论文部分内容阅读
摘 要：5G通信技术与移动互联网技术正处于飞速发展中，超实时网络传输技术得到广泛关注。超实时业务在未来将呈现多样化的特征，对超实时网络传输技术提出了更高要求。下文将对5G超实时网络传输技术进行探讨分析，以期对该技术的发展提供有效方案。
关键词：5G;超实时网络传输技术;资源分配
网络与通信技术的发展为当前人们的生产生活提供了极大便利，人们的各种需求因而得到满意的服务。当前的分享经济、物联网、手机游戏、远程医疗、紧急事件远程监控等各种各样的业务都需要较低的传输时延，这类业务被称为超实时业务。当前的网络环境很难满足人们对超实时业务的需要，海量终端，大量的交互申请，让当前的计算机技术难以满足。因此，需要通过重新定义网络架构解决人们海量的超实时业务需求。在5G 环境下，超实时网络传输技术的应用有了更大实现的可能，面上5G 的超实时传输技术的研究、开发、投产是系统的、长期的工程。
一、超实时传输技术概述
随着人们生产生活需求的扩大，通讯数据将会越来越多，越来越巨大，许多超实时的场景无法满足当前需求，例如突发事件监控指挥场景，传统的传输设备，其调度方式和资源分配方式已经不能满足50 毫秒以下的时延要求。
我们对当前传输技术端到端传输的时延进行分析，最基础的端到端产生的时延包括两个部分：收发端控制面的时延和用户面的时延;非接入层控制面板的时延和用户面的时延;也就是说：
用户体验到的时延即用户发出指令后远程接收端的端到端时延=发端控制面板时延+用户面的时延+核心网络控制面的时延++骨干网络传输时的时延+接收端的寻呼时延+核心网络控制面的时延+接收端连接控制面的时延+用户面的时延[1]。
针对现有网络架构的时延产生问题，时延主要出现在终端用户处，核心网络传输过程以及无线接入端的时延，其中核心网络传输过程以及无线接入端的时延是占据较大部分的，就是这两部分的时延影响了超实时业务传输，因此需要根据这两个部分提出减少时延的办法。
目前网络环境下，以及未来的移动通信网络环境，要求我们提出更科学合理的网络架构来满足超实时传输服务，降低时延，保证服务效果。海量服务终端的情况是5G 移动网络中极为常见的情况，这些服务终端的资源如何分配和使用的问题已困扰学术界和工业生产界多年。當前的海量服务终端情况类似远程智能监控、突发事件远程监控等情况，传输的数据是同类型的并且数据量较小。综合这些问题，亟待解决的网络传输技术问题有：面对海量服务终端这一情况，网络传输架构如何设计？如何有效减少传输时延？
二、网络传输架构的合理设计
5G 系统的重要目标之一，就是降低超实时网络传输的时延，并提高传输可靠性，支持ms 级别的低时延，这也是本研究的目标。通过对超实时低时延网络架构进行建模，抽象和分类，提出面向5G 系统的传输架构，基于SDN/NFV（SoftsareDefined Network/Network Function/Virtualization）技术，该架构的设计遵循以下几个原则：基础架构与内容的解耦，控制与传输的解耦，服务端与网络的解耦[2]。
本架构基于SDN/ICN（Information Center Network）设计思想，支持接入的网络类型种类比较丰富，基于流管理数据面和控制面板，增加了信息内容的标识，由控制器来负责对数据流进行识别和分析，并对部分特殊数据流的资源管理和数据流管理决策进行管理，目标在于降低时延，创建虚电路相似的转发途径，对接入网络的通路传输和网络传输等部分存在的时延进行最大限度的控制和降低。图2 显示了超实时控制器有效管理数据流延时的流程，SDN 即软件定义网络凭借其灵活分离数据面与控制面板的拓展性极强的网络架构引起学术界的注意，SDN 提供了灵活的接口，让软件开发者的编程活动变得游刃有余，软件开发者可部署对应软件到控制面，完成对应的功能，不需要更改基本模块。所有中继设备均连接到远端控制器，无论是直接连接还是间接连接，控制器都会更改中继设备的流表项，以实现对设备和数据的控制。整个架构给予SDN 控制思想，通过控制器分配系统资源和转发业务流。
