基于大數(shù)據(jù)分析的無線通信技術(shù)研究

徐全盛，葛林強(qiáng)，鄒勤宜

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十研究所，上海 200331）

基于大數(shù)據(jù)分析的無線通信技術(shù)研究

徐全盛，葛林強(qiáng)，鄒勤宜

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十研究所，上海 200331）

在未來高度信息化的社會，信息傳輸將具備海量、大連接、異構(gòu)業(yè)務(wù)需求、數(shù)據(jù)空-時域分布不均勻等特征，給無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與建設(shè)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。大數(shù)據(jù)是處理這些挑戰(zhàn)、優(yōu)化未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)可以整合各種分散的零星信息，并深入研究各數(shù)據(jù)要素之間的關(guān)系，指導(dǎo)新型無線通信網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)平臺的搭建，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)潛力。因此，本文初步探討大數(shù)據(jù)在無線頻譜管控、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化、無線資源高效管理方面的作用，綜述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以期為未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和大數(shù)據(jù)在無線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供參考。

大數(shù)據(jù)分析；頻譜管控；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化；無線資源管理

0 引 言

信息時代的到來，給無線通信網(wǎng)絡(luò)帶來了極大的挑戰(zhàn)[1-4]。第一，數(shù)據(jù)流量出現(xiàn)爆炸式增長，如圖1所示[1]。根據(jù)IMT-2020（5G）推進(jìn)組的估計，全球移動數(shù)據(jù)流量從2010年到2030年將增長近2萬倍，我國的增長水平甚至?xí)?萬倍。第二，連網(wǎng)設(shè)備急劇增長。預(yù)計到2030年，全球移動終端（不含物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）將達(dá)到180億，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)將接近1千億，如圖2所示[1]。第三，業(yè)務(wù)類型演進(jìn)與數(shù)據(jù)多樣化，包括話音、數(shù)據(jù)、OTT消息、超高清視頻、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、在線游戲、智能家居、環(huán)境監(jiān)測、車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制等各種QoS需求的業(yè)務(wù)。第四，數(shù)據(jù)空-時域分布更不均勻（熱點(diǎn)區(qū)域業(yè)務(wù)量占70%[2]），應(yīng)用場景更加多樣，如5G包括四種典型通信場景——連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時延高可靠場景。第五，高能耗與安全性等其他一些問題。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，必須改進(jìn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計、部署、建設(shè)、管理及維護(hù)等方式，引進(jìn)一批先進(jìn)技術(shù)，瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸與關(guān)鍵問題，不斷提升網(wǎng)絡(luò)的各方面能力。

圖1 移動數(shù)據(jù)流量增長預(yù)測（倍）

圖2 移動終端及物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)增長預(yù)測

大數(shù)據(jù)是一種潛在的關(guān)鍵技術(shù)，其利用計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對傳統(tǒng)分散的、海量信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過快速獲取、處理、分析，形成有開發(fā)價值的資料和信息[4]。作為一種新的生產(chǎn)要素，大數(shù)據(jù)將改變?nèi)藗冋J(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的方法，包括[2,5]：可以分析更多數(shù)據(jù)，有時甚至可以處理和某個特別現(xiàn)象相關(guān)的所有數(shù)據(jù)，而不再依賴于隨機(jī)采樣；絕對的精確度往往不再是數(shù)據(jù)分析的主要目標(biāo)，海量的數(shù)據(jù)處理往往更加注重處理效率與對事物變化趨勢的判斷；相關(guān)關(guān)系成為繼因果關(guān)系之后的重要思維方式，其可以給人們提供非常新穎且有價值的觀點(diǎn)。

通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，無線通信網(wǎng)絡(luò)可以整合 各種分散于網(wǎng)絡(luò)的零星信息，并利用數(shù)據(jù)挖掘的理論與方法，深入研究無線網(wǎng)絡(luò)各要素之間的關(guān)系，擴(kuò)展思維認(rèn)知從單純的因果關(guān)系向相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)變，指導(dǎo)新型無線通信網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)平臺的構(gòu)建，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)潛力。具體地，大數(shù)據(jù)將在無線頻譜管理與控制、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化、無線資源管理等方面發(fā)揮重要作用。

