物理空間關(guān)聯(lián)與信息交互，通過(guò)數(shù)字仿真、基于狀態(tài)的監(jiān)控與機(jī)器學(xué)習(xí)，將“數(shù)據(jù)”轉(zhuǎn)變成“知識(shí)”，準(zhǔn)確地預(yù)見未來(lái)，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)融合、以虛控實(shí)”的目標(biāo)1.4AIoT體系結(jié)構(gòu)1.4.1AIoT架構(gòu)研究2018年，智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）的概念問(wèn)世。AIoT推進(jìn)“物聯(lián)網(wǎng)+云計(jì)算+5G+邊緣計(jì)算+大數(shù)據(jù)+智能+控制”技術(shù)的融合創(chuàng)新，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)推向一個(gè)新的發(fā)展階段。如何用一種簡(jiǎn)潔的技術(shù)架構(gòu)模型來(lái)表述AIoT應(yīng)用系統(tǒng)的共性特征，并且能夠用這種架構(gòu)模型指導(dǎo)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)AIoT應(yīng)用系統(tǒng)，這是物聯(lián)網(wǎng)研究的重要問(wèn)題3334AIoT技術(shù)架構(gòu)感知層感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)感知、控制與用戶與系統(tǒng)交互的功能。感知層主要包括：傳感器、執(zhí)行器與WSN，RFID標(biāo)簽、讀寫器與EPC網(wǎng)絡(luò)，智能手機(jī)、GPS終端、智能家電、智能儀器儀表與智能生產(chǎn)設(shè)備，以及可穿戴計(jì)算設(shè)備、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車等它們涉及嵌入式計(jì)算、可穿戴計(jì)算、智能硬件、物聯(lián)網(wǎng)芯片、物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、智能人機(jī)交互、深度學(xué)習(xí)及可視化技術(shù)35接入層接入層承擔(dān)著將海量、多種類型、分布廣泛的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的功能。接入層采用的接入技術(shù)包括兩類：有線與無(wú)線技術(shù)有線接入技術(shù)包括：Ethernet、ADSL、HFC、光纖接入、電力線接入、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等無(wú)線接入技術(shù)包括：Wi-Fi、BLE、ZigBee、WPAN、WBAN、NB-IoT、5GC-RAN等36邊緣層邊緣層又稱為邊緣計(jì)算層，它將計(jì)算與存儲(chǔ)資源（如微云Cloudlet、微型數(shù)據(jù)中心、霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)等）部署在更貼近于移動(dòng)終端設(shè)備或傳感器網(wǎng)絡(luò)的邊緣，將很多對(duì)實(shí)時(shí)性、帶寬與可靠性有很高需求的計(jì)算任務(wù)遷移到邊緣云中處理，以減小任務(wù)響應(yīng)延時(shí)、滿足實(shí)時(shí)性應(yīng)用需求，優(yōu)化與改善終端用戶體驗(yàn)邊緣云與遠(yuǎn)端核心云之間協(xié)同，形成“端-邊-云”的三級(jí)結(jié)構(gòu)模式37核心交換層為了提供行業(yè)性、專業(yè)性的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，核心交換層承擔(dān)著將接入網(wǎng)與分布在不同地理位置的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的廣域主干網(wǎng)的功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全要求高的核心交換網(wǎng)需要分為內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)兩大部分，內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間通過(guò)安全網(wǎng)關(guān)來(lái)連接構(gòu)建核心交換網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)可采用IP專網(wǎng)、VPN或5G核心網(wǎng)技術(shù)38應(yīng)用服務(wù)層應(yīng)用服務(wù)層為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層需要實(shí)現(xiàn)的功能提供服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)層軟件通常運(yùn)行在云計(jì)算平臺(tái)之上，這些云平臺(tái)既可以是私有云，也可以是公有云、混合云或社區(qū)云應(yīng)用服務(wù)層提供的共性服務(wù)包括：從物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)中挖掘出知識(shí)的大數(shù)據(jù)技術(shù)；根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)論，向高層用戶提供可視化的輔助決策技術(shù)；通過(guò)反饋控制指令，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)智能控制技術(shù)；區(qū)塊鏈為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的信任體系提供了重要手段39應(yīng)用層應(yīng)用層包括智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能交通、智能電網(wǎng)、智能環(huán)保、智能安防、智能醫(yī)療、智能家居等行業(yè)應(yīng)用無(wú)論是哪類應(yīng)用，從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，都是要將代表系統(tǒng)預(yù)期目標(biāo)的核心功能分解為多個(gè)簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)的功能。每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)經(jīng)歷復(fù)雜的信息交互過(guò)程，對(duì)信息交互過(guò)程需要制定一系列通信協(xié)議應(yīng)用層是實(shí)現(xiàn)某類行業(yè)應(yīng)用的功能、運(yùn)行模式與協(xié)議的集合。研發(fā)人員將依據(jù)通信協(xié)議，根據(jù)任務(wù)需要來(lái)調(diào)用應(yīng)用服務(wù)層的不同服務(wù)功能模塊，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)功能40網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)絡(luò)安全涉及物聯(lián)網(wǎng)從感知層到應(yīng)用層的任何一種網(wǎng)絡(luò)，小到傳感器、執(zhí)行器的接入網(wǎng)的局域網(wǎng)、Wi-Fi、BLE、ZigBee、5G或NB-IoT，大到核心交換網(wǎng)、云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，都存在網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，并且各層之間相互關(guān)聯(lián)與影響網(wǎng)絡(luò)管理從接入網(wǎng)、核心交換網(wǎng)與后端網(wǎng)絡(luò)使用大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，接入各種感知、執(zhí)行、計(jì)算節(jié)點(diǎn)，它們相互連接構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系；各層之間都要交換數(shù)據(jù)與控制指令。因此，網(wǎng)絡(luò)管理同樣是涉及各層，并且是各層之間相互關(guān)聯(lián)與影響的共性問(wèn)題41跨層共性服務(wù)ONS物聯(lián)網(wǎng)的ONS功能與互聯(lián)網(wǎng)的DNS功能類似。在物聯(lián)網(wǎng)中要查詢RFID標(biāo)簽對(duì)應(yīng)物品詳細(xì)信息，需借助ONS服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)與服務(wù)器體系。為了提高運(yùn)行效率，在物聯(lián)網(wǎng)中建立本地ONS服務(wù)器、高層ONS服務(wù)器及根ONS服務(wù)器，形成覆蓋整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的ONS服務(wù)體系QoS/QoE互聯(lián)網(wǎng)關(guān)注服務(wù)質(zhì)量（QualityofService，QoS）問(wèn)題。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，用戶不僅關(guān)心客觀的QoS，還關(guān)心增加人為因素的體驗(yàn)服務(wù)質(zhì)量（QualityofExperience，QoE）。物聯(lián)網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS/QoE要求比互聯(lián)網(wǎng)更復(fù)雜，必須在物聯(lián)網(wǎng)體系的各層通過(guò)協(xié)同工作方式加以保證42跨層共性服務(wù)431.4.3AIoT層次結(jié)構(gòu)模型本章總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有深厚的社會(huì)與技術(shù)背景。全球信息化為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供原動(dòng)力；計(jì)算、通信與感知融合為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)；普適計(jì)算與CPS研究為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展指出方向物聯(lián)網(wǎng)對(duì)科技與社會(huì)發(fā)展的作用表現(xiàn)在：技術(shù)的交叉融合性、產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)性、應(yīng)用的滲透性等方面物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)。