基于5G LAN的自组网技术研究

基于5G LAN的自组网技术研究

张帆

中国移动通信集团设计院有限公司四川分公司，四川 成都 610045

摘要:本文对基于5G LAN的自组网技术进行了研究。5G LAN可以提供超高速率、超低延迟、海量设备连接等关键能力,将为自组网带来新的发展机遇。本文首先介绍了5G LAN的技术特征,然后分析了5G LAN在自组网领域的应用场景,包括工业互联网、智能交通等领域的自组织小区网络。接着,本文设计了基于5G LAN的自组网体系架构,并对关键技术如时间敏感业务调度、资源管理、安全防护等进行了详细阐述。最后,本文展望了基于5G LAN的自组网的发展前景及面临的技术挑战,以期对该领域的进一步研究提供参考。

关键词: 5G LAN;自组网;体系架构;资源管理;安全防护

引言

5G LAN(Local Area Network)作为5G技术在局域网场景的应用,具有广阔的应用前景。5G LAN可为工业互联网、智能交通等领域提供确定性低延迟的连接,支持海量物联网设备接入,实现自组网等关键能力。研究基于5G LAN的自组网技术,对推进关键技术的创新与应用具有重要意义。

一、5G LAN技术分析

1.1 5G LAN的概念及特征

5G LAN是将5G核心网关键技术应用于局域网场景的产物,可提供比WiFi 6更高的峰值速率,更低的时延抖动,更高的连接密度和更佳的可靠性。5G LAN可以通过软件定义网络实现网络切片,提供差异化的业务保障。同时,5G LAN继承了5G的安全机制,可以提供端到端的连接安全性。

1.2 5G LAN与4G、WiFi的区别

与4G相比,5G LAN可以提供更高的频谱效率、更低的传输延迟。5G LAN支持更多的天线技术,可实现更高的数据速率。与WiFi相比,5G LAN具有更高的可靠性、确定性和安全性,适合有严苛对可靠低延迟通信需求的关键应用场景。

二、 5G LAN在自组网中的应用分析

2.1 工业互联网

随着工业互联网的发展,对工业系统的确定性和实时性提出了更高的要求。5G LAN可以为工业互联网提供高速率、低延迟、高可靠的通信服务。在工业无线自组网场景,5G LAN可以用于连接AGV小车、工业机器人、传感器等海量设备,实现车间内的无线制造与运营。5G LAN支持的网络切片技术可以对不同类型的工业应用和服务进行隔离,实现确定性的通信服务质量。总体来说,5G LAN为工业互联网提供了可靠、实时、灵活的无线自组网解决方案。

2.2 智能交通

在智能交通场景,5G LAN可用于连接车辆内各种电子控制系统,实现车辆的无线自组网。安全至关重要的业务流量可以通过5G LAN的网络切片获得服务保障。此外,5G LAN还可以在限定区域内为行人和非机动车组建自组网,实现车人协同及路况信息共享,以提升交通效率和安全性。总之,5G LAN将大幅提升未来智能交通系统的实时感知、协同控制和安全运维能力。

2.3 其他应用场景

5G LAN还可广泛应用于智慧场馆、智能仓储、机场机场等场景的自组网。例如在机场,5G LAN可以连接各类飞行设备实现自组网,并为乘客提供高速率的无线网络服务。在未来XR和远程控制等应用方面,5G LAN也可提供更好的用户体验。可以说,5G LAN将会成为支持各种应用场景自组网的关键无线接入技术。

三 基于5G LAN的自组网体系架构设计

3.1 体系架构总揽

基于5G LAN的自组网体系架构由接入层、网络层、业务层、管理与控制层四层构成。接入层通过5G新空口接入终端;网络层实现无线宏管理、用户面数据转发;业务层提供网络切片、会话控制等服务;管理控制层实现资源管理、安全防护等。该体系结构充分利用5G LAN的新空口、切片等关键技术,可以灵活地针对不同应用场景进行网络部署和业务创新。

3.2 网络层设计

网络层包含无线接入网和本地数据网络。无线接入网实现终端接入认证、移动性管理;本地数据网络采用5G核心网的用户面数据转发技术,支持用户面数据的高效转发。网络层可以通过基于服务质量的流量工程实现优先级管理和资源隔离。此外,可以构建边缘计算平台,部署应用功能实体,以减少核心网负荷。

3.3 业务层设计

业务层利用5G网络切片技术,根据服务特点构建网络切片,为不同Vertical行业定制化的网络能力。例如为工业场景构建超高可靠低延迟的网络切片,优先调度时延关键业务;为自治驾驶场景构建车规级网络切片等。此外还可以构建应用支持平台,开放网络能力,以支持自组网相关的应用创新。

3.4 资源管理机制

考虑自组网内节点分布和业务需求的多样性,可以设计基于E2E网络切片的资源管理机制。在网络边缘构建资源管理实体,实现自组网内的无线资源和计算资源管理。同时,可以应用AI技术实现基于情况感知的智能化资源管理和业务调度。

3.5 安全防护机制

安全防护机制要考虑终端接入控制、数据传输安全、网络切片安全隔离等方面。可以借鉴5G安全机制设计完善的终端认证接入控制,在数据转发层采用用户面加密技术,保证业务数据安全。此外要利用网络切片的逻辑隔离特性构建安全的网络切片环境。

四、 基于5G LAN自组网的技术挑战

4.1 时间敏感业务调度

自组网需要面向工业互联网、智能交通等时间敏感场景。如何在无线资源有限的情况下提供确定性的低延迟服务是需要解决的难题。需要设计时间敏感业务的识别与建模方法,并研究基于网络切片和算力资源协同的时间敏感业务调度技术,以满足超低延迟和高可靠性要求。此外,可以利用边缘计算平台实时分析业务和网络状态,进行自适应的时间敏感业务调度。

4.2 网络切片隔离

由于自组网涉及多种不同 Vertical 的应用,如何实现网络切片之间的性能隔离和安全隔离将会面临挑战。需要通过流量工程和虚拟化技术增强网络切片的隔离能力,防止切片间干扰;同时要优化切片内的资源分配,实现切片资源的自定义和细粒度控制。此外,通过完善的安全机制和加密技术增强切片的安全性。

4.3 能效优化

自组网节点动态变化且部署密集,如何提升系统能效将是需要关注的问题。可以通过业务感知和AI预测实现基站的按需开启,优化系统能耗。同时,需要研究自组网节点的精细化睡眠管理,以及基于业务负载的算力资源动态调度技术来提升算力资源的利用效率。

五、 结束语

基于5G LAN的自组网技术研究具有重要意义,可以为工业互联网、智能交通等领域带来革命性的进步。需要关注时间敏感业务调度、网络切片隔离、能效优化等技术挑战,以推动5G LAN自组网技术的创新与应用。相信随着技术的成熟,5G LAN自组网必将加速数字经济发展,创造新的应用场景和商业模式。

参考文献：

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[3]王晟、周晓东、陈小倩、张松磊、陈人楷.基于5G网络的应急通信超密集组网技术研究[J].电子设计工程, 2020, 28(18):5.DOI:CNKI:SUN:GWDZ.0.2020-18-018.