基于专网多业务行为的层级式规划方法研究

向 涛,葛 宁,赵小龙,张永奎,刘 帅

(1.中国铁塔股份有限公司陕西省分公司,陕西 西安 710075;2.清华大学,北京 100080)

0 引言

随着世界范围内暴力和恐怖主义事件的频繁发生以及国家安全的提高,“模拟到数字”技术的升级、将宽带和窄带融合组网已经成为专网市场规模增长的两大趋势。 同时,随着社会保障形势的日益复杂,单纯依靠语音调度难以满足管理需要,高清图像管理、视频通话和回传等宽带多媒体业务得到越来越多的应用,而窄带网络具有超低时延的语音通信、优先级管理、安全等特点,因此宽带与窄带融合的组网方式已成为行业的普遍共识。

1 专网概念及发展历程介绍

1.1 专网简介

专网是政府、行业、部门或者单位内部使用的一种安全的通信网络,该网络主要应用在应急通信、安全生产、调度指挥、日常工作等方面[1]。

专网依赖业务和功能两方面的需求而产生,业务方面主要是政府或者行业提出并发展了包括电子政府、公共安全、应急联动、城市管理、轨道交通、机场管理等无线专网[2]。

1.2 专网技术的发展历程

随着无线通信技术的发展,专网通信技术经历了3个阶段,分别是模拟常规技术、模拟集群技术、数字集群技术,现阶段技术主要表现为模拟集群技术向数字集群技术转换。 主要专网通信标准及特点如表1所示。

表1 主要专网通信标准及特点

1.3 专网发展的现状

无线专网可为应急及公共安全应急处理提供可靠的通信保障,专网产品未来将朝着多技术融合、窄带与宽带融合、光电融合、多网络融合的趋势发展。

多种技术融合:现代通信是多种技术的综合应用,达到优势互补、相得益彰的效果。 譬如,在通信标准中可采用TDMA 和FDMA 接入、在信道传输中可兼容多种信道编码、多模多频兼容的终端等。

光与电融合:传统的集群系统中光纤通信用得较少,光纤通信具有成本低、容量大、衰减小等特点,在现代通信技术中具有重要的地位,是大容量超宽带通信的基础资源。

多种业务的融合:多业务融合是未来通信发展方向,基于IP 化的通信能使各种网络互联,利用集群网关也可使各系统互通。 为了完成多媒体业务的功能,IP 网络、公网、窄带集群、宽带集群、卫星通信完全融合在一起。 专网频段及行业应用如表2 所示。

表2 专网频段及行业应用

专网涉及频段、行业众多,目前我国只有1.4 G 无线政务专网是全国统一要求建设的专网,全国有14 个省市完成了1.4 G 无线政务专网覆盖,站址总体规模超1 万余个,网络形式多样、业务方式灵活。

2 专网规划方法研究分析

2.1 技术对比

在现有专网覆盖规划的过程中,一般只采用根据覆盖指标,对网络覆盖效果进行测试及规划。 常规的规划报告形成,如图1 所示。

图1 报告形成流程

信号电平:最佳服务小区覆盖预测、重叠小区覆盖预测、控制信道-参考信道/SCH/PBCH 接收信号电平覆盖预测、业务信道PDSCH,PUSCH 信道接收信号电平覆盖预测。

信号质量(静态负载/蒙特卡罗仿真):控制信道-参考信道/SCH/PBCH 接收信号质量覆盖预测、业务信道PDSCH,PUSCH信道接收信号质量覆盖预测、基于PDSCH/PUSCH 信道接收质量的最佳承载预测、基于PDSCH/PUSCH 信道的速率分布预测图。

黄秆乌哺鸡竹为河南省刚竹属植物的另一新变型[22]。本变型与原变型之间的区别在于秆全部为硫黄色，在秆的中下部有几个节间具有一枚或几枚绿色纵条纹。因其竹秆色泽亮丽，除用作笋用林栽培外，作庭园观赏竹甚佳。

专网覆盖目标和应用场景有别于公众通信网络,需要考虑更多的参考指标,如:自然参数,如气候、地形、地貌、环境、风压、地质灾害等;社会参数,如重大节假日、用户行为等;客户要求,如安全性、可靠性、稳定性、低时延等;平台参数,如电子地图范围、精度、网络建模、天线功率、终端灵敏度等。

2.2 小结

基于研究背景和现状分析可见,随着以无线多媒体业务为代表的专网新业务涌现,复杂的多业务行为在专网中呈现出明显的潮汐现象和幂律分布,传统以覆盖为主的规划方法已无法满足专网业务发展的需求,因而探索满足专网多业务需求的新型网络规划方法是发展的趋势。

3 研究概述

3.1 研究方向和总体思路

通过分析专网应用时存在的地形、气象环境、人流量等干扰因素,通过智能分析手段建立规划模型,使输出的覆盖规划结果最大可能的接近实际测试的结果。

3.2 技术创新点及主要内容

基于研究背景和现状分析可见,随着以无线视频业务为代表的新业务涌现,复杂的多业务行为在时空呈现出明显的潮汐现象和幂律分布,传统的单点统计建模已无法精细刻画,因而探索面向过程的网络化建模是发展的趋势。 从数学上看,网络化过程建模旨在从高维无序空间发现有序模式,其本原问题是动态随机高维向量下的函数构建,面临着复杂性和不确定性双重挑战。