兩者在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究方法、網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)與協(xié)議體系、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全等方面有相通之處44本章總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)提供行業(yè)性、專業(yè)性與區(qū)域性的服務(wù)，數(shù)據(jù)主要是通過(guò)自動(dòng)感知方式獲取，它是虛實(shí)結(jié)合、可反饋、可控制的閉環(huán)系統(tǒng)AIoT不是一種新的物聯(lián)網(wǎng)，它是物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算、邊緣計(jì)算、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈等新技術(shù)融合產(chǎn)物，標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)新發(fā)展階段AIoT層次結(jié)構(gòu)模型由“六個(gè)層次”與“四個(gè)跨層共性服務(wù)”組成，可以用“端-邊-網(wǎng)-云-用”或“端-邊-管-云”或“端-邊-云”表述4546謝謝！

wuying@5G技術(shù)與應(yīng)用

47第2章5G技術(shù)概論4849學(xué)習(xí)要求掌握5G的基本概念了解5G網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)理解5G關(guān)鍵性能指標(biāo)了解5G典型應(yīng)用場(chǎng)景了解5G-Advanced技術(shù)演進(jìn)2.15G的基本概念2.1.15G產(chǎn)生背景移動(dòng)通信技術(shù)從20世紀(jì)70年代出現(xiàn)后經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已逐步滲透到現(xiàn)代人類社會(huì)的各行業(yè)，并深刻影響著人類的工作與生活方式在40多年的發(fā)展過(guò)程中，移動(dòng)通信系統(tǒng)經(jīng)歷了從第一代（1G）到第五代（5G）的變遷50基于模擬技術(shù)的第一代（1G）移動(dòng)通信系統(tǒng)僅支持模擬語(yǔ)音業(yè)務(wù)，采用數(shù)字技術(shù)的第二代（2G）移動(dòng)通信系統(tǒng)（例如GSM）開始支持?jǐn)?shù)字語(yǔ)音、短信息等低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，第三代（3G）移動(dòng)通信系統(tǒng)開始將業(yè)務(wù)范圍擴(kuò)展到圖像傳輸、視頻傳輸、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)2004年，3GPP開始研究第四代（4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)。2009年，3GPP公布4G第一版技術(shù)規(guī)范R8。2009年，全球第一個(gè)商用LTE網(wǎng)絡(luò)在瑞典斯德哥爾摩與挪威奧斯陸建成，開始為用戶提供100Mbps傳輸速率。2014年10月底，全球119個(gè)國(guó)家與地區(qū)建成354個(gè)商用LTE網(wǎng)絡(luò)。4G網(wǎng)絡(luò)的全球大規(guī)模部署及手機(jī)終端日趨成熟，促進(jìn)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展511G至4G發(fā)展2012年9月，歐盟在第七框架計(jì)劃（FP7）下啟動(dòng)了名為5GNOW的研究課題，由德國(guó)、法國(guó)、匈牙利等國(guó)的6家研究機(jī)構(gòu)共同承擔(dān)，該課題的主要研究方向是5G物理層技術(shù)2012年11月，歐盟在FP7下啟動(dòng)了名為METIS的5G研究課題，共有29家參加單位（包括通信設(shè)備生產(chǎn)商、電信運(yùn)營(yíng)商、汽車生產(chǎn)商、研究機(jī)構(gòu)等），主要針對(duì)如何滿足未來(lái)移動(dòng)通信需求開展廣泛研究2014年1月，歐盟正式推出了5GPPP（5GPublic-PrivatePartnership）項(xiàng)目，其成員包括通信設(shè)備生產(chǎn)商、電信運(yùn)營(yíng)商、研究機(jī)構(gòu)等，計(jì)劃在2020年前開發(fā)5G技術(shù)，到2022年正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)52國(guó)際5G研究我國(guó)政府非常重視5G長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)、技術(shù)規(guī)劃、發(fā)展戰(zhàn)略等相關(guān)工作。2013年2月，我國(guó)的科技部、工信部與國(guó)家發(fā)改委等三部委聯(lián)合組織成立了IMT-2020（5G）推進(jìn)組，其成員包括通信設(shè)備生產(chǎn)商、電信運(yùn)營(yíng)商、高等院校、研究機(jī)構(gòu)等，致力于打造聚合我國(guó)產(chǎn)學(xué)研用力量、推動(dòng)我國(guó)5G技術(shù)研究與開展國(guó)際交流合作的平臺(tái)我國(guó)“863”計(jì)劃分別于2013年6月與2014年3月啟動(dòng)5G重大項(xiàng)目一期與二期研發(fā)課題，前瞻性部署5G需求、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、頻譜、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面的研究任務(wù)。在2020年前，上述兩個(gè)“863”課題全面開展5G關(guān)鍵技術(shù)研究，包括體系結(jié)構(gòu)、無(wú)線傳輸與組網(wǎng)、新型天線與射頻、新頻譜開發(fā)與利用等53我國(guó)5G研究2019年6月，我國(guó)的工信部正式向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)廣電網(wǎng)絡(luò)等公司頒發(fā)了基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)許可證，批準(zhǔn)這四家電信運(yùn)營(yíng)商經(jīng)營(yíng)“第五代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)”，這標(biāo)志著中國(guó)的5G時(shí)代正式拉開帷幕經(jīng)過(guò)4年的快速發(fā)展，我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)取得了巨大的成果。根據(jù)中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC）發(fā)布的《第53次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2023年12月，我國(guó)5G基站數(shù)量達(dá)到337.7萬(wàn)個(gè)，5G通信用戶數(shù)量達(dá)到8.05億人54我國(guó)5G建設(shè)2.1.25G發(fā)展目標(biāo)555G發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建以用戶為中心的全方位信息服務(wù)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)任何人或任何物體之間在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的信息共享服務(wù)2014年5月，IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布了《5G愿景與需求》白皮書，其中展望了未來(lái)5G的整體愿景，并且討論了5G網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)5G將面對(duì)以人為中心與以機(jī)器為中心的通信共存，以及各類具有差異化特征的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用共存的局面，這樣就對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)：超高的用戶體驗(yàn)速率；超低的傳輸延時(shí)；超高的用戶密度；超高的移動(dòng)速度；海量的終端連接未來(lái)5G的整體愿景562.1.35G的定義增強(qiáng)移動(dòng)寬帶不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求對(duì)移動(dòng)寬帶提出更高的要求，這樣促進(jìn)增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（enhanceMobileBroadband，eMBB）出現(xiàn)。eMBB應(yīng)用場(chǎng)景在現(xiàn)有移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上增加新的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)也進(jìn)一步提升性能與提供無(wú)縫用戶體驗(yàn)。eMBB應(yīng)用場(chǎng)景主要面向以人為中心的通信eMBB應(yīng)用場(chǎng)景分為兩類場(chǎng)景：廣覆蓋場(chǎng)景和熱點(diǎn)場(chǎng)景。其中，廣覆蓋場(chǎng)景是移動(dòng)通信的廣域覆蓋模式，致力于提供更高的移動(dòng)性、無(wú)縫的用戶體驗(yàn)，但對(duì)傳輸速率的要求低于熱點(diǎn)場(chǎng)景；熱點(diǎn)場(chǎng)景滿足局部區(qū)域內(nèi)大量用戶接入與高速傳輸需求，致力于提供更高的用戶密度、更大的業(yè)務(wù)容量，但對(duì)移動(dòng)性的要求低于廣覆蓋場(chǎng)景57大規(guī)模機(jī)器類通信大規(guī)模機(jī)器類通信（massiveMachineTypeofCommunication，mMTC）是5G新拓展的應(yīng)用場(chǎng)景，涵蓋了以人為中心的通信和以機(jī)器為中心的通信。