系统架构主要考量三个部分：资源的分配、预留、调度策略。资源的分配方面，首先将数据流进行分类，分为超实时数据流，实时数据流，最大努力数据流。对实时业务的带宽需求将其分为mice flow 和elephant flow。针对mice flow，选择资源预留这一方式，这类数据流的传输使用预留资源，不需要再申请资源。针对elephant flow，根据时延要求对带宽需求进行计算，根据计算进行资源分配。资源预留方式包括空口资源预留以及核心网络资源预留方式。空口资源预留针对突发性的业务进行数据直接传输，不需要再向基站申请分配资源。调度策略涉及到业务的调度和数据包的调度，不用业务类型的登记不同，采用的调度策略不同，要求级别高的业务优先分配资源，数据包的调度则用于改善接收端顺序错误造成的时延[3]。
三、网络资源分配和调度
5G 网络的资源分配和调度在统一框架下进行定义，对资源进行分配和调度的目的在于为不同业务类型分配可以满足用户需要的网络资源，提高网络资源的利用率。当用户要访问一个网络内容时，首先通过该内容的名称向网络控制发送访问要求，控制器根据业务类型分析计算出带宽需求，决定资源如何分配。整个传输路径经过的各个中继设备上都有着不同的分配原则对资源进行调度，负责不同优先级的业务流的传输资源调度。超实时业务资源分配与资源调度中，控制器负责根据业务分类进行资源分配，对于不同业务的特征将业务流氛围两个方面，从带宽需求以及延时特征将业务流分为四类。图2 展示了较长时间段内占用带宽较多的实时业务，占用时间较为离散占用带宽较多的实时业务，较长时间段内占用带宽较少的实时业务，占用时间较为离散占用带宽较少的实时业务，不同类别业务得到的网络资源不同。 基于流业务说明书定义的T SPEC（ p， M ， r，b） ，可得p， M ， r，b 值。这几个值分别是最高传输速率，系统可支持传输速率，数据包最大长度，流的数据包最大长度，由此计算超实时业务的等效带宽。
四、资源预留的方法
（一）核心网络的资源预留方式
核心网络目前的问题在于不能保证50 毫秒一下超实时业务的时延，仍然基于终端对话进行资源分配，可能造成协商信令上的时延。时延保证并非资源预留方式，仅仅采用了资源调度的策略，速录整形的策略以及队列管理的策略。针对终端对话的资源预留不能保证50 毫秒一下超实时业务的时延，因此对50 毫秒一下超实时业务重新记性业务分类，对内容进行类别划分，针对不同内容进行对应的注册和资源预留操作，解决现有技术对终端对话的资源分配策略。
核心网络资源预留方式氛围注册、资源预留、资源使用三个步骤，根据接触内容对预留资源的申请进行贷款分配，可以将核心网络资源预留分为静态资源预留和动态资源预留。核心网络资源预留的步骤为，内容注册Register——资源预留RR——资源使用RU，三个步骤构成完整资源预留方式，可依次执行。基于内容选择所分配的带宽决定采用动态资源预留方式或者静态资源预留方式。
（二）空口资源的预留方式
现有的空口资源预留方式中，未对业务和内容进行分类，统一分配资源，这样无法满足超实时突发紧急业务的时延要求。另外，当前的资源预留方式流程过多，涉及多次信令传递交互，导致超实时数据传输的时延变长。现有的资源预留方式是针对服务终端对话的方式进行分配，如果终端离线或者终端切换基站，则分配的资源会被收回重新分配，也加长了延时。针对交互信令过多造成延时的问题，超实时业务分配资源避免了资源申请过程中信令过多的问题，让紧急业务直接使用预留的资源进行数据传输，不必申请资源，节省了资源申请造成的时延。