當(dāng)前，研究人員已經(jīng)對大數(shù)據(jù)在通信行業(yè)的應(yīng)用展開研究，研究重點(diǎn)主要集中于大數(shù)據(jù)在民用移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的作用，對話費(fèi)套餐策略制定的啟示，對運(yùn)營商帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)等。本文在此研究基礎(chǔ)上，首先對當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)存在的問題及大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行概要總結(jié)，探討大數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜管控、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化和無線資源管理三方面的作用，并對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，以期為未來網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和大數(shù)據(jù)在無線通信網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用提供參考。

1 基于大數(shù)據(jù)分析的頻譜資源管控

1.1 必要性分析

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜資源變得越來越緊張。目前，頻譜管理制度為固定分配方式，頻率使用方式缺乏靈活性，存在如下突出矛盾。一方面，有限的頻譜資源難以滿足日益增長的頻譜使用需求；另一方面，相當(dāng)數(shù)量的頻譜資源利用率非常低。以美國為例，根據(jù)聯(lián)邦通信委員會（FCC）提供的數(shù)據(jù)，已分配的頻譜利用率只有15%～85%[6]。針對此矛盾，雖然研究人員已經(jīng)提出了認(rèn)知無線電的頻譜管理新思路，但是受限于以往的信息處理手段（存儲、計算等），信息挖掘能力有限，各級無線電管理機(jī)構(gòu)仍然難以及時從大量頻譜監(jiān)測信息中獲取有價值的管理信息[7-9]。大數(shù)據(jù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電頻譜管理的關(guān)鍵，作為目前被廣泛接受的海量信息處理手段，可以有效采集各種頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)，充分挖掘海量監(jiān)測數(shù)據(jù)中隱藏的有用信息，預(yù)測頻譜需求、評估用頻效率，實(shí)現(xiàn)頻譜的認(rèn)知管理。

1.2 可行性分析

首先，頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)符合大數(shù)據(jù)信息處理的特征，如海量數(shù)據(jù)、類型繁多、價值量大。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，無線電頻譜的使用范圍不斷擴(kuò)展（5G已明確提出將頻率范圍擴(kuò)展到100 GHz[10]），各種頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)量極大。文獻(xiàn)[7]指出僅寧波地區(qū)9座監(jiān)測站15分鐘內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都是GB量級。考慮到國內(nèi)無線電管理部門在過去幾十年時間里積累的大量數(shù)字、圖片和影音等無線電磁監(jiān)測信息，頻譜監(jiān)測的大數(shù)據(jù)屬性完全不用懷疑。為解決頻譜短缺問題，滿足日后無線電管理應(yīng)用和發(fā)展的需要，迫切需要利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對海量增長的信息進(jìn)行有效存儲、歸類和分析，深入挖掘數(shù)據(jù)中潛在的價值，實(shí)現(xiàn)頻譜需求精確預(yù)測與分析、頻率高效規(guī)劃和分配，提高頻譜資源的利用率。