其中，以人為中心的通信主要是3D游戲、觸覺(jué)互聯(lián)網(wǎng)等，這類應(yīng)用的特點(diǎn)是低延時(shí)與超高數(shù)據(jù)傳輸速率以機(jī)器為中心的通信主要面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，為海量接入、小數(shù)據(jù)包、低成本、低能耗設(shè)備提供有效連接方式。mMTC應(yīng)用場(chǎng)景關(guān)注接入密度、覆蓋范圍、設(shè)備能耗、部署成本等方面的指標(biāo)58超可靠低延時(shí)通信超可靠低延時(shí)通信（ultra-ReliableLowLatencyCommunication，uRLLC）是以機(jī)器為中心的通信，主要用于滿足車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、智能醫(yī)療等行業(yè)的特殊應(yīng)用對(duì)超高可靠性、超低延時(shí)的通信需求超低延時(shí)與超高可靠性指標(biāo)同等重要，例如車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的傳感器監(jiān)測(cè)到道路危險(xiǎn)情況，如果傳感器數(shù)據(jù)或控制指令的消息傳輸延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，或控制指令在處理或傳輸過(guò)程中丟失，有可能導(dǎo)致車輛無(wú)法及時(shí)做出制動(dòng)等控制動(dòng)作，進(jìn)而釀成車毀人亡的重大交通事故595G主要應(yīng)用的分布情況602.1.45G性能指標(biāo)61從用戶角度對(duì)5G關(guān)鍵指標(biāo)的感性認(rèn)知622.1.55G技術(shù)特征63大規(guī)模天線技術(shù)大規(guī)模天線技術(shù)是在現(xiàn)有多天線技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加天線數(shù)量來(lái)提高無(wú)線信道的空間分辨率，使多個(gè)用戶可以在同一頻率資源上與基站進(jìn)行通信，在不增加基站密度與信道帶寬的同時(shí)，能夠大幅度提升無(wú)線信道的頻譜效率大規(guī)模天線技術(shù)還具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是將波束集中在很窄范圍內(nèi)，有效降低干擾；二是大幅度降低發(fā)射功率，有效減少設(shè)備能耗無(wú)線頻譜技術(shù)由于3GHz以下頻段具有良好的信號(hào)傳播能力，因此當(dāng)前已有的移動(dòng)通信網(wǎng)主要工作在該頻段范圍內(nèi)為了適應(yīng)未來(lái)移動(dòng)通信對(duì)無(wú)線頻段的要求，5G網(wǎng)絡(luò)需要利用高頻段（如厘米波頻段）甚至超高頻段（如毫米波頻段）。由于高頻段具有較高的路徑傳播損耗，因此它更適用于視距范圍內(nèi)的短距離通信低頻段的深入利用、離散頻段的聚合與非授權(quán)頻段的使用，這些方案也可以用于滿足頻譜資源需求64超密集組網(wǎng)技術(shù)在提升移動(dòng)通信網(wǎng)的系統(tǒng)容量時(shí)，最有效的方案是減小小區(qū)半徑從而增加頻譜資源復(fù)用傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)通常采用分裂小區(qū)來(lái)減小小區(qū)半徑，但是隨著小區(qū)覆蓋范圍的進(jìn)一步縮小，小區(qū)分裂將很難執(zhí)行，需要在熱點(diǎn)區(qū)域部署低功率小基站（包括小小區(qū)基站、微小區(qū)基站、微微小區(qū)基站等），這樣形成了超密集網(wǎng)絡(luò)（UltraDenseNetwork，UDN）在超密集網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，系統(tǒng)容量隨著小區(qū)密度增加而呈線性增長(zhǎng)。超密集網(wǎng)絡(luò)縮短了基站與移動(dòng)終端之間距離，有助于緩解高頻段傳輸損耗較高的問(wèn)題652.25G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)2.2.1歐盟METIS架構(gòu)歐盟的“構(gòu)建2020信息社會(huì)的移動(dòng)與無(wú)線通信（METIS）”是早期典型的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，給出了未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的整體邏輯架構(gòu)及一些相關(guān)的概念METIS功能架構(gòu)定義了4個(gè)高層組件：中心管理實(shí)體、無(wú)線節(jié)點(diǎn)管理組件、空口管理組件與可靠性業(yè)務(wù)組件中心管理實(shí)體負(fù)責(zé)提供5G網(wǎng)絡(luò)的主要功能，包括上下文管理、頻譜管理、新網(wǎng)絡(luò)接口端點(diǎn)等模塊。無(wú)線節(jié)點(diǎn)管理組件負(fù)責(zé)提供無(wú)線節(jié)點(diǎn)管理功能，包括移動(dòng)性管理、無(wú)線資源優(yōu)化分配、干擾識(shí)別與預(yù)測(cè)、D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)等?？湛诠芾斫M件提供對(duì)各類節(jié)點(diǎn)或業(yè)務(wù)的空口管理功能，包括普通終端、MN節(jié)點(diǎn)、M2M節(jié)點(diǎn)、D2D節(jié)點(diǎn)、UDN業(yè)務(wù)等662.2.2NGMN的5G架構(gòu)下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（NGMN）是以電信運(yùn)營(yíng)商為主導(dǎo)的國(guó)際組織，致力于推動(dòng)5G技術(shù)的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2015年2月，NGMN對(duì)外發(fā)布了《NGMN5G白皮書》，詳細(xì)闡述了5G設(shè)計(jì)原則與5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中，5G設(shè)計(jì)原則主要涉及4個(gè)方面：無(wú)線、核心網(wǎng)、端到端以及運(yùn)維管理NGMN的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括三個(gè)層次（基礎(chǔ)設(shè)施資源層、業(yè)務(wù)使能層與業(yè)務(wù)應(yīng)用層）與一個(gè)實(shí)體（端到端管理與編排）。其中，基礎(chǔ)設(shè)施資源層包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如移動(dòng)通信網(wǎng)的接入節(jié)點(diǎn)、云節(jié)點(diǎn)等）、終端設(shè)備（如智能手機(jī)、可穿戴計(jì)算設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)終端、CPE等）、通信鏈路等。業(yè)務(wù)使能層包括支持5G應(yīng)用或服務(wù)的各種功能模塊，例如CP功能、UP功能、RAT配置、統(tǒng)計(jì)信息等。業(yè)務(wù)應(yīng)用層包括5G網(wǎng)絡(luò)提供的具體應(yīng)用及服務(wù)，它們可來(lái)自電信運(yùn)營(yíng)商、服務(wù)提供商、軟件開發(fā)商或第三方672.2.3IMT-2020的5G架構(gòu)2015年2月，IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布了《5G概念白皮書》，其中給出5G網(wǎng)絡(luò)概念框架。這種5G架構(gòu)包括接入云、控制云與轉(zhuǎn)發(fā)云等三個(gè)域，它通常被稱為“三朵云”架構(gòu)。中國(guó)電信提出“三朵云”架構(gòu)原型及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與部署方面考慮接入云支持多種無(wú)線制式的接入手段，融合集中式與分布式無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)，適應(yīng)多種類型的回傳鏈路，實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)部署與高效資源管理?？刂圃茖?shí)現(xiàn)全局或局部的會(huì)話控制、移動(dòng)性管理與QoS保證，并構(gòu)建面向業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)能力開放接口，滿足業(yè)務(wù)的差異化需求與提升業(yè)務(wù)的部署效率。轉(zhuǎn)發(fā)云基于通用網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，在控制云提供的網(wǎng)絡(luò)控制與資源調(diào)度下，實(shí)現(xiàn)海量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高可靠、低延時(shí)傳輸68IMT-2020的5G網(wǎng)絡(luò)概念框架692.2.44G與5G架構(gòu)的區(qū)別4G網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)完全由3GPP定義，主要支持智能手機(jī)的寬帶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。4G架構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)概念與技術(shù)演進(jìn)過(guò)程，從以語(yǔ)音為主的電話交換網(wǎng)過(guò)渡到數(shù)據(jù)交換的全I(xiàn)P網(wǎng)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也在向扁平化的方向發(fā)展5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)多樣性遠(yuǎn)超過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)比4G更靈活、高效的新型架構(gòu)。在業(yè)務(wù)需求與技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用了SDN與NFV的設(shè)計(jì)原則。