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5G与未来互联网的融合

蜂窝移动通信系统是从话音业务开始的,拥有专门的核心网解决切换漫游等移动性管理和认证计费等用户管理。到第二代移动通信系统GSM实现了数字化仍然是以话音为主,开始有短信和GPRS等低速数据业务。本世纪初面市的第三代蜂窝移动通信早期仍然是基于ATM的面向连接的系统(B-ISDN), 随后面对接入互联网的强大需求继固网之后蜂窝移动通信也开始了IP化的进程。一方面是发展HSPA实现空口IP化,另外一方面是核心网的IP化和扁平化。4G延续了这一进程。扁平化的蜂窝移动通信网络成为一个扁平的IP专网,通过网关连接公共互联网。移动性管理和用户管理全部在蜂窝移动网上完成,公共互联网仍然保持固定互联网的原有形态,用户使用移动运营商提供的临时IP地址,不需要移动性管理。通过网关隔离,蜂窝移动通信网络和公共互联网可以各自独立发展。面对移动宽带业务的快速,蜂窝移动通信开始大规模部署4G , 进一步研发5G移动通信系统。与此同时,公共互联网也在不断演进,如发展CDN以重叠网的方式应对内容分发的需求。目前正在从连接业务为主,向以内容/信息为主的未来互联网演进。

通过网关隔离,蜂窝移动通信网络和公共互联网独立发展的格局造就了今天移动宽带的快速发展。但是,面对发展5G的一些需求,网关开始成为新的瓶颈。今天用户在外面通过蜂窝移动通信4G上网,回到家中需要退出4G 重新登陆WLAN。这很麻烦,能否一次登陆,自由切换在蜂窝网和WLAN之间自由穿行呢目前蜂窝网和WLAN 使用不同的网关在不同地点连接公共互联网,移动性管理和用户管理都在蜂窝网的核心网上,在WLAN上登陆的用户需要经过公共互联网回到蜂窝网的核心网上才能得到移动性和用户管理。这种经过互联网绕回蜂窝核心网再接入互联网的架构之效率很低不能满足需求用户不接受。家庭Femto网站也面临同样的问题。结果是用户只能忍受不方便,而5G要求采用多种无线接入技术(RAT)不解决这个问题是行不通的。解决问题的唯一方法是彻底实现扁平化,将蜂窝核心网与公共互联网融合,移动性和用户管理全部在互联网上完成。

当前基于TCP IP的互联网网络协议框架有一定局限性。通过DHCP和DNS等协议分配和管理IP地址是相对静态的,TCP假设存在同生的端到端路径的存在,这些在应用于移动终端无线接入的场景时都有问题。今天的互联网的IP地址服务具有端点标识符和路由网络定位器双重功能,这使得它难以处理很多动态移动性问题、诸如掉线和多宿主等。因此与5G的融合的应该是未来互联网,蜂窝网与互联网的演进应该融合同时进行,不能再分别独立进行。蜂窝网与互联网的标准也要融合,形成统一的移动互联网架构。当然新的协议也要满足M2M和物联网的需求。

与未来互联网融合的5G宽带无线接入的需求如下:

1、 主机和网络移动性。

移动节点的主要特征是其连接互联网的连接点会快速移动,导致IP地址快速变化。为此需要消除IP地址既是标识符又是定位器的双重性,改为两个不同的要素一个永久的名称和一个网络地址的暂时定位器。对名称和网络地址/定位器进行动态绑定。在无线环境中支持弱连接和掉线。

2、 变化的无线链路质量和掉线。

WLAN和4G无线链路的传输速率会在一秒之内快速变化,还会出现短时掉线,TCP会将这些作为拥塞丢包处理,结果会很差。为此需要:在自治域内和域间选路层都需要链接质量意识以实现健壮的包分发策略。掉线容错选路可以将在途的数据包转发到新的连接点。当链路质量差和/或掉线时可靠传输协议能够临时存储和异步分发数据。