空口资源的预留方式分三个步骤：注册，资源预留，资源使用。
注册：服务终端对超实时内容进行数据传输的请求时会判断内容是否在基站注册过，如果注册过则直接使用预留资源，否则需要在控制器端进行注册，做预留资源申请。
资源预留：对注册请求中涉及的内容进行分类，判断是否可以进行资源预留，判断内容是否在基站已经预留了资源，如果已经预留了资源，则不必重复预留，如果是需要预留资源而进行申请，则计算内容需要的带宽，通过计算结果预留相应资源，并通知服务端已经为这类内容预留了资源。
资源使用：当终端向控制器发出带宽需求时，系统首先判断这类内容是否已经预留了资源，如果预留过资源，则获取资源位置信息，直接使用已经预留的这部分资源传输数据，不需要再次进行资源申请。
空口预留资源过程中，资源预留关系到基站或者无线空口上的资源分配，各个服务终端上的不同类型的业务都在控制器的资源预留策略下预留了资源，这样各个服务终端上的超实时业务流在进行数据传输时就可以使用预留的资源而不必再次申请，节省了传输时延。
结语：随着互联网和5G 移动通信网络的普及，超实时网络传输技术的应用越来越广，广受重视与期待。学术界与工业生产企业在超实时网络传输技术上的研究投入也很大，以期找到合理的解决方案，推动超实时网络传输技术在人们生产生活中的順利使用。5G 超实时网络传输技术的研究主要在网络架构、传输协议、传输设备和资源调度方面开展。针对现有的网络协议和总体架构，仍然有很多问题需要探讨和解决，需要学术界与工业生产企业，研究人员，使用该技术的大众通力合作，创造技术力量更强的未来。
参考文献：
[1].我国首次成功实现5G 网络VR 实时制作传输测试[J].现代电视技术，2019（02）：47.
[2]本刊专题报道.我国传感器网络及智能信息处理技术取得长足进步[J].科技促进发展，2015（04）：489-495.
关键词：5G;超实时网络传输技术;资源分配
网络与通信技术的发展为当前人们的生产生活提供了极大便利，人们的各种需求因而得到满意的服务。当前的分享经济、物联网、手机游戏、远程医疗、紧急事件远程监控等各种各样的业务都需要较低的传输时延，这类业务被称为超实时业务。当前的网络环境很难满足人们对超实时业务的需要，海量终端，大量的交互申请，让当前的计算机技术难以满足。因此，需要通过重新定义网络架构解决人们海量的超实时业务需求。在5G 环境下，超实时网络传输技术的应用有了更大实现的可能，面上5G 的超实时传输技术的研究、开发、投产是系统的、长期的工程。
一、超实时传输技术概述
随着人们生产生活需求的扩大，通讯数据将会越来越多，越来越巨大，许多超实时的场景无法满足当前需求，例如突发事件监控指挥场景，传统的传输设备，其调度方式和资源分配方式已经不能满足50 毫秒以下的时延要求。
我们对当前传输技术端到端传输的时延进行分析，最基础的端到端产生的时延包括两个部分：收发端控制面的时延和用户面的时延;非接入层控制面板的时延和用户面的时延;也就是说：
用户体验到的时延即用户发出指令后远程接收端的端到端时延=发端控制面板时延+用户面的时延+核心网络控制面的时延++骨干网络传输时的时延+接收端的寻呼时延+核心网络控制面的时延+接收端连接控制面的时延+用户面的时延[1]。
针对现有网络架构的时延产生问题，时延主要出现在终端用户处，核心网络传输过程以及无线接入端的时延，其中核心网络传输过程以及无线接入端的时延是占据较大部分的，就是这两部分的时延影响了超实时业务传输，因此需要根据这两个部分提出减少时延的办法。