其次，大數(shù)據(jù)分析與預(yù)測是實(shí)現(xiàn)頻譜精細(xì)化使用、認(rèn)知管理的關(guān)鍵。頻譜精細(xì)化使用與認(rèn)知管理的核心是動態(tài)頻譜共享。因此，部分甚至全部采用動態(tài)頻譜管理實(shí)現(xiàn)多種無線通信技術(shù)共享頻譜資源，是基于認(rèn)知無線電頻譜管理的基本狀態(tài)。然而，在部分或全部采用動態(tài)頻譜管理時，為實(shí)現(xiàn)各種無線通信技術(shù)之間能夠和平共享頻譜資源，不僅需要做到海量頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時分析，還需要能夠采集不同用戶不同終端所支持的頻率信息，預(yù)測不同用戶的業(yè)務(wù)請求、不同設(shè)備使用頻率的習(xí)慣等信息，以挖掘這些信息與用戶將來一段時間內(nèi)可用頻率信息之間的相關(guān)性，從而指導(dǎo)用戶的頻率使用。由于影響設(shè)備用頻信息的因素眾多，如不同的無線環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、終端參數(shù)、用戶行為、業(yè)務(wù)請求等，利用傳統(tǒng)的因果關(guān)系建模這些因素與用頻信息之間的關(guān)系非常困難。從目前的技術(shù)水平看，大數(shù)據(jù)這種不關(guān)注因果關(guān)系、只追求相關(guān)關(guān)系的海量信息處理方法，是一種可行的建模手段。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，在大數(shù)據(jù)頻譜管理方面，國內(nèi)外都處于起步階段。文獻(xiàn)[8]簡單描述了大數(shù)據(jù)頻譜管理的必要性及目前可能存在的一些問題。文獻(xiàn)[9]針對海量頻譜數(shù)據(jù)給頻譜管理帶來的挑戰(zhàn)，基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種頻譜占用預(yù)測算法，通過學(xué)習(xí)歷史頻譜數(shù)據(jù)分析未來頻譜的占用情況。文獻(xiàn)[11]在認(rèn)知C-RAN網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計了一種基于大數(shù)據(jù)技術(shù)框架的未來頻譜占用預(yù)測機(jī)制，以通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法，從長期頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)中獲得頻譜的未來占用情況。可見，當(dāng)前的研究仍主要處于通過歷史頻譜數(shù)據(jù)預(yù)測未來頻譜空洞的階段，還未兼顧考慮不同終端所支持的頻段信息、不同用戶的未來業(yè)務(wù)需求、不同用戶的用頻偏好等對頻譜空洞預(yù)測的影響，也未考慮頻譜空洞在眾多設(shè)備之間如何共享的問題。

2 基于大數(shù)據(jù)分析的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化

2.1 必要性分析

每種通信手段都有其適用的范圍與對象，不存在一種通信技術(shù)能夠適用于所有的通信場景，滿足所有用戶的傳輸需求。為此，未來網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)融合特征已被人們廣泛認(rèn)可[7]，這也就意味著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將需要同時運(yùn)營多張網(wǎng)絡(luò)。例如，當(dāng)前國內(nèi)幾家運(yùn)營商需要同時運(yùn)營2G/3G/4G移動通信網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)；戰(zhàn)術(shù)通信需要綜合運(yùn)用散射、中長波、短波、超短波、區(qū)域?qū)拵А⑿l(wèi)星、光纖、被復(fù)線等傳輸手段[12]。在網(wǎng)絡(luò)大融合的時代，各制式通信手段/網(wǎng)絡(luò)之間互操作越來越頻繁，其協(xié)調(diào)部署與優(yōu)化越來越復(fù)雜，對網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)處理各項數(shù)據(jù)的能力要求不斷提高。同時，入網(wǎng)設(shè)備的急劇增長、業(yè)務(wù)類型多樣化、數(shù)據(jù)空-時域分布不均勻、高能耗等未來信息網(wǎng)絡(luò)典型特征，也給網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化帶來了極大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化方法已經(jīng)逐漸顯示出其局限性，主要包括[12-24]：

（1）一體化程度不高。各種無線網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立規(guī)劃與運(yùn)維，不能實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一管理；每張網(wǎng)絡(luò)的性能分析、周期性報表制作需要多個系統(tǒng)支撐；不能靈活滿足通信手段多樣、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與入網(wǎng)設(shè)備快速增長的需求。

（2）靈活性不高。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署無法有效匹配數(shù)據(jù)空-時域分布不均勻的特征，也無法實(shí)時適配業(yè)務(wù)需求的動態(tài)變化。未來的網(wǎng)絡(luò)部署迫切需要實(shí)現(xiàn)由靜態(tài)向動態(tài)、由固定向靈活配置的轉(zhuǎn)變。

（3）海量數(shù)據(jù)的深度挖掘效率不高，預(yù)警及時性不足，缺乏多維度數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析能力，不能先于用戶發(fā)現(xiàn)問題，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)見性分析。

