1.2 产业背景

1.2.1 1G～5G网络的发展历史

20世纪70年代，贝尔实验室提出了具有突破性意义的蜂窝网络概念。蜂窝网络将通信网络划分为一系列相邻的小区，其整体形状类似蜂窝结构。通过这种划分，频率资源可以得到有效的复用，从而提高系统的容量。蜂窝网络的提出解决了公共移动通信系统在大容量需求和频率资源有限之间的矛盾。随着20世纪80年代集成电路、微处理器、计算机等技术的迅猛发展，世界各地涌现出众多移动通信网络。1979—1985年，HAMTS（汽车电话系统）、AMPS（先进移动电话系统）、TACS（全接入通信系统）、MTS（移动电话系统）等多种系统被开发。由于此时处于移动通信开天辟地的时代，人们并没有建立统一的通信标准，所以这一阶段出现了各式各样的通信标准。1G标准多种多样，摩托罗拉公司是当时无可争议的王者。作为首创者，摩托罗拉公司不仅发明了第一部移动电话，还成为AMPS的主要供应商。然而，1G采用的是模拟信号传输，这带来了一系列问题，如信号容易受到干扰、语音质量较低、覆盖范围有限，以及通话中可能出现串音等问题。在1G时代，AMPS和TACS等模拟移动通信系统取得了巨大的成功。然而，由于采用了落后的模拟和频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技术，所以这些系统存在着一系列缺点，包括容量受限、系统数量过多、系统之间不兼容、通话质量差、易被窃听、设备昂贵，以及无法实现全球漫游等问题。

随着移动通信需求的不断增长，业界提出向2G过渡，以取代1G的模拟通信系统。2G采用了数字调制技术，主要采用了数字时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）两种技术，分别对应GSM（全球移动通信系统）和CDMA系统。相比1G，2G引入了数据传输服务，满足了人们对更多功能和高效率通信的需求。这一阶段，欧盟制定了GSM标准，以快速形成规模并向全球推广，占据主导地位。但美国也不甘落后，美国高通公司提出将用于军事通信的CDMA技术应用于商业手机网络，这极大地解决了1G网络容量小的问题。技术的成熟确实需要时间，早期的CDMA技术并不成熟。直到1995年，高通公司才成功地推动了CDMA技术的发展和成熟。然而，就在这个时候，GSM已经在欧洲得到了大规模的投资，并建立了国际漫游标准，迅速在全球范围内扩散开来。GSM技术的快速普及极大地推动了欧洲无线通信产业的崛起，也为欧洲带来了显著的经济利益。2G时代，手机不仅能接打电话，还可以发短信、发彩信、下载手机铃声，等等。

3G与2G的主要区别在于3G支持高速的数据传输。3G技术实现了全球漫游的图片、音乐、视频等多媒体信息服务，包括可通过手机实现浏览网站、电话会议等，且需考虑与2G有良好的兼容性。在3G时代，涌现了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA 3种主要标准。WCDMA是由欧洲和日本等国家联合创立的3GPP组织推出的，旨在推广原有的GSM标准。CDMA2000由美国和韩国联合成立的3GPP2组织所倡导。相比之下，TD-SCDMA则是由我国自主推出的一种标准。由此可见，这一阶段移动通信行业除了美国和欧洲外，还加入了中国、日本和韩国等“新玩家”。这一阶段获益最大的国家是日本。日本抓住了从2G语音向3G数据时代演进的机遇，通过运营商NTT DOCOMO推出了基于2.5G网络的i-mode模式，获得了巨大成功，也由此证实了3G商业模式的可行性，从而刺激了日本运营商对3G的投资热情。

随着智能手机的不断发展，人们对移动流量的需求越来越高。原有的3G网络已经不能满足人们的需求，4G通信技术应运而生。WiMax技术是基于IEEE 802.16标准集的一系列无线通信标准，它采用OFDM+MIMO技术，解决了多径干扰问题，提高了频谱效率，大幅增加了系统吞吐量和传输距离。这两大关键技术同样被应用于4G LTE。2001年以来，WiMax技术一直在持续发展。2005年后，WiMax网络陆续出现在世界各地。但这个网络并没有“破圈”，真正成为跨时代的技术。2019年12月3GPP首版4G LTE标准全球首次商用成功后，多数移动运营商果断地选择了静候LTE的到来。LTE即Long Term Evolution，也就是长期演进的意思，是3GPP制定的下一代无线通信标准。接入网将演进为E-UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network），核心网的系统架构将演进为SAE（System Architecture Evolution）。LTE是以OFDM为核心的技术，为了降低用户面时延，取消了无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC），采用了扁平网络架构。LTE的使用，让人们进入了4G时代，各种新型公司如雨后春笋般出现，人们的生活方式也被彻底改变了。