为降低建模的复杂性和减小不确定性,将层析的思想引入过程建模方法。 首先,针对整体建模的复杂性,通过时间尺度缩放分解规模降低建模复杂性,层析出(准)静态模型、缓变模型、快变模型三个过程层次;其次,针对不确定性,考虑随着时间尺度增大不确定逐渐递减,层析出确定和弱不确定,减小整体建模不确定性[5],如图2 所示。

图2 层析建模方法

当前,网络上的业务种类非常多,从运营商定义的大类业务来看,主要包括视频类、音乐类、社交类、新闻类、应用下载类、邮件类、购物类、云盘类、天气类、阅读类、财经类、游戏类、工作类、搜索类、支付类、地图类、打车类等。 每种业务的业务参数主要有上行流量、下行流量、上行数据包、下行数据包、总流量、总数据包、用户数、GET/POST 请求个数以及激活时间等。 准静态模型的研究从较大的空间尺度(RNC 等)上对业务的主要业务参数的业务量进行排序,找出对全网某业务参数的业务量贡献最大的主要业务,即TOP 业务。然后,对这些TOP 业务进行时间序列的回归和趋势分析,实现天尺度(工作日和节假日)的业务分布建模。通过建模发现,天尺度的TOP 业务分布模型具有很好的准静态特性。 运营商利用该特性可以实现网络业务数据的准确预测,如果再针对不同的TOP 业务合理配置网络资源,将有效提升网络资源的效率。 主要考虑参数,如图3 所示,包括:

图3 业务分析影响

(1)自然参数:如气候、地形、地貌、环境、风压、地质灾害等。

(2)社会参数:如重大节假日、用户行为等。

(3)业务要求:如安全性、可靠性、稳定性、低时延等。

(4)平台参数:如电子地图范围、精度、网络建模、天线功率、终端灵敏度等。

流量分层:考虑用户流量整体服从的二八特性,精细化的基站流量建模可以通过层析的方法将基站流量分层为重度用户流量和普通用户流量两部分分别建模,如图4 所示。

图4 流量的特征提取与关联分析

特征提取与关联分析:针对重度用户多维建模特征构造是首要问题,课题研究构造的特征包括:用户流量时间序列特征、用户画像特征(如业务偏好、场景偏好、时段偏好)用户位置信息、基站覆盖场景信息等。首先分析这些特征在预测维度上是否存在相关性,然后选取合适的特征进行各方面预测。

3.3 小结

传统的建模大多基于单维的回归建模或者隐马尔科夫模型,由于基站流量在小尺度时间上的突发性增强,因此单维建模的准确度极低,如图5 所示。

图5 多维关联的小尺度流量建模

小尺度流量建模的难点在于小尺度上的快变、强波动性,突发流量极难预测,本研究尝试从多维关联的角度对小尺度流量建模预测。 另一方面,实际数据显示小尺度流量的突发性大多是由个别用户引起,因此通过层析的方式将流量分层可进一步降低建模的复杂度,提高准确性。

4 技术应用预期

随着5G 的逐步实现多行业应用,例如电力、铁路、民航等行业的5G 应用专网成了公网的延伸;同时,智慧城市的发展,融合了市政、应急、公安、交通等多个行业的专网。 垂直行业5G 应用的增多,本身就是融合的过程,智慧城市的建设未来将成为一个融合的平台,最终实现双网融合协同发展,因此,专网建设有如下发展方向。

4.1 孵化专网规划平台

以多维度的立体规划方法进行课题研究,后期对其IT 开发搭建架构,对不同行业不同场景进行应用,衍生自主研发的专网规划平台雏形。

4.2 开展多行业和多场景的应用

通过规划平台的搭建,对不同行业不同场景形成规划结果,拓展政府及行业专网规划,为政府在城市管理、公共安全和应急处理发挥专网价值。

4.3 实现公网与专网融合共享

发挥铁塔公司庞大的存量资源储备和社会社会资源获取优势,通过专网规划的研究算法为后期专网规划建设及物联网应用打好基础,实现双网融合协同发展[6-7]。

5 结语

随着国家队公共安全越来越重视,以及疫情防控期间我国经济的持续发展,我国的专网通信将稳步持续发展[2]。 在专网规划建设中,需要考虑专网的业务需求、功能需求、无线技术特点以及投资建设情况等多种因素。 本文通过分析专网应用时存在的地形、气象环境、人流量等干扰因素,通过智能分析手段建立规划模型,同时将层析的思想引入到过程建模方法中,针对整体建模的复杂性,通过时间尺度缩放分解规模降低建模复杂性,层析出(准)静态模型、缓变模型、快变模型三个过程层次,并考虑随着时间尺度增大不确定逐渐递减,层析出确定和弱不确定,减小整体建模不确定性,使输出的覆盖规划结果最大可能的接近实际测试的结果。