在不同國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)提出的5G架構(gòu)中，不約而同都采納軟件定義的設(shè)計(jì)思想702.35G接入網(wǎng)技術(shù)2.3.1無(wú)線接入網(wǎng)發(fā)展1G/2G/3G網(wǎng)絡(luò)多數(shù)采用非協(xié)作型結(jié)構(gòu)，每個(gè)小區(qū)核心是一個(gè)基站（BaseStation，BS）4G網(wǎng)絡(luò)開始將小區(qū)的主基站稱為宏基站，將小基站、微基站、微微基站、家庭基站、分布式天線系統(tǒng)等各種低功率節(jié)點(diǎn)部署在宏基站覆蓋范圍內(nèi)，構(gòu)成分層的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)（HeterogeneousNetwork，HetNet），這種部署方式被稱為協(xié)作型結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的宏基站負(fù)責(zé)滿足基本通信需求，而低功率節(jié)點(diǎn)主要用于覆蓋盲區(qū)及滿足熱點(diǎn)區(qū)域的高速傳輸需求71云無(wú)線接入網(wǎng)2009年，中國(guó)移動(dòng)提出了云無(wú)線接入網(wǎng)（CloudRadioAccessNetwork，C-RAN）架構(gòu)方案。C-RAN在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就重視4個(gè)內(nèi)涵：節(jié)能減排、集中處理、協(xié)作式無(wú)線電與采用云技術(shù)的軟硬件平臺(tái)隨著5G技術(shù)的逐步成熟與廣泛應(yīng)用，研究人員開始認(rèn)識(shí)到：只有采用NFVSDN的基本思路，并將無(wú)線接入與云計(jì)算、邊緣計(jì)算相融合，才能解決5G面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的大規(guī)模接入，以及低延時(shí)、低能耗、高擴(kuò)展的需求近年來(lái)，中國(guó)移動(dòng)在C-RAN方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出異構(gòu)云無(wú)線接入網(wǎng)（Heterogeneous-CRAN，H-CRAN）的組網(wǎng)方案72基站（BaseStation，BS）是無(wú)線接入網(wǎng)的組成部分，由基帶處理單元（BaseBandUnit，BBU）、遠(yuǎn)端射頻單元（RemoteRadioUnit，RRU）與天線組成。每個(gè)基站連接多個(gè)扇區(qū)的天線，每個(gè)天線覆蓋一片區(qū)域732.3.2基站技術(shù)發(fā)展基站的分類宏基站（MacroBS）是電信運(yùn)營(yíng)商的主基站，信號(hào)全向覆蓋，發(fā)射功率較大，傳輸距離較遠(yuǎn)，一般在35km左右，適用于郊區(qū)業(yè)務(wù)分散的地區(qū)小基站（MetroBS）、微基站（MicroBS）多用于市區(qū)熱點(diǎn)區(qū)域，信號(hào)定向覆蓋，發(fā)射功率較小，傳輸距離較近，一般小于2km微微基站（PicoBS）多用于填補(bǔ)市區(qū)熱點(diǎn)區(qū)域的盲區(qū)，信號(hào)定向覆蓋，發(fā)射功率很小，傳輸距離很近，一般小于500m家庭基站（FemtoBS）多用于家庭或辦公室，信號(hào)定向覆蓋，發(fā)射功率極小，傳輸距離很近，一般小于50m742.3.3云無(wú)線接入網(wǎng)C-RANC-RAN借鑒了云計(jì)算的虛擬化技術(shù)，以具有高性能計(jì)算與存儲(chǔ)能力的計(jì)算機(jī)構(gòu)成虛擬基站集群，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)重構(gòu)云計(jì)算為SDN/NFV重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供了容器與資源池。經(jīng)過(guò)重構(gòu)后的網(wǎng)絡(luò)性能獲得提升，為云計(jì)算快速、靈活的用戶接入及廣泛的服務(wù)，提供了更好的運(yùn)行環(huán)境C-RAN的設(shè)計(jì)思想：通過(guò)無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)各類基站的靈活部署與協(xié)同工作，利用云計(jì)算與SDN/NFV的協(xié)同與融合，為虛擬基站集群提供計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，構(gòu)建一個(gè)開放與可擴(kuò)展的無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)75C-RAN架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍需要擴(kuò)大時(shí)，運(yùn)營(yíng)商僅需在遠(yuǎn)端中增加新的RRU，就可以迅速部署并擴(kuò)大覆蓋范圍當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時(shí)，運(yùn)營(yíng)商僅需在基帶池中增加新的BBU，就可以迅速部署實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容與升級(jí)當(dāng)空中接口標(biāo)準(zhǔn)需要更新時(shí)，通過(guò)軟件升級(jí)方式就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)密集部署RRU，縮短RRU到用戶的距離，從而降低用戶側(cè)的發(fā)射功率，節(jié)約用戶設(shè)備的能耗，延長(zhǎng)用戶設(shè)備的使用時(shí)間基帶池中的計(jì)算資源被所有虛擬基站共享，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)用方式解決移動(dòng)通信網(wǎng)“潮汐”效應(yīng)，使通信網(wǎng)容量利用達(dá)到最優(yōu)76C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)772.4華為5G應(yīng)用場(chǎng)景2.4.1華為5G白皮書2019年2月，華為公司發(fā)表了“5G十大應(yīng)用場(chǎng)景白皮書”該白皮書的引言中有一段話：“與2G萌生數(shù)據(jù)、3G催生數(shù)據(jù)、4G發(fā)展數(shù)據(jù)不同，5G是跨時(shí)代的技術(shù)。5G除了更極致的體驗(yàn)和更大的容量，還將開啟物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，并滲透進(jìn)至各個(gè)行業(yè)。5G將和大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等共同迎來(lái)信息通信時(shí)代的黃金10年”78最能體現(xiàn)5G能力的十大應(yīng)用場(chǎng)景及示例云VR/AR（實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)圖像渲染和建模）車聯(lián)網(wǎng)（遠(yuǎn)控駕駛、編隊(duì)行駛、自動(dòng)駕駛）智能制造（無(wú)線機(jī)器人云端控制）智慧能源（饋線自動(dòng)化）無(wú)線醫(yī)療（具備力反饋的遠(yuǎn)程診斷）無(wú)線家庭娛樂(lè)（超高清8K視頻和云游戲）聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)（專業(yè)巡檢和安防）社交網(wǎng)絡(luò)（超高清/全景直播）個(gè)人AI輔助（AI輔助智能頭盔）智慧城市（AI使能的視頻監(jiān)控）792.4.25G應(yīng)用場(chǎng)景分析云VR/AR虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是顛覆人機(jī)交互方法的變革性技術(shù)。這種變革不僅體現(xiàn)在視頻、游戲、教育等消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域，也開始更多地出現(xiàn)在辦公、安防、廣告等商業(yè)或企業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域VR/AR業(yè)務(wù)需要大量網(wǎng)絡(luò)帶寬及存儲(chǔ)與計(jì)算能力。當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)的峰值速率為100Mbps，足以支持初級(jí)VR/AR應(yīng)用（本地VR、移動(dòng)VR、2DAR等），基本支持中級(jí)VR/AR應(yīng)用（云輔助VR、3DAR、MR等），但是難以滿足高級(jí)VR/AR應(yīng)用（云VR、云MR等）8081VR/AR應(yīng)用對(duì)5G的性能需求車聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛是指由駕駛員決定駕駛行為，可以自己駕駛車輛，也可以啟動(dòng)車輛的自動(dòng)駕駛功能。無(wú)人駕駛比自動(dòng)駕駛高一個(gè)級(jí)別。無(wú)人駕駛又稱為自主駕駛或完全自動(dòng)駕駛，例如谷歌、百度、優(yōu)步等公司的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)行駛又稱為隊(duì)列行駛。貨車的自動(dòng)編隊(duì)行駛有更好的靈活性，車輛駛?cè)敫咚俟窌r(shí)自動(dòng)編隊(duì)，離開高速公路時(shí)自動(dòng)解散。對(duì)于運(yùn)輸企業(yè)，編隊(duì)行駛可降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度、降低油耗、減少安全事故，進(jìn)而節(jié)約運(yùn)輸成本、提高運(yùn)輸效率遠(yuǎn)控駕駛是指車輛由遠(yuǎn)程控制中心的司機(jī)，而不是由車輛中的人駕駛。遠(yuǎn)控駕駛可提供高級(jí)禮賓服務(wù)，使乘客在行駛途中工作或參加會(huì)議；遠(yuǎn)控駕駛可提供出租車服務(wù)，也適用于駕駛員生病、醉酒等不適合開車的情況82車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)5G的性能需求83工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手與多自由度機(jī)器人，通常用于在機(jī)械、汽車、造船、航空制造業(yè)中代替人完成大批量、繁重、高質(zhì)量要求的工作。工業(yè)機(jī)器人被視為實(shí)現(xiàn)智能工業(yè)、智能制造的重要工具之一“無(wú)線機(jī)器人云端控制”模式可以減小機(jī)器人的體積、減少機(jī)器人與云端之間的數(shù)據(jù)通信量，同時(shí)也有助于提高機(jī)器人的功能與性能。