目前网络环境下，以及未来的移动通信网络环境，要求我们提出更科学合理的网络架构来满足超实时传输服务，降低时延，保证服务效果。海量服务终端的情况是5G 移动网络中极为常见的情况，这些服务终端的资源如何分配和使用的问题已困扰学术界和工业生产界多年。當前的海量服务终端情况类似远程智能监控、突发事件远程监控等情况，传输的数据是同类型的并且数据量较小。综合这些问题，亟待解决的网络传输技术问题有：面对海量服务终端这一情况，网络传输架构如何设计？如何有效减少传输时延？
二、网络传输架构的合理设计
5G 系统的重要目标之一，就是降低超实时网络传输的时延，并提高传输可靠性，支持ms 级别的低时延，这也是本研究的目标。通过对超实时低时延网络架构进行建模，抽象和分类，提出面向5G 系统的传输架构，基于SDN/NFV（SoftsareDefined Network/Network Function/Virtualization）技术，该架构的设计遵循以下几个原则：基础架构与内容的解耦，控制与传输的解耦，服务端与网络的解耦[2]。
本架构基于SDN/ICN（Information Center Network）设计思想，支持接入的网络类型种类比较丰富，基于流管理数据面和控制面板，增加了信息内容的标识，由控制器来负责对数据流进行识别和分析，并对部分特殊数据流的资源管理和数据流管理决策进行管理，目标在于降低时延，创建虚电路相似的转发途径，对接入网络的通路传输和网络传输等部分存在的时延进行最大限度的控制和降低。图2 显示了超实时控制器有效管理数据流延时的流程，SDN 即软件定义网络凭借其灵活分离数据面与控制面板的拓展性极强的网络架构引起学术界的注意，SDN 提供了灵活的接口，让软件开发者的编程活动变得游刃有余，软件开发者可部署对应软件到控制面，完成对应的功能，不需要更改基本模块。所有中继设备均连接到远端控制器，无论是直接连接还是间接连接，控制器都会更改中继设备的流表项，以实现对设备和数据的控制。整个架构给予SDN 控制思想，通过控制器分配系统资源和转发业务流。
系统架构主要考量三个部分：资源的分配、预留、调度策略。资源的分配方面，首先将数据流进行分类，分为超实时数据流，实时数据流，最大努力数据流。对实时业务的带宽需求将其分为mice flow 和elephant flow。针对mice flow，选择资源预留这一方式，这类数据流的传输使用预留资源，不需要再申请资源。针对elephant flow，根据时延要求对带宽需求进行计算，根据计算进行资源分配。资源预留方式包括空口资源预留以及核心网络资源预留方式。空口资源预留针对突发性的业务进行数据直接传输，不需要再向基站申请分配资源。调度策略涉及到业务的调度和数据包的调度，不用业务类型的登记不同，采用的调度策略不同，要求级别高的业务优先分配资源，数据包的调度则用于改善接收端顺序错误造成的时延[3]。
三、网络资源分配和调度
5G 网络的资源分配和调度在统一框架下进行定义，对资源进行分配和调度的目的在于为不同业务类型分配可以满足用户需要的网络资源，提高网络资源的利用率。当用户要访问一个网络内容时，首先通过该内容的名称向网络控制发送访问要求，控制器根据业务类型分析计算出带宽需求，决定资源如何分配。整个传输路径经过的各个中继设备上都有着不同的分配原则对资源进行调度，负责不同优先级的业务流的传输资源调度。超实时业务资源分配与资源调度中，控制器负责根据业务分类进行资源分配，对于不同业务的特征将业务流氛围两个方面，从带宽需求以及延时特征将业务流分为四类。图2 展示了较长时间段内占用带宽较多的实时业务，占用时间较为离散占用带宽较多的实时业务，较长时间段内占用带宽较少的实时业务，占用时间较为离散占用带宽较少的实时业务，不同类别业务得到的网络资源不同。 基于流业务说明书定义的T SPEC（ p， M ， r，b） ，可得p， M ， r，b 值。这几个值分别是最高传输速率，系统可支持传输速率，数据包最大长度，流的数据包最大长度，由此计算超实时业务的等效带宽。
