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如何实现海量数据的处理 | 《5G移动无线通信技术》之二

简介: 本书全面地介绍了全球范围内对5G应用和需求、网络架构和关键技术的研究成果。对于在通信行业的专家、学者、工程师和在校学生,以及关心移动无线通信技术 5G技术和应用的读者都有较高的参考价值。

第一节:移动无线通信技术经历了哪些变迁?

如何实现海量数据的处理

2.1从ICT产业到社会经济

与以前的蜂窝系统相比,5G 系统设计的主要目标是满足不同的移动业务的需要,并把来自不同工业经济领域的需求映射到信息系统之中。事实上,无线通信在 21 世纪 初就已经开始进军诸如大众消费、金融和媒体等领域。接下来的几年,人们预期社会经 济对无线移动通信的利用程度将越过临界点。5G 将把无线连接这一可选功能,变成众 多领域中大量产品的必备功能。这里的必要性来源于潜在的基于数据的机器学习,进一 步数据挖掘和信息提取,并在社会各个领域实现高度智能化。最后,由连接设备产生的 数据,将会降低业务交付成本,甚至实现现代工业革命255年来,未曾实现的人类生产 率和生产活动能力的提升。连接能力的提升将会给其他经济领域带来传导效益,并以前 所未有的方式改善人们的生活。无线通信将会对下列经济领域产生重要影响。
农业:传感器和电动装置越来越多地被广泛应用于测量和传输关于土壤质量、降雨 量、温度和风速等与农作物生长和畜牧活动相关的信息。
汽车制造 1:无线通信已经获得大量来自智能交通相关应用的关注。例如实现更大 程度的车辆自动驾驶、车辆之间通信、车辆与道路基础设施之间的通信、感知和避免碰 撞的安全功能、规避道路拥塞,还包括媒体内容交付之类的商业应用。 建筑 / 建筑物:建筑物在建设过程中安装不同用途的传感器、电气装置、内置天线 和监视设备,可以用于节能、安防、建筑使用状态和财产跟踪等。 能源 / 电力:智能电网价值链的各个环节都将受到影响,例如电机、发电和产能、 交易、检测、负载控制、故障容错和电力消耗。未来的能源消费者也可能成为电力生产者, 各种设备被连接并由电力公司控制。同时越来越多的电动汽车也给电力公司带来新的挑 战和机遇。 金融 / 银行:与贸易、银行业和零售业相关的金融活动越来越多地通过无线上网完成。同时银行转账的安全、欺诈检测和分析变得越来越重要。这些服务由于无线连接能 力的提升将得到更多的使用。 健康:无线通信可以被应用于无论是简单的还是复杂的健康应用中,包括运动监控、 实时用户健康感知、医疗提示和健康监视,以及医院对病人的远程监视、远程健康服务, 甚至实现远程手术等。 生产制造:由于无线通信的应用,不同的工程任务和流程控制可以变得更为高效、 可靠和准确。5G 超高可靠性和极低时延要求,对于工厂自动化极为重要。同时,海量 的机器连接会进一步提高无线通信在工业制造机器人和自控设备的应用。RFID 和低功 耗无线通信也可以用于生产资产管理。
媒体:视频是推动大流量消费的主要动力。5G 可以提供大量优异的 3D 和 4K 用户 体验。目前高清视频的用户体验还仅限于固定网络和短距离无线通信。同时享受高品质 音乐服务的需求在人口密集地区也受到限制。未来在移动和游牧条件下,诸如虚拟现实 (VR)和增强现实(AR)之类的新的应用将会变得越来越普遍。
公共安全:警察、消防、救援、救护和紧急医疗等服务都需要高可靠性和高可用性。 就像 4G 被广泛应用于公共安全,5G 无线接入也是未来安全服务、执法和紧急救援人员 的重要工具。SDN 和 NFV 技术的使用使网络在公共安全方面起到的作用更为直接,例 如在火灾、地震和海啸等灾害中,通过更有效地管理局部的传感器和网络连接为人们提 供帮助。网络也可使用本地服务来支持救援行动。 零售和消费者:无线通信将会继续在零售、旅游、休闲(包括酒店行业)起到重要 的作用。
交通(包括物流):无线通信已经在这个领域发挥着重要作用。随着 5G 的到来,这 一作用会更为突出。事实上 5G 能够进一步提升在铁路、公共交通、海运和陆运方面基 础设施的通信功能。 新增行业:航空和国防、基础原材料、化工、工业产品和服务在不久的将来也会使用无线通信技术。