3、 接入多个网络。

目前在城区一个地点会有3-5个蜂窝网络和10-20WLAN接入点,但由于技术和业务模型约束只接入其中一个。如果能够接入多个网络可以大大改善服务质量。为此需要:将一个名称绑定到多个地址和接口即多宿主。按照每个接口的链接质量在路由平面修改数据串和存储决策。服务语义支持接口选择和使用。

4、 自组织Ad hoc 网 

对于车到车 (V2V)和传感器网络等无连接基础设施应用场景,无线ad hoc网络很重要。这要求:身份验证和动态的名字和地址绑定等关键网络服务应该能够在脱机模式下的操作。路由和传输协议应该能够健状地伺机联合和改变网络拓扑。

5、 内容和上下文可寻址能力。

目前互联网正向内容和上下文关系驱动演进。原有的采用重叠网架构的内容分发网络CDN开始不能满足需求。上下文关系服务使用额外条件(包括时间、地点和网络连接点),向端点主机发送/接收信息。这对物联网尤为重要。为此需要:体系结构应该能够基于内容/上下文关系属性识别动态端点。由于移动节点的上下文关系属性会迅速改变,需要有一个快速机制扑获上下文关系,使其作为包分发的要素。

6、 频谱访问协调 

要在每平方公里成千上万个设备的环境中提供频谱的管理功能,需要一种综合的方法满足以下要求: 支持低延迟控制平面,不受数据平面拥塞的影响。根据地理位置和发送方的无线电覆盖,进行控制消息的动态多播,有效地分发协调方案。

7、 安全需求 

位置隐私、所有权的强认证机制、抗移动性欺骗攻击机制和快速的验证机制等

   2010年,美国国家基金会NSF在其未来互联网架构FIA项目中安排了MobilityfirestMF) 课题。经过几年研发,已经提出了较完整的解决方案,并开始在横跨全美的GENI实验网上进行验证。  MF的主要方案是将最终用户或其他网络连接对象的名称与其路由地址或定位器分开。基于名称的扁平的服务层使用全局唯一标识符(GUID)。每一个网络连接对象(一个设备,一块内容,一辆车,一组设备,等等)被名字认证服务(NCS)赋予一个160位的GUID。GUID可以由相关的公共密钥的加密的表述导出,以达到自认证的目的,节点的认证不需要外部授权。GUID到网络路由地址NAs的动态映射可以通过名为“全局名称解析服务”(GNRS)的逻辑上集中,物理上分布的基础设施来完成。GNRS是一个分布式基于DHT的直接映射(DMap)基础设施,可以实现来回更新和查询,时延在100 ms以内,有可能进一步降低到10ms。MF中基于混合的名称-地址选路需要一个新的有网内存储和两个查找表“虚拟DHT”表用于GUIDNA查找传统NA到口号码转发表用于“快速路径”)的路由器设计。增强的有存储的路由转发算法可以解决掉线问题。移动服务通过在终端设备上的名称解析来实现。双宿主服务可以实现同时连接两个不同技术的无线接入网(如4G和WiFi)

    5G是ICT融合的产物,最关键的问题是网络架构问题、无线接入网络与互联网的融合是不可避免的与未来互联网融合是解决问题的唯一出路。为此需要设计能新协议支持先进的移动服务MF做了很好的开始,初步进行了概念验证。总的发展趋势是从面向连接的“管道”转向灵活无连接服务抽象,从以用户为中心的软件定义空口到以信息为中心的网络都是如此。

    目前5GPPP、日本和韩国提出的方案以及我国IMT2020推进组的白皮书都是独立发展5G系统再通过网关连接公共互联网,基本上没有考虑与未来互联网的融合的问题在欧洲未来互联网是在FIPPP中研究,未与5GPPP结合。今年5月IEEE在普林斯顿大学召开First International 5G Summit,会议提出了5G与未来互联网融合的问题。IEEE还提出了制定5G标准的问题,准备以开发的方法开展IEEE 5G标准化工作,建立全球标准化路线、确定IEEE通信学会ComSoc参与5G标准化的机会,推出预标准研究计划,适当的时候建立研究组提出PAR。IEEE的介入将改变5G的竞争格局,5G与未来互联网的融合对5G和未来互联网的研究发展都将产生重大影响。

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