随着每个人平均拥有的移动设备越来越多，越来越多的设备需要接入云端，网络拥堵已经成为我们所要面对的现实问题。要想实现万物互联，就必须跨过4G网络阻塞这道难关。4G网络阻塞的原因是信息的传输速率大于信道容量。5G可以通过加大带宽，大规模多输入、多输出，3D波束成形，小基站等技术解决这一问题。过去的通信主要使用电磁波，网络工作在较低的频段。这种方式具有性能优势，可以提供良好的覆盖范围。5G则利用高频段的频谱资源，巧妙地利用了之前未被充分利用的高频段资源。随着频率的增加，传输速度也相应提高，因此5G的传输速度比4G提高了大约100倍。在时延方面，5G显著降低了通信时延，对实时应用产生了重要影响，如游戏、视频、数据电话和自动驾驶等。5G每平方千米的最大连接数比4G增加了100倍，并且支持更高的移动速度，提升了通信能力。此外，与以往不同的是，5G引入了传输路径的变化。在以往的通信中，信号需要通过基站中转才能实现电话通话或传输照片等功能，而5G使得设备之间可以直接进行通信和传输，无须基站中转。5G在速率、连接数、时延等方面都比4G的网络环境好了太多。

在大数据方面，高速率对于云技术来说是很重要的，未来数据都将上传云端，实现共享，统一管理，以节约资源。高速率在企业上云、政务云等方面具有重大意义。物联网与云计算一样，都对速率和容量有要求。5G发展后，物联网终端设备也会发生相应的变化，智慧城市、智慧家居、智慧物流等也会更加智能。当然，无人驾驶和VR之类对时延要求特别高的技术，也会有突破。任何事物都存在两面性，通信技术也是如此。5G并不是完美的。5G网络使用的是毫米波，它具有高速率和高带宽的特性，但存在损耗大和传输距离短的弊端，相应设备的造价也较高，且由于需要实现设备与设备之间的通信，所以5G网络将更加依赖小基站和高密度的铺设，其难度和成本也将因此提升。1G～5G通信技术的发展历程如图1-1所示，1G～5G通信系统的传输速度与特点比较如表1-1所示。

1.2.2 物联网的发展

物联网技术是随着互联网技术的发展而发展的，出现了巩固中间、发展两端的趋势，即小型化、低成本和兼容性强的低端产品，如各类RFID射频识别卡扣、智能家电等，以及高端物联网产品，如智慧校园、智慧城市建设等，使城市实现信息的一体化、规划的协调化、治理的互动化、资源配置的最优化。物联网技术的发展使得各种设备可以进行信息交换，从而实现智能化。物联网技术呈现融合发展、集成创新、规模应用、生态加速的特点，热点技术不断涌现。物联网正促进5G、窄带物联网、云计算、大数据、人工智能、区块链和边缘计算等新一代信息技术向各领域渗透，引发全球产业分工格局的重大变革。

物联网技术的应用场景非常广泛，涉及方方面面。例如，智慧城市：智慧城市管理利用物联网技术，通过传感器、数据采集、云计算等技术手段，实现城市信息的智能化、规划的协调化、治理的互动化、资源配置的最优化。智能家居：智能家居利用物联网技术，通过传感器、数据采集、云计算等技术手段，实现家庭设备的互联互通，从而实现家庭设备的智能化。智慧医疗：智慧医疗利用物联网技术，通过传感器、数据采集、云计算等技术手段，实现医疗设备的互联互通，从而实现医疗设备的智能化。智慧交通：智慧交通利用物联网技术，通过传感器、数据采集、云计算等技术手段，实现交通设施的互联互通，从而实现交通设施的智能化。智慧农业：智慧农业利用物联网技术，通过传感器、数据采集、云计算等技术手段，实现农业设备的互联互通，从而实现农业设备的智能化。智慧环保：智慧环保利用物联网技术，通过传感器、数据采集、云计算等技术手段，实现环境监测和污染治理。智慧能源：智慧能源利用物联网技术，通过传感器、数据采集、云计算等技术手段，实现对能源的监测和管理。智慧安防：智慧安防利用物联网技术，通过传感器、数据采集、云计算等技术手段，实现对安全设施和人员的监测与管理。智慧教育：智慧教育利用物联网技术，通过传感器、数据采集、云计算等技术手段，实现教育资源的共享和教育过程的智能化。

