隨著萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來,物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備數(shù)量呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng),對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的移動(dòng)核心網(wǎng)(如4G EPC、5G Core)主要為人與人(H2H)通信設(shè)計(jì),在處理海量、低功耗、小數(shù)據(jù)包、高并發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)連接時(shí),在效率、成本、時(shí)延和靈活性方面存在局限。因此,研究物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)核心網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)高效、可靠、可擴(kuò)展的萬(wàn)物互聯(lián),成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵課題。
一、 融合的必要性與驅(qū)動(dòng)力
- 連接規(guī)模與多樣性:物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)手機(jī),且設(shè)備類型、通信模式(如周期性上報(bào)、事件觸發(fā)、低速率)、服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求差異巨大。
- 網(wǎng)絡(luò)效率與成本:為海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備建立獨(dú)立的專用網(wǎng)絡(luò)不經(jīng)濟(jì),復(fù)用現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(基站、核心網(wǎng))是必然選擇,但需優(yōu)化以降低信令開銷和能耗。
- 業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)本地化:許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(如工業(yè)控制、車聯(lián)網(wǎng))要求超低時(shí)延和高可靠性,數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā),減少回傳核心網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。
- 統(tǒng)一管理與安全:通過融合架構(gòu),運(yùn)營(yíng)商可以對(duì)H2H和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一認(rèn)證、計(jì)費(fèi)、策略控制和安全管理,簡(jiǎn)化運(yùn)維。
二、 關(guān)鍵融合技術(shù)與架構(gòu)演進(jìn)
融合架構(gòu)的核心在于使移動(dòng)核心網(wǎng)能夠原生地、高效地支持物聯(lián)網(wǎng)特性。主要技術(shù)方向包括:
- 基于服務(wù)的架構(gòu)(SBA):5G核心網(wǎng)采用SBA設(shè)計(jì),網(wǎng)絡(luò)功能(NF)如AMF、SMF、UPF被模塊化和服務(wù)化。這為靈活引入或定制服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能(如專為海量連接優(yōu)化的控制面功能)奠定了基礎(chǔ)。
- 控制與用戶面分離(CUPS):將控制面(CP)與用戶面(UP)徹底解耦,使得用戶面功能(UPF)可以靈活下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣(如基站側(cè)、園區(qū)內(nèi)部)。這對(duì)于滿足物聯(lián)網(wǎng)的低時(shí)延要求、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地分流至關(guān)重要。
- 輕量化核心網(wǎng)與協(xié)議優(yōu)化:
- NB-IoT/eMTC增強(qiáng):在接入網(wǎng)側(cè)已為低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)優(yōu)化,在核心網(wǎng)側(cè)也需簡(jiǎn)化附著、尋呼、移動(dòng)性管理等流程,減少信令交互。
- 非IP數(shù)據(jù)傳輸(NIDD):對(duì)于僅發(fā)送少量數(shù)據(jù)的傳感器,可以通過控制面直接傳輸數(shù)據(jù),無需建立用戶面承載,極大節(jié)省資源。
- 網(wǎng)絡(luò)切片(Network Slicing):這是融合架構(gòu)中的核心使能技術(shù)。運(yùn)營(yíng)商可以在同一物理基礎(chǔ)設(shè)施上,為物聯(lián)網(wǎng)的不同垂直行業(yè)(如智能抄表、車聯(lián)網(wǎng)、智慧工廠)創(chuàng)建邏輯上獨(dú)立的端到端網(wǎng)絡(luò)切片。每個(gè)切片擁有專屬的虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源、拓?fù)浜凸芸夭呗裕瑥亩鴿M足差異化的SLA需求。
- 邊緣計(jì)算(MEC)集成:將計(jì)算和存儲(chǔ)能力部署在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣,與融合的核心網(wǎng)架構(gòu)緊密結(jié)合。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以部署在MEC平臺(tái)上,UPF將相關(guān)業(yè)務(wù)流直接導(dǎo)向本地MEC,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地處理、快速響應(yīng)和隱私保護(hù)。
三、 一種典型的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)視圖
一個(gè)面向未來的物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)核心網(wǎng)融合架構(gòu)可以概括為“云-邊-端”協(xié)同的三層結(jié)構(gòu):
- 云端中心:部署核心的控制面網(wǎng)絡(luò)功能(如NSSF、NRF、PCF等)和廣域用戶面錨點(diǎn),負(fù)責(zé)全局策略管理、移動(dòng)性錨定、與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。
- 網(wǎng)絡(luò)邊緣:廣泛分布著下沉的UPF和MEC平臺(tái)。根據(jù)業(yè)務(wù)需求,UPF可以分層次部署(如區(qū)域UPF、邊緣UPF)。物聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)在最近的邊緣UPF進(jìn)行分流,本地業(yè)務(wù)流量直接送達(dá)邊緣MEC應(yīng)用服務(wù)器,無需繞行中心云。
- 接入與終端層:包括4G/5G基站(支持NB-IoT/eMTC等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù))以及海量的各類物聯(lián)網(wǎng)終端。終端通過優(yōu)化的接入流程接入網(wǎng)絡(luò),并根據(jù)其訂閱的切片標(biāo)識(shí),被引導(dǎo)至相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片中。
整個(gè)架構(gòu)由統(tǒng)一的自動(dòng)化管理和編排(MANO)系統(tǒng)進(jìn)行生命周期管理,包括切片的創(chuàng)建、彈性伸縮以及資源調(diào)度。
四、 面臨的挑戰(zhàn)與展望
- 安全與隱私:海量終端增加了攻擊面,設(shè)備資源受限導(dǎo)致傳統(tǒng)安全方案難以實(shí)施,需研究輕量級(jí)認(rèn)證、加密和終端安全 attestation 機(jī)制。
- 連接管理復(fù)雜性:數(shù)十億設(shè)備的連接狀態(tài)管理對(duì)核心網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)(如UDM)是巨大挑戰(zhàn),需研究更高效的狀態(tài)存儲(chǔ)與同步機(jī)制。
- 標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性:物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景碎片化,需要行業(yè)持續(xù)推進(jìn)接口、協(xié)議、切片模板的標(biāo)準(zhǔn)化,確保跨廠商、跨運(yùn)營(yíng)商的互聯(lián)互通。
- 商業(yè)模式:如何為差異化的物聯(lián)網(wǎng)切片設(shè)計(jì)靈活的計(jì)費(fèi)和商業(yè)模式,激發(fā)運(yùn)營(yíng)商部署融合架構(gòu)的動(dòng)力,是商業(yè)化成功的關(guān)鍵。
結(jié)論
物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)核心網(wǎng)的深度融合,并非簡(jiǎn)單的接入,而是通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的革新——以SBA、CUPS、網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算為支柱——使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生地具備服務(wù)萬(wàn)物互聯(lián)的能力。這種融合架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)資源的高效利用、服務(wù)的按需定制和業(yè)務(wù)的敏捷部署,是支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)和社會(huì)智能化轉(zhuǎn)型的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施。未來的研究將繼續(xù)在架構(gòu)增強(qiáng)、智能運(yùn)維、跨域融合和安全性等方面深入,以釋放物聯(lián)網(wǎng)的全部潛能。