根據(jù)對(duì)傳輸實(shí)時(shí)性的要求不同，“無(wú)線機(jī)器人云端控制”模式可分為不同級(jí)別：軟實(shí)時(shí)、硬實(shí)時(shí)與同步實(shí)時(shí)84智能制造無(wú)線機(jī)器人控制對(duì)5G的性能需求85智能電網(wǎng)通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程的異常，快速隔離故障，具有自愈能力，防止電網(wǎng)大規(guī)模崩潰，減少供電中斷電力公司研發(fā)輸電線路巡檢與絕緣子檢測(cè)機(jī)器人，通過(guò)各種傳感器（溫度、濕度、振動(dòng)、傾斜、距離、應(yīng)力、紅外、視頻傳感器等），檢測(cè)輸電線路與桿塔覆冰、振動(dòng)、弧垂、風(fēng)偏、傾斜，甚至是人為破壞饋線自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、可靠性等有很高要求。當(dāng)通信網(wǎng)的端-端延時(shí)小于10ms時(shí)，整個(gè)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)可在100ms內(nèi)隔離故障區(qū)域，這樣將會(huì)大幅度降低整個(gè)輸電網(wǎng)的能源浪費(fèi)86智慧能源饋線自動(dòng)化對(duì)5G的性能需求87遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控可持續(xù)監(jiān)測(cè)老人、兒童、慢性病患者等群體的人體生理參數(shù)，附著在人體的便攜式醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備可以將被監(jiān)控對(duì)象的心率、血壓等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給醫(yī)生。醫(yī)生可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)對(duì)象的身體狀況，及時(shí)做出健康指導(dǎo)、緊急救護(hù)等醫(yī)療行為在遠(yuǎn)程診斷方案中，邊遠(yuǎn)地區(qū)醫(yī)院的超聲波（B超）機(jī)器人將掃描圖像遠(yuǎn)程傳送到?？漆t(yī)院，由醫(yī)學(xué)專家來(lái)提出臨床診斷意見，有利于提高醫(yī)療效果與降低就醫(yī)成本。目前，遠(yuǎn)程超聲波、內(nèi)窺鏡機(jī)器人等智能醫(yī)療設(shè)備已達(dá)到可商用程度88無(wú)線醫(yī)療無(wú)線醫(yī)療對(duì)5G的性能需求89智慧城市擁有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢灾鲃?dòng)而不是被動(dòng)地應(yīng)對(duì)城市居民和企業(yè)的需求。為了成為一個(gè)智慧城市，市政當(dāng)局不僅需要感知城市脈搏的數(shù)據(jù)傳感器，還需要用于監(jiān)控交通流量和社區(qū)安全的視頻攝像頭城市視頻監(jiān)控是一個(gè)有價(jià)值的工具，它不僅提高了安全性，而且大大提高了企業(yè)和機(jī)構(gòu)的工作效率。在成本可接受的前提下，攝像頭數(shù)據(jù)收集和分析技術(shù)進(jìn)一步推動(dòng)了視頻監(jiān)控需求的增長(zhǎng)90智慧城市912.4.3AIoT與5G的關(guān)系隨著物聯(lián)網(wǎng)的人與物、物與物互聯(lián)的范圍擴(kuò)大，智能家居、智能工業(yè)、智能環(huán)保、智能醫(yī)療、智能交通應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)以億計(jì)的感知與控制設(shè)備、智能機(jī)器人、可穿戴計(jì)算設(shè)備、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、無(wú)人機(jī)接入物聯(lián)網(wǎng)AIoT涵蓋智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能交通、智能醫(yī)療、智能電網(wǎng)等各個(gè)行業(yè)，特點(diǎn)是業(yè)務(wù)類型多、業(yè)務(wù)需求差異大。在智能工業(yè)的工業(yè)機(jī)器人與工業(yè)控制系統(tǒng)中，各節(jié)點(diǎn)之間的感知數(shù)據(jù)與控制指令傳輸必須可靠，延時(shí)必須控制在ms量級(jí)，否則會(huì)造成工業(yè)生產(chǎn)事故922.55G-Advanced演進(jìn)2.5.15G-Advanced發(fā)展背景2020年11月，華為公司在第11屆移動(dòng)寬帶論壇（MBBF）上提出5G持續(xù)演進(jìn)的倡議，期待與產(chǎn)業(yè)界面向新的需求共同定義5G持續(xù)演進(jìn)愿景在傳統(tǒng)5G三大場(chǎng)景基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索三個(gè)新場(chǎng)景：上行超寬帶通信（UplinkCentricBroadbandCommunication，UCBC）、實(shí)時(shí)寬帶通信（Real-TimeBroadbandCommunication，RTBC）與通信感知融合（HarmonizedCommunicationandSensing，HCS）932.5.25G-Advanced關(guān)鍵技術(shù)廣域確定性網(wǎng)絡(luò)有限頻率資源、信道時(shí)變性及業(yè)務(wù)到達(dá)隨機(jī)性，導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)難以有效保障這些應(yīng)用的確定性QoS需求。確定性網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸精細(xì)化控制，保障確定性、低延時(shí)、低抖動(dòng)、大帶寬、高可靠等QoS指標(biāo)，以達(dá)到可預(yù)期、可規(guī)劃的通信服務(wù)質(zhì)量大上行網(wǎng)絡(luò)對(duì)于智慧車聯(lián)、有源物聯(lián)等應(yīng)用場(chǎng)景，其對(duì)上行業(yè)務(wù)容量與覆蓋提出了巨大挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)大上行網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)包括：上行智選頻譜接入、基站聯(lián)合解算與多頻超寬帶（AAU）94通感一體通感一體是5G-Advanced階段的新發(fā)展方向，涉及無(wú)人機(jī)監(jiān)控、智慧交通、智慧工廠等場(chǎng)景。通感融合能夠?qū)崿F(xiàn)通信與感知的共設(shè)備、共頻譜、共空口與共站址部署，為5G網(wǎng)絡(luò)衍生出具有競(jìng)爭(zhēng)力的感知能力無(wú)源物聯(lián)無(wú)源物聯(lián)技術(shù)可支持終端免電池工作，是未來(lái)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)達(dá)成千億規(guī)模使能技術(shù)，在工業(yè)、電力、物流、醫(yī)療等行業(yè)數(shù)字化領(lǐng)域有良好應(yīng)用前景。為了支持終端通過(guò)環(huán)境能量采集供電，無(wú)源物聯(lián)終端的工作功耗比現(xiàn)有LPWA終端降低100倍，達(dá)到1毫瓦以下95全頻譜融合與解耦全頻譜融合與解耦技術(shù)能夠?qū)⒉煌l段的多個(gè)載波從物理與邏輯上變成一個(gè)載波，實(shí)現(xiàn)基于全頻段的極簡(jiǎn)化、大容量、高體驗(yàn)的5G網(wǎng)絡(luò)更大規(guī)模天線陣列對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模多輸入多輸出天線（MassiveMIMO，MM），其覆蓋能力已經(jīng)難以在高頻段達(dá)到邊緣用戶的體驗(yàn)速率目標(biāo)。5G-Advanced將走向超大規(guī)模天線陣列（ExtremelyLargeApertureArrayMassiveMIMO，ELAA-MM），實(shí)現(xiàn)10dB+的上行、下行覆蓋能力提升96綠色節(jié)能綠色節(jié)能是大幅降低5G部署與運(yùn)維成本，支撐可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)通信業(yè)務(wù)在時(shí)域、頻域、空域、功率等維度的分布特征，以及5G網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)變化的實(shí)際情況，在保證預(yù)定的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的前提下，利用性能接近無(wú)損的多維度智能化節(jié)能（MxE）機(jī)制，實(shí)現(xiàn)5G-Advanced能耗增幅遠(yuǎn)低于業(yè)務(wù)量增幅的發(fā)展目標(biāo)靈活雙工靈活雙工能夠突破傳統(tǒng)TDD與FDD雙工技術(shù)的邊界，融合兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，柔性分配上行、下行空口資源，提升上行覆蓋與降低空口延時(shí)本章總結(jié)5G三大應(yīng)用場(chǎng)景包括：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶通信（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）與超可靠低延時(shí)通信（uRLLC）5G關(guān)鍵性能指標(biāo)主要包括：用戶體驗(yàn)速率、峰值速率、延時(shí)、移動(dòng)性、連接密度、流量密度、設(shè)備能耗、頻譜效率等IMT-2020的5G架構(gòu)包括接入云、控制云與轉(zhuǎn)發(fā)云等三個(gè)域，它是基于SDN、NFV與云計(jì)算技術(shù)，并且更智能、靈活與開放的移動(dòng)通信網(wǎng)97本章總結(jié)云無(wú)線接入網(wǎng)（C-RAN）體現(xiàn)了采用SDN、NFV與云計(jì)算技術(shù)改造無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)的技術(shù)路線AIoT超高帶寬、超高可靠性與超低延時(shí)的實(shí)時(shí)性應(yīng)用需要5G技術(shù)的支持5G-Advanced將支撐5G應(yīng)用規(guī)模增長(zhǎng)與數(shù)字化創(chuàng)新，保護(hù)已有的5G投資，通過(guò)持續(xù)豐富業(yè)務(wù)場(chǎng)景與增強(qiáng)能力將5G推進(jìn)到新階段9899謝謝！

