基于内容中心网络的5G高速移动通信网络架构研究

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　　摘  要：该课题结合5G移动网络的发展前景和需求分析，采用了一种基于内容中心网络核心技术的5G网络体系架构，在此基础上分析了内容中心网络核心技术的5G网络体系架构组成部分及5G分组域网络通信过程，最后进行了在ndnSIM2.0仿真环境上对基于CCN技术的5G网络性能进行了测试，得出基于CCN技术的5G网络具有很好的用户体验感、延时短、抗干扰性能高、可靠性强、容量足以及传输速率快、移动特性好等特点，符合未来5G发展需求。
　　关键词：5G移动网络  ndnSIM2.0仿真  内容中心网络核心技术
　　中图分类号：TN929.5   文献标识码：A             文章编号：1672-3791（2019）05（b）-0025-02
　　1  5G移动网络的发展前景
　　考虑到人们更加追求超高移动性、连接数及流量密度的移动通信性能，当前第5代移动通信技术（Fifth-Generation，5G）已进入快速发展期，其运营智能化、功能灵活性、生态友好化、网络性能高效性更符合未来社会各界发展的需求。（1）运营智能化：5G移动网络对决策性能及智能感知实现质的飞跃，利用地理环境、系统用户喜好、终端运行情况以及网络的上下文等相关信息的监测，建立出一套最优方案，达到智能化运行、系统资源智能化分配等功能。（2）功能灵活性：能够更好地满足客户的体验感，符合当前Internet的发展要求。同时，5G系统支持通信基站的随插随用以及自动组网，从而能够灵活控制通信网络。（3）生态友好化：新一代的网络通信能够提供更加友好的生态，满足新型网络产业的网络环境需求，能够更好地与其他应用进行业务互动。同时，按照特定的市场需求建立特定的网络服务，增强移动通信网络面向用户的服务价值。（4）网络性能高效性：5G网络网速是质的飞跃，下载速度将达到1.25GB/s，用户的体验感得到升华，而且网络运营维护更加高效。
　　2  5G移动网络的社会需求分析
　　结合当前的Internet及物联网的发展需求，新一代的5G网络技术向3个方面进行发展。（1）对无线传输技术进行革新，将Internet资源的使用率能够增加至原来的10倍;（2）建立一套全新的Internet网络体系架构，将通信网络的吞吐率增加至原来的25倍;（3）网络频率资源进一步改进，移动网络通信的频率资源可达到原来的4倍及以上。当前，技术人员对新一代的Internet网络体系架构，给出了多种技术措施，如内容分发网络技术（Content Delivery Network，CDN）和软件定义网络技术（Software Defined Network，SDN）等。以上技术措施均是通过改进及优化当前基于互联网协议的Internet网络体系架构，达到5G移动技术和Internet网络无缝对接的目的。CDN技术是当前最可靠和成熟的一种技术。CDN技术在网络各个点放置节点服务器，实时监测各个网络处的流量情况、节点服务器的负载信息、体验者位置及响应时间等相关信息，利用相关信息重新给体验者分配到最佳的节点服务器上，确保体验者能够得到最佳的网络状态。但CDN技术也不能够完美地应对高速移动通信时的设备跨区切换，通信信息基于数据包等级的共享和转发等难题，因此该课题采取了一种基于内容中心网络核心技术（Content Center Network，CCN）的5G网络体系架构，已解决上述技术难题，提高网络高速移动性能。
　　3  基于CCN的5G网络体系架构
　　结合对5G网络技术环境的要求，该课题对基础网络运营平台和网络体系结构做了进一步的改进。考虑到现网络通信平台具有投资大、兼容性弱以及业务部署时间较长等缺点，5G技术通过利用Internet和NFV技术搭建一款新式的基于通用硬件的网络通信基础平台。同时，在5G网络体系架构上，采用控制功能重构与控制转发分离技术相结合建立一种网络体系架构，以符合市场发展的要求。
　　5G网络应具有延时短、抗干扰性能高、可靠性强、容量足以及传输速率快等特点，CCN架构能够很好地符合5G网络发展要求。结合原网络体系架构的特点，采用的CCN架构通过物理层、数据链路层、网络层以及应用层4个方面构成，其中网络层是利用CCN协议，另外3个部分和当前IP网络中基于互联网协议的分组数据通信模式协议相一致。应用层的数据包通过数据封装后传输至网络层，并利用CCN协议进行处理后传输至数据链路以及物理层后将信息传输出去。结合基于互联网协议的分组数据通信模式协议，在网络层中引入CCN协议，以重新建立新的网络体系结构，从而可以改善网络服务水平。
　　基于CCN技术的5G分组域网络通信过程如下：一是用户提出申请;二是将用户的Interest请求的数据信息压缩在Interest包里，同时传输到含有内容中心网络的网络层里;三是网络层在接收Interest包后，利用以数据内容为中心的核心网络技术协议转发方案和内容处理和转换过程对接收的Interest包进行处理;四是当接收的Interest请求有别于之前的数据包请求时，利用快速以太网等传输方式将相应的Interest数据包传输到数据源中;五是数据源接收的Interest数据包压缩至Data包里，Data包根据接收的Interest数据包原路径传送至用户中心。
　　4  基于CCN技术的5G网络性能测试
　　为了能够更好地测试基于CCN技术的5G网络性能，该课题采用如下硬件平台：（1）环境仿真测试环境：ndnSIM2.0平台;（2）CPU型号：带有英特尔、超高清显卡P630的英特尔至强E-2176M博锐处理器（2.7GHz基础频率、使用英特尔睿频加速技术时最高可达4.4GHz、12MB高速缓存、6核）;（3）操作系统：Windows10专业版;（4）内存：16GB（内存类型为DDR4 2666）;（5）程序语言：Python和C++;（6）测试参数设定：传输速率应达到10Gbit/s，每秒内可向数据提供者节点传输1.5万个Interest包，同時Data包负载可达到1KB。在此基础上进行基于CCN技术的5G网络性能测试，可得到以下测试结果。
　　（1）基于CCN技术的5G网络具有很好的用户体验感。相对于Data包而言，Interest包负载相对较小，从而在相等的传送速度下，数据提供者相对于数据申请者的数据传送速度要明显慢。上行方向和下行方向的传送速率分别可达到3.2M/s和12.5M/s，完全能够符合5G技术的0.1GB/s至1.25GB/s网络需求;（2）5G网络具有延时短、抗干扰性能高、可靠性强、容量足以及传输速率快等特点，CCN架构能够很好地符合5G网络发展要求;（3）当通信链路在越区切换过程中被迫中断至恢复连接期间，Data包传输受干扰时间的接近0.4s，符合综合专用数字移动通信系统规定的0.8S的抗干扰时间。因此，基于CCN技术的5G网络具备良好的移动特性。
　　5  结语
　　该课题首先对5G移动网络的发展前景和需求分析进行了分析，并采用了一种基于内容中心网络核心技术的5G网络体系架构，在此基础上分析了内容中心网络核心技术的5G网络体系架构组成部分及5G分组域网络通信过程，最后进行了基于CCN技术的5G网络性能测试，得出：基于CCN技术的5G网络具有很好的用户体验感;5G网络具有延时短、抗干扰性能高、可靠性强、容量足以及传输速率快等特点，CCN架构能够很好地符合5G网络发展要求;基于CCN技术的5G网络具备良好的移动特性。
　　参考文献
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