四、资源预留的方法
（一）核心网络的资源预留方式
核心网络目前的问题在于不能保证50 毫秒一下超实时业务的时延，仍然基于终端对话进行资源分配，可能造成协商信令上的时延。时延保证并非资源预留方式，仅仅采用了资源调度的策略，速录整形的策略以及队列管理的策略。针对终端对话的资源预留不能保证50 毫秒一下超实时业务的时延，因此对50 毫秒一下超实时业务重新记性业务分类，对内容进行类别划分，针对不同内容进行对应的注册和资源预留操作，解决现有技术对终端对话的资源分配策略。
核心网络资源预留方式氛围注册、资源预留、资源使用三个步骤，根据接触内容对预留资源的申请进行贷款分配，可以将核心网络资源预留分为静态资源预留和动态资源预留。核心网络资源预留的步骤为，内容注册Register——资源预留RR——资源使用RU，三个步骤构成完整资源预留方式，可依次执行。基于内容选择所分配的带宽决定采用动态资源预留方式或者静态资源预留方式。
（二）空口资源的预留方式
现有的空口资源预留方式中，未对业务和内容进行分类，统一分配资源，这样无法满足超实时突发紧急业务的时延要求。另外，当前的资源预留方式流程过多，涉及多次信令传递交互，导致超实时数据传输的时延变长。现有的资源预留方式是针对服务终端对话的方式进行分配，如果终端离线或者终端切换基站，则分配的资源会被收回重新分配，也加长了延时。针对交互信令过多造成延时的问题，超实时业务分配资源避免了资源申请过程中信令过多的问题，让紧急业务直接使用预留的资源进行数据传输，不必申请资源，节省了资源申请造成的时延。
空口资源的预留方式分三个步骤：注册，资源预留，资源使用。
注册：服务终端对超实时内容进行数据传输的请求时会判断内容是否在基站注册过，如果注册过则直接使用预留资源，否则需要在控制器端进行注册，做预留资源申请。
资源预留：对注册请求中涉及的内容进行分类，判断是否可以进行资源预留，判断内容是否在基站已经预留了资源，如果已经预留了资源，则不必重复预留，如果是需要预留资源而进行申请，则计算内容需要的带宽，通过计算结果预留相应资源，并通知服务端已经为这类内容预留了资源。
资源使用：当终端向控制器发出带宽需求时，系统首先判断这类内容是否已经预留了资源，如果预留过资源，则获取资源位置信息，直接使用已经预留的这部分资源传输数据，不需要再次进行资源申请。
空口预留资源过程中，资源预留关系到基站或者无线空口上的资源分配，各个服务终端上的不同类型的业务都在控制器的资源预留策略下预留了资源，这样各个服务终端上的超实时业务流在进行数据传输时就可以使用预留的资源而不必再次申请，节省了传输时延。
结语：随着互联网和5G 移动通信网络的普及，超实时网络传输技术的应用越来越广，广受重视与期待。学术界与工业生产企业在超实时网络传输技术上的研究投入也很大，以期找到合理的解决方案，推动超实时网络传输技术在人们生产生活中的順利使用。5G 超实时网络传输技术的研究主要在网络架构、传输协议、传输设备和资源调度方面开展。针对现有的网络协议和总体架构，仍然有很多问题需要探讨和解决，需要学术界与工业生产企业，研究人员，使用该技术的大众通力合作，创造技术力量更强的未来。
参考文献：
[1].我国首次成功实现5G 网络VR 实时制作传输测试[J].现代电视技术，2019（02）：47.
[2]本刊专题报道.我国传感器网络及智能信息处理技术取得长足进步[J].科技促进发展，2015（04）：489-495.