wuying@5G技術(shù)與應(yīng)用

100第3章MEC技術(shù)概論101102學(xué)習(xí)要求理解邊緣計(jì)算的基本概念了解AIoT對(duì)MEC的需求理解MEC技術(shù)架構(gòu)理解MEC、Cloudlet與霧計(jì)算的區(qū)別了解5GMEC的部署策略了解MEC開源平臺(tái)及軟件3.1邊緣計(jì)算的基本概念3.1.1從云計(jì)算到移動(dòng)云計(jì)算云計(jì)算（CloudComputing，CC）是一種分布式計(jì)算技術(shù)。2006年，Google公司在搜索引擎大會(huì)（SES）首次提出了云計(jì)算的概念從網(wǎng)絡(luò)的角度，云計(jì)算是一種提供計(jì)算資源的網(wǎng)絡(luò)，用戶可隨時(shí)獲取“云”上的資源，按需求量付費(fèi)使用，并且這些資源可看成無(wú)限擴(kuò)展的根據(jù)NIST的定義：云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的運(yùn)營(yíng)模式，提供支持泛在接入、按需使用、靈活配置的計(jì)算資源池103規(guī)模龐大：大型云平臺(tái)可能有數(shù)百萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，企業(yè)的私有云通常有幾千臺(tái)服務(wù)器，為用戶提供強(qiáng)大計(jì)算和存儲(chǔ)能力高可靠性：云平臺(tái)是基于分布式服務(wù)器集群結(jié)構(gòu)，引入多副本策略和節(jié)點(diǎn)同構(gòu)互換的容錯(cuò)機(jī)制，確保云平臺(tái)高可靠性高可擴(kuò)展性：云平臺(tái)可根據(jù)用戶需求分配資源。如果用戶需求增大，隨時(shí)增加資源；如果用戶需求減小，隨時(shí)釋放資源虛擬化：云平臺(tái)通過(guò)虛擬化技術(shù)將計(jì)算、存儲(chǔ)資源整合成統(tǒng)一的共享資源池，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度和部署，為用戶提供服務(wù)網(wǎng)云一體：網(wǎng)絡(luò)能力與云平臺(tái)資源深度融合，利用SDN/NFV將網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用、云計(jì)算與用戶連接，提供靈活網(wǎng)云一體服務(wù)104云計(jì)算的特點(diǎn)105云計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure-as-a-Service，IaaS）：用戶僅租用云平臺(tái)提供的基礎(chǔ)設(shè)施，用戶自己在云中安裝操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟件，自己開發(fā)應(yīng)用軟件并在云中運(yùn)行，對(duì)外提供某種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)即服務(wù)（Platform-as-a-Service，PaaS）：用戶租用云平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施，云平臺(tái)為用戶在云中安裝好操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟件，用戶自己開發(fā)應(yīng)用軟件并在云中運(yùn)行，對(duì)外提供某種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)軟件即服務(wù)（Software-as-a-Service，SaaS）：用戶租用云平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施，云平臺(tái)為用戶在云中安裝好操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟件，按客戶要求開發(fā)應(yīng)用軟件并在云中運(yùn)行，對(duì)外提供某種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)106云平臺(tái)的服務(wù)模式從提供服務(wù)范圍的角度，云平臺(tái)可以分為4種類型：對(duì)普通公眾提供服務(wù)的公有云，僅對(duì)企業(yè)內(nèi)部用戶提供服務(wù)的私有云，用于滿足特定行業(yè)需求的社區(qū)云，以及涉及多種云服務(wù)共用的混合云從提供服務(wù)類型的角度，云平臺(tái)可以分為3種類型：以數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)為主的計(jì)算云，以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)業(yè)務(wù)為主的存儲(chǔ)云，以及兼顧計(jì)算與存儲(chǔ)業(yè)務(wù)的綜合云107云平臺(tái)的不同類型移動(dòng)云計(jì)算的概念108移動(dòng)云計(jì)算是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算技術(shù)相互融合的產(chǎn)物，它是云計(jì)算應(yīng)用模式在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的自然延伸和發(fā)展移動(dòng)云計(jì)算的定義：移動(dòng)終端設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)遠(yuǎn)程的云計(jì)算中心，基于按需使用、易于擴(kuò)展的原則，從云端獲取所需的計(jì)算、存儲(chǔ)、軟件等資源的服務(wù)模式移動(dòng)終端設(shè)備可看成云計(jì)算中心的瘦客戶端，數(shù)據(jù)從移動(dòng)終端遷移到云端完成計(jì)算與存儲(chǔ)，這樣就形成“端-云”的兩級(jí)結(jié)構(gòu)移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)109傳感器移動(dòng)云

計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1103.1.2從邊緣計(jì)算到移動(dòng)邊緣計(jì)算隨著智能工業(yè)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等實(shí)時(shí)性應(yīng)用出現(xiàn)，它們提出了超高帶寬、超低延時(shí)、超高可靠性等要求。在這樣的背景下，邊緣計(jì)算（EdgeComputing，EC）的概念應(yīng)運(yùn)而生邊緣計(jì)算最早可追溯至1998年Akamai公司提出內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（ContentDeliveryNetwork，CDN），它是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的緩存網(wǎng)絡(luò)，依靠部署在各地的緩存服務(wù)器，通過(guò)中心平臺(tái)的負(fù)載均衡、內(nèi)容分發(fā)、調(diào)度模塊，將用戶訪問(wèn)指向距離最近的緩存服務(wù)器，以降低網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高用戶訪問(wèn)響應(yīng)速度與命中率111邊緣計(jì)算的概念邊緣計(jì)算是一種將計(jì)算、存儲(chǔ)資源節(jié)點(diǎn)部署在靠近移動(dòng)終端或無(wú)線傳感器網(wǎng)邊緣的計(jì)算模式邊緣計(jì)算中的“邊緣”是相對(duì)的，泛指從數(shù)據(jù)源經(jīng)過(guò)核心交換網(wǎng)到遠(yuǎn)端的云計(jì)算中心路徑中的任意一個(gè)或多個(gè)計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)資源節(jié)點(diǎn)邊緣計(jì)算的核心思想是“計(jì)算應(yīng)該更靠近數(shù)據(jù)源，更貼近用戶”。因此，邊緣計(jì)算中的“邊緣”是相對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)中的云計(jì)算中心而言邊緣計(jì)算中的“貼近”表示數(shù)據(jù)源與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的“網(wǎng)絡(luò)距離”近。這樣就可以在小的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，保證網(wǎng)絡(luò)帶寬、延時(shí)與延時(shí)抖動(dòng)等不穩(wěn)定因素的可控112移動(dòng)邊緣計(jì)算的概念1132013年，移動(dòng)邊緣計(jì)算（MobileEdgeComputing，MEC）的概念出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，IBM與NokiaSiemens公司共同推出一款計(jì)算平臺(tái)，在無(wú)線基站內(nèi)運(yùn)行應(yīng)用程序向移動(dòng)用戶提供業(yè)務(wù)2015年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）發(fā)布邊緣計(jì)算白皮書“MobileEdgeComputing–IntroductionTechnicalWhitePaper”，介紹邊緣計(jì)算概念與相關(guān)市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素，并討論該技術(shù)提供的業(yè)務(wù)、消費(fèi)者、技術(shù)價(jià)值及收益2017年，ETSI將MEC擴(kuò)展為多接入邊緣計(jì)算（Multi-AccessEdgeComputing，MEC），將邊緣計(jì)算從蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)延伸到其他無(wú)線接入網(wǎng)（例如Wi-Fi）移動(dòng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1143.1.3移動(dòng)邊緣計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景智能網(wǎng)聯(lián)汽車與自動(dòng)駕駛智慧城市與公共安全監(jiān)控工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)智能家居應(yīng)用1153.2MEC技術(shù)架構(gòu)3.2.1MEC標(biāo)準(zhǔn)化工作2014年10月，ETSI成立了MEC行業(yè)規(guī)范工作組，開始關(guān)注MEC方面的研究工作2015年9月，ETSI發(fā)布了“MEC技術(shù)介紹白皮書”，主要涉及MEC定義、場(chǎng)景應(yīng)用、平臺(tái)架構(gòu)、使能技術(shù)、部署方案等內(nèi)容。