未来几年，物联网行业规模将快速增长。根据前瞻网的研究报告，到2026年中国物联网市场规模将超过6万亿元。全球物联网市场规模也将出现快速增长，截至2020年，全球物联网市场规模约1.36万亿美元。此外，未来几年，物联网技术将会更加普及和成熟。例如，大数据融合物联网强调改变人们的生活方式和经营方式，并着眼于生成海量数据。大数据平台通常是为了满足大规模存储的需求而出现的，物联网技术也将更加安全可靠。与此同时，大规模物联网技术的发展给高效的资源分配和服务编排带来了以下挑战。

（1）网络规模挑战：随着物联网设备数量的迅速增加，网络规模呈爆发性增长。大规模物联网网络需要处理海量设备的连接和数据交换，而传统的网络架构和管理方法可能无法满足需求。因此，需要开发和采用更加可扩展与高效的网络架构来支持大规模物联网的通信和数据传输。

（2）资源竞争挑战：在大规模物联网中，众多设备同时连接和传输数据，可能导致网络资源的竞争和瓶颈。资源包括带宽、计算能力和存储容量等。设备之间的资源竞争可能导致网络拥塞、时延增加及服务质量下降。因此，需要开发智能的资源管理和分配策略，以提高资源利用效率和确保服务质量。

（3）算法设计挑战：大规模物联网中需要处理海量的设备数据，这对数据处理和分析算法提出了挑战。传统的数据处理算法可能无法满足实时性、效率和精确性的要求。因此，需要研究和设计高效的算法，如边缘计算和分布式计算，以在设备端或边缘节点上进行数据处理和分析，减少数据传输和减轻中心化服务器的压力。

（4）安全和隐私：大规模物联网中涉及大量敏感数据和个人信息的收集、传输和存储，安全和隐私问题成为重要的挑战。物联网设备可能面临各种网络攻击和数据泄露的风险。因此，需要采取有效的安全措施，包括加密通信、身份验证和访问控制等，以确保物联网网络和数据的安全性与隐私性。

总之，为面对这些挑战，需要不断创新和研究，开发更为可扩展、高效和安全的网络架构、资源管理策略和算法。只有解决了这些问题，才能发挥物联网技术的最大潜力，为人们提供更智能、便利和可靠的服务。

1.2.3 服务功能链的定义与发展

在日常生活中，我们将面临各种各样的服务，无论是日常沟通交流，还是自动驾驶汽车、远程医疗等，都离不开服务。按照互联网工程任务组（the Internet Engineering Task Force，IETF）对服务功能链（Service Function Chains，SFC）的定义：SFC是一组有序的网络功能集合，流量按照特定的顺序依次遍历各个网络功能以提供服务。网络功能既可以通过嵌入物理网络元素实现，也可以通过虚拟网络功能实现 ^[2] 。在NFV生态系统中，网络服务是由一组按照特定顺序串联的VNF（Virtual Network Function，虚拟网络功能）及VNF之间的链路组成的，如图1-2所示。在NFV中构建和部署SFC需要定义以下关键信息：①用户请求的源节点和目的节点；②VNF的类型和数量；③VNF在SFC中的顺序；④如何有效地在网络功能虚拟化的基础设施解决方案中分配VNF。因此，部署SFC的挑战之一是实现VNF的快速、可扩展和动态组链与映射，以高效执行SFC，这不仅要考虑VNF所需的计算资源，还要考虑VNF之间的链路资源。该问题也叫SFC的资源分配问题 ^[3] 。

SFC是一组有序的网络功能的集合，用户流按照预先定义的顺序依次经过一组有序的网络功能，完成网络服务。组成SFC的网络功能既可以由专有硬件设备提供，也可以由虚拟机提供。针对SFC的资源管理，目前的研究主要集中在4个方面：SFC的组链、SFC的映射、SFC的调度，以及VNF的迁移和缩放 ^[4] 。首先，明确用户请求，根据用户请求的任务类型选择合适的VNF按照顺序组链。其次，将SFC部署到底层网络中，根据用户请求的源节点和目的节点，选择合适的物理节点对VNF进行实例化，在满足底层网络容量限制和SFC服务质量的前提下给每个VNF实例分配资源并进行路由，如图1-3所示。最后，在多条数据流的情况下，可以通过合理安排VNF的动态执行顺序来减少总的服务时间。VNF的迁移和缩放是指当网络负载发生变化或出现节点故障时，服务质量下降，用户请求得不到响应，此时需要将VNF迁移到另外的节点或对虚拟机的容量进行缩放，动态调整SFC的部署，确保服务质量达到预期。