2.2 5G基本原理:海量数据,250亿连接设备和广泛的需求

社会对无线连接的需求,主要来自越来越多的移动多媒体服务和应用,并且推动了 移动流量的指数成长。据推测从2010到2020年,移动流量将上升100倍[15],这一数字后来被修正为250倍[16],如图 1.4 所示,在已经高度发达的诸如西欧和北美的信息 社会中,其移动数据流量在2010到2020年将增长84倍,机器类通信将变得越来越 重要,而到目前为止人类仍然是通信服务的主要对象。预测显示通信设备的数量在 2020 年将达到 500 亿 [17],最新的分析将这一数字修正为 250 亿连接。
机器类和人机无线通信在众多经济领域和行业的应用不断增多,对无线网络提出了 大量而广泛的需求,具体表现在成本、复杂性、功耗、传输速率、移动性、时延和可靠 性等方面。例如感知互联网要求无线时延降低到 1ms[18]。图1.5很好地展现了 5G 需求相 对于 IMT-Advanced 的延伸,图中下列需求需要重点关注[19]:
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  • 峰值速率(Gbit/s):可以达到的最大用户 / 设备数据速率。
  • 用户体验速率(Mbit/s 或 Gbit/s):在覆盖区域内用户 / 设备实际达到的速率。
  • 无线时延(ms):数据包在空中接口 MAC 层,由信源到达信宿经历的时间。这里指单程时延。
  • 移动性(km/h):满足标称 QoS 条件下可支持的最大移动速度。
  • 连接密度(设备数 / 平方千米):单位面积可以连接的设备数量。
  • 能量效率(bit/J):在网络侧,无线接入网络消耗的每单位能量发送或者接收的 数据比特数。在终端侧指通信模组消耗单位能量发送或者接收的比特数。
  • 可靠性(%):一定时间内成功传输的概率。
  • 单位面积容量 [(Mbit/s)/m2]:服务地理区域内的全部流量的和。

最后,需要强调安全性是保证未来无线通信系统成功的前提条件。

安全性
安全性是过去四代无线通信技术的重要特征,未来的通信系统也将延续这一传统。 值得强调的是历史上无线网络经历了易受攻击的时期,并且不断得到改善。随着计算成 本降低,系统更易于实现有关方案。新一代无线系统必须在提升系统端到端的安全性的 同时,允许合法监听。移动宽带将会被越来越多地应用到互联网接入和云计算服务,因 此系统更容易受到攻击,会带来更大损失。例如拒绝服务攻击(DoS) [20],当使用中继 器或者网络拓扑技术,网络和中继器之间需要建立可靠的连接,从而避免中间人攻击 (man-in-the-middle) [21]。此外终端通过中继器接入网络,也应当更好地屏蔽系统,避免 通过 ID 缓存的身份被盗取。
5G网络将会承载大量的物联网数据。单一信息也许不敏感,但是敏感的信息可以 从数据或者信息的分析获得。因此非授权访问,即使是少量的也应当被禁止。当无线终 端正在进行加密和验证以及鉴权控制设备权限时,安全性就更为重要。因此,连接到互 联网的门禁系统需要随时进行仔细的检查,防止非法入侵。对于超可靠服务,传输信息 的完整和可靠性尤其重要。错误的紧急刹车或者不准确的交通指示,必须在呈现给乘车 人之前就被车辆拒绝接受。工业应用中,物理流程是受控的,传输的信息或许包括关于 工作流程的敏感信息。这些信息需要受到保护,免遭窃听或者篡改 [22]。因此,适当的安 全功能必须到位,确保信息的完整性和准确性。5G网络将会引入新的接入节点并支持 新的业务,因此带来新的安全挑战。银行等行业已经拥有端到端的安全解决方案可以应 用于 5G。但物联网需要新的安全解决方案。安全性研究是十分活跃的领域。本书侧重于5G技术介绍,安全方面的话题不在本书的讨论范围。
第三节:全球5G倡议

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