此后，ETSI正式啟動(dòng)了MEC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作。2017年3月，ETSI提出將移動(dòng)邊緣計(jì)算擴(kuò)展為多接入邊緣計(jì)算，并將相關(guān)工作組改名為多接入邊緣計(jì)算，以便滿足MEC的應(yīng)用需求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定116其他MEC標(biāo)準(zhǔn)化組織2015年11月，普林斯頓大學(xué)、Cisco、ARM、Intel、Microsoft等成立了開放霧（openfog）聯(lián)盟，致力于推進(jìn)霧技術(shù)與應(yīng)用場(chǎng)景在邊緣的結(jié)合2018年12月，開放霧聯(lián)盟并入了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IndustrialInternetConsortium，IIC）2016年11月，華為公司、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中國(guó)信息通信研究所、Intel、ARM等成立了邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（EdgeComputingConsortium，ECC），致力于推動(dòng)“政產(chǎn)學(xué)研用”各方產(chǎn)業(yè)資源合作，引領(lǐng)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展1173.2.2ETSI的MEC架構(gòu)2015年，ETSI發(fā)起了MEC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作。2016年，ETSI發(fā)布了3份MEC相關(guān)的技術(shù)規(guī)范。其中，第1份規(guī)范GSMEC-001主要針對(duì)MEC術(shù)語(yǔ)進(jìn)行規(guī)范化，涵蓋了MEC的概念、架構(gòu)、功能單元的相關(guān)術(shù)語(yǔ)；第2份規(guī)范GSMEC-002給出了MEC在平臺(tái)互通與部署方面的技術(shù)要求及用例；第3份規(guī)范GSMEC-003提供了MEC參考架構(gòu)、接口、功能單元與模塊。另外，ETSI還定義了MEC服務(wù)場(chǎng)景（GSMEC-004）、MEC概念驗(yàn)證框架（GSMEC-005）、MEC性能指標(biāo)指南（GSMEC-006）、MEC平臺(tái)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)（GSMEC-011）、MEC網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)API（GSMEC-012）等。2017年底，MEC標(biāo)準(zhǔn)化第1階段任務(wù)完成；2018年9月，MEC標(biāo)準(zhǔn)化第2階段任務(wù)完成118ETSI的MEC參考架構(gòu)1193.2.33GPP的MEC架構(gòu)第三代合作伙伴計(jì)劃（3rdGenerationPartnershipProject，3GPP）作為當(dāng)前影響力最大的電信標(biāo)準(zhǔn)化組織，也將MEC列入未來(lái)5G時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)。在3GPP系統(tǒng)架構(gòu)（SystemArchitecture，SA）的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中，將MEC的需求作為重要設(shè)計(jì)因素2016年4月，3GPP的SA2工作組在R15中接受MEC成為5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵議題。2017年4月，SA2工作組在R14中定義了基于控制面與用戶面分離的5G服務(wù)化架構(gòu)，并給出了針對(duì)MEC的流量疏導(dǎo)方案與業(yè)務(wù)連續(xù)性方案1205G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改進(jìn)5G會(huì)將4G核心網(wǎng)中固化在同一網(wǎng)元內(nèi)的不同功能剝離，重組成專注于特定功能的不同模塊4G核心網(wǎng)由移動(dòng)管理實(shí)體（MobilityManagementEntity，MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（ServingGateway，S-GW）、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（PacketDataNetworkGateway，P-GW）等網(wǎng)元組成5G核心網(wǎng)將MME分解為會(huì)話管理功能（SessionManagementFunction，SMF）、接入與移動(dòng)性管理功能（AccessandMobilityManagementFunction，AMF）等。5G核心網(wǎng)以用戶面功能（UserPlaneFunction，UPF）代替S-GW與P-GW承擔(dān)路由功能1214G到5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化1223GPP的MEC參考架構(gòu)1233.3MEC關(guān)鍵技術(shù)3.3.1虛擬化技術(shù)虛擬化技術(shù)通過(guò)軟件方式將計(jì)算機(jī)資源分割成多個(gè)獨(dú)立、相互隔離的實(shí)體，稱為虛擬機(jī)（VirtualMachine，VM），每個(gè)虛擬機(jī)都具有一個(gè)特定操作系統(tǒng)的特征一臺(tái)運(yùn)行虛擬化軟件的主機(jī)能夠在一個(gè)硬件平臺(tái)上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，而在每個(gè)操作系統(tǒng)上又能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序124虛擬機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)125硬件輔助虛擬化：在硬件芯片上支持虛擬化的模式，將虛擬機(jī)管理器嵌入硬件電路中，通過(guò)在主機(jī)中創(chuàng)建硬件虛擬機(jī)來(lái)仿真所需的硬件。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行效率高，缺點(diǎn)是嚴(yán)重依賴于硬件芯片完全虛擬化：對(duì)物理主機(jī)硬件進(jìn)行完全虛擬化的模式，在虛擬機(jī)與底層硬件之間建立一個(gè)虛擬層，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)虛擬機(jī)對(duì)底層硬件資源的訪問(wèn)。這種模式不需要修改操作系統(tǒng)，其典型代表是hypervisor準(zhǔn)虛擬化技術(shù)：對(duì)物理主機(jī)硬件進(jìn)行準(zhǔn)虛擬化的模式，在虛擬機(jī)與底層硬件之間建立一個(gè)準(zhǔn)虛擬層，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)虛擬機(jī)對(duì)底層硬件資源的訪問(wèn)。這種模式需要修改操作系統(tǒng)，其典型代表是Xen126虛擬化技術(shù)的類型容器虛擬化：對(duì)應(yīng)用程序運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行虛擬化的模式，通常是在操作系統(tǒng)內(nèi)核之上劃分出相互隔離的容器，不同應(yīng)用程序運(yùn)行在不同容器中。容器虛擬化不是直接模擬物理主機(jī)，而是所有容器化的應(yīng)用程序共享操作系統(tǒng)內(nèi)核。相對(duì)于其他虛擬化方式，容器更小與更輕量級(jí)，其典型代表是Kubernetes應(yīng)用虛擬化：將應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境解耦，為每個(gè)應(yīng)用程序提供虛擬運(yùn)行環(huán)境的虛擬化模式。這種模式采用類似于虛擬終端的技術(shù)，將應(yīng)用程序的人機(jī)交互與計(jì)算邏輯加以隔離127虛擬化技術(shù)的類型3.3.2軟件定義技術(shù)云計(jì)算的主要特征是對(duì)傳統(tǒng)IT的“軟件定義”，它必然將會(huì)帶來(lái)部署、運(yùn)維及業(yè)務(wù)服務(wù)模式的巨大變革軟件定義技術(shù)主要涉及2種技術(shù)：軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SoftwareDefinedNetwork，SDN）與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NetworkFunctionsVirtualization，NFV）云計(jì)算是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的基礎(chǔ)，它為SDN/NFV重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供了容器與資源池。利用SDN/NFV技術(shù)形成的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，也需要通過(guò)云計(jì)算方式來(lái)完成部署。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)之后帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)性能提升，也為云計(jì)算的廣泛應(yīng)用提供更好的運(yùn)行環(huán)境128SDN概念開放網(wǎng)絡(luò)研究中心（ONRC）給出的定義是：SDN是一種存在邏輯上集中控制的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要特征是數(shù)據(jù)平面與控制平面分離，數(shù)據(jù)平面與控制平面之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的開放接口OpenFlow實(shí)現(xiàn)信息交互開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)（ONF）給出的定義是：SDN是一種支持動(dòng)態(tài)、彈性管理，實(shí)現(xiàn)高帶寬、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的理想結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，抽象出數(shù)據(jù)平面網(wǎng)絡(luò)資源，并支持通過(guò)統(tǒng)一的接口對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程控制129SDN工作原理SDN不是一種協(xié)議，而是一種開放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。SDN通過(guò)將傳統(tǒng)封閉的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)平面與控制平面分離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)硬件與控制軟件分離，并制定開放的標(biāo)準(zhǔn)接口，允許網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)者與網(wǎng)絡(luò)管理員通過(guò)編程來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)，將傳統(tǒng)的專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榭赏ㄟ^(guò)編程定義的標(biāo)準(zhǔn)化通用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可編程性是SDN的核心。編程人員只要掌握網(wǎng)絡(luò)控制器API的編程方法，就可以編寫控制各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（例如路由器、交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)、防火墻）程序，而無(wú)需知道設(shè)備配置命令的具體語(yǔ)法與語(yǔ)義。控制器負(fù)責(zé)將控制程序的運(yùn)行結(jié)果轉(zhuǎn)化成指令控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備130SDN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)131NFV概念ETSI給出的定義：NFV致力于改變網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)方式，通過(guò)虛擬化技術(shù)將各種網(wǎng)絡(luò)組成單元變?yōu)楠?dú)立應(yīng)用，可靈活部署在基于標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器、存儲(chǔ)、交換機(jī)構(gòu)建的統(tǒng)一平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和用戶端等各個(gè)位置的部署與配置。NFV可以將網(wǎng)絡(luò)功能軟件化，以便在業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器上運(yùn)行，軟件化的功能模塊可遷移或部署在網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)位置而無(wú)需安裝新的設(shè)備OpenStack基金會(huì)給出的定義：NFV是通過(guò)軟件與自動(dòng)化代替專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)定義、創(chuàng)建和管理網(wǎng)絡(luò)的新方式132NFV功能結(jié)構(gòu)1333.3.3計(jì)算卸載技術(shù)計(jì)算卸載作為移動(dòng)邊緣計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)之一，用于終端設(shè)備將全部或部分計(jì)算任務(wù)傳送到云平臺(tái)執(zhí)行對(duì)于計(jì)算密集型、延時(shí)敏感型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，計(jì)算卸載將應(yīng)用所需的資源提供給資源受限的移動(dòng)設(shè)備，以加快應(yīng)用程序的執(zhí)行速度并節(jié)約能量消耗，從而緩解移動(dòng)設(shè)備在計(jì)算、存儲(chǔ)能力及電池能量方面的不足134計(jì)算卸載體系邊緣計(jì)算將計(jì)算任務(wù)放在靠近應(yīng)用來(lái)源的位置，減少執(zhí)行應(yīng)用的延時(shí)與提高用戶體驗(yàn)邊緣計(jì)算通常采用的體系結(jié)構(gòu)是三層結(jié)構(gòu)，它由中心云、邊緣云（或邊緣節(jié)點(diǎn)）、移動(dòng)設(shè)備構(gòu)成。計(jì)算卸載是將計(jì)算量大的任務(wù)卸載到資源充足的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，然后從執(zhí)行節(jié)點(diǎn)取回計(jì)算結(jié)果的過(guò)程根據(jù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)與硬件類型不同，邊緣節(jié)點(diǎn)可分為以下幾種類型：微型數(shù)據(jù)中心、Cloudlet、基站，以及其他節(jié)點(diǎn)135136MEC計(jì)算卸載體系結(jié)構(gòu)卸載決策在基于MEC的計(jì)算卸載系統(tǒng)中，移動(dòng)設(shè)備由代碼解析器、系統(tǒng)解析器與決策引擎組成，執(zhí)行卸載決策通常分為3個(gè)步驟：代碼解析器負(fù)責(zé)確定卸載什么，卸載內(nèi)容取決于應(yīng)用程序類型與代碼數(shù)據(jù)；系統(tǒng)解析器負(fù)責(zé)監(jiān)控各種參數(shù)，例如可用帶寬、卸載的數(shù)據(jù)大小或執(zhí)行程序耗費(fèi)的電量；決策引擎負(fù)責(zé)確定是否卸載根據(jù)程序劃分粒度不同，卸載決策分為2類：細(xì)粒度卸載與粗粒度卸載。其中，細(xì)粒度卸載是指基于進(jìn)程或功能函數(shù)劃分的卸載決策；粗粒度卸載是指基于應(yīng)用程序或VM劃分的卸載決策。根據(jù)卸載部分確定方式，卸載決策分為2類：動(dòng)態(tài)卸載與靜態(tài)卸載。其中，靜態(tài)卸載是指在執(zhí)行卸載之前已確定需卸載的所有程序部分；動(dòng)態(tài)卸載是指根據(jù)卸載過(guò)程中的實(shí)際影響因素來(lái)動(dòng)態(tài)地規(guī)劃需卸載的部分137移動(dòng)設(shè)備的卸載決策結(jié)果138卸載決策方案的對(duì)比139資源分配計(jì)算卸載相關(guān)的資源分配通常關(guān)注計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)資源。移動(dòng)設(shè)備在計(jì)算能力方面存在局限性，隨著各種計(jì)算密集型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用出現(xiàn)，急需靠近設(shè)備的邊緣節(jié)點(diǎn)提供計(jì)算能力但是，邊緣節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力不如云計(jì)算中心強(qiáng)，它必然也存在計(jì)算能力方面的限制。如果邊緣節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力達(dá)不到任務(wù)的需求，則合理分配計(jì)算資源將有助于提高性能140資源分配方案的對(duì)比1413.4MEC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3.4.1Cloudlet技術(shù)2009年，美國(guó)的CMU提出了Cloudlet的概念。Cloudlet是一個(gè)可信并且資源豐富的主機(jī)或主機(jī)集群，它被部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣（即接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間），能夠?yàn)榻尤氲囊苿?dòng)設(shè)備提供計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)Cloudlet是比較成熟的一種MEC系統(tǒng)，將移動(dòng)計(jì)算2層“端-云”架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檫吘売?jì)算3層“端-邊-云”架構(gòu)。Cloudlet是邊緣計(jì)算與移動(dòng)云計(jì)算結(jié)合的產(chǎn)物。Cloudlet可以像云平臺(tái)一樣為移動(dòng)用戶提供服務(wù)，它又稱為“微型數(shù)據(jù)中心（DataCenterinaBox）”或“微云”、“薄云”、“小云”142143Cloudlet計(jì)算卸載系統(tǒng)2011年，霧計(jì)算（FogComputing，F(xiàn)C）概念出現(xiàn)。2012年，Cisco公司首次給出霧計(jì)算的定義：霧是由虛擬化組件構(gòu)成的分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣資源池，能夠?yàn)榇笠?guī)模傳感器網(wǎng)、智能網(wǎng)格等應(yīng)用場(chǎng)景，提供分布式資源以存儲(chǔ)與處理數(shù)據(jù)霧計(jì)算的權(quán)威定義：霧計(jì)算通過(guò)在移動(dòng)設(shè)備與云之間引入中間層來(lái)擴(kuò)展云結(jié)構(gòu)，而中間層是部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的霧服務(wù)器組成的“霧層”。霧計(jì)算避免用戶與云計(jì)算中心之間直接通信，有助于減小主干網(wǎng)的帶寬消耗與云端的計(jì)算負(fù)載。霧服務(wù)器可以與云計(jì)算中心互連，并使用云計(jì)算中心強(qiáng)大的計(jì)算能力2015年11月，Cisco、ARM、Intel、Microsoft、CMU等公司及研究機(jī)構(gòu)成立了開放霧聯(lián)盟（OpenFogConsortium，OFC），通過(guò)開發(fā)開放式架構(gòu)、分布式計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)與存儲(chǔ)等核心技術(shù)，推動(dòng)霧計(jì)算加快投入實(shí)際應(yīng)用1