（4）網(wǎng)絡(luò)的精確覆蓋能力弱。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案僅僅依賴簡單的傳播模型、電子地圖與話務(wù)統(tǒng)計，而傳播模型和電子地圖與實(shí)際場景總會存在一定誤差，這將直接影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃的準(zhǔn)確性。

（5）網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化缺乏智能化，數(shù)據(jù)源單一，無法真正識別價值熱點(diǎn)，投資收益不高；且無法區(qū)分站點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)的優(yōu)先級，不利于分批分階段建設(shè)，效率低、成本高，無法保證投資的有效性。

大數(shù)據(jù)是解決上述局限性，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活規(guī)劃與優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。借助于大數(shù)據(jù)所具備的全信息采集能力、深度學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘功能，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化方法，將實(shí)現(xiàn)對用戶需求的前瞻性預(yù)測，實(shí)現(xiàn)各類指標(biāo)的快速統(tǒng)計分析，先于用戶發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化方案，極大提升現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化方法的性能。

2.2 可行性分析

首先，大數(shù)據(jù)的核心思想正是采集各種分散的、零散的全局信息，實(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化信息的一體化統(tǒng)一存儲與分類（這在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，一般意味著網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理與集中化控制，如中移動的C-RAN），并利用數(shù)據(jù)挖掘算法獲得數(shù)據(jù)之間潛在的、有價值的相關(guān)關(guān)系，以獲得某些預(yù)見性的分析結(jié)果。因此，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化工具存在的上述瓶頸都可以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)得到解決或緩解。當(dāng)然，這一過程中也可能出現(xiàn)一些非技術(shù)的問題，如在戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中，各軍兵種通信系統(tǒng)受到傳統(tǒng)煙囪式發(fā)展的影響，大量數(shù)據(jù)散落在各種業(yè)務(wù)平臺、支撐系統(tǒng)、網(wǎng)管系統(tǒng)等多個獨(dú)立的平臺上；各平臺之間數(shù)據(jù)模型缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，較難保證各平臺間數(shù)據(jù)的一致性，數(shù)據(jù)共享困難。但是，在信息技術(shù)不斷發(fā)展的未來，相信各種體制、機(jī)制壁壘終將逐步打破，數(shù)據(jù)信息的實(shí)時共享與統(tǒng)一管理是大勢所驅(qū)。

其次，大數(shù)據(jù)分析也是大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化的必然選擇。影響網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的因素可能成百上千，眾多因素與網(wǎng)絡(luò)性能之間的關(guān)系極其復(fù)雜。傳統(tǒng)的因果關(guān)系建模非常困難或不現(xiàn)實(shí)，而以建立數(shù)據(jù)間相關(guān)關(guān)系見長的大數(shù)據(jù)技術(shù)，則為這一問題的解決提供了一種新的思路。例如，在當(dāng)前戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具很難自主根據(jù)敵人偵察衛(wèi)星、預(yù)警機(jī)的偵察頻率、戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及其他各種多源情報信息，預(yù)測評估某地區(qū)未來發(fā)生戰(zhàn)斗時是否需要部署通信增強(qiáng)裝備（中繼站），實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的前瞻性規(guī)劃與部署。但是，已有的大數(shù)據(jù)預(yù)測分析應(yīng)用（Google利用人們使用搜索引擎查閱流感情況，精確預(yù)測流感[5]；京東利用人們?yōu)g覽信息，計算用戶購買商品的概率，提前進(jìn)行商品調(diào)配，實(shí)現(xiàn)智能化物流），使人們相信基于大數(shù)據(jù)分析的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具將使得這種分析預(yù)測成為可能。

2.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，為人們理解與分析網(wǎng)絡(luò)提供了一個更好的機(jī)會。鑒于大數(shù)據(jù)運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化方面的技術(shù)優(yōu)勢，國內(nèi)外對此展開了大量研究。

文獻(xiàn)[13]指出大數(shù)據(jù)應(yīng)用于移動通信網(wǎng)絡(luò)可幫助實(shí)現(xiàn)自動化的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，建立基于大數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)操作。針對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不便于移動大數(shù)據(jù)的分析與存儲，文獻(xiàn)[14]提出了一種基于軟件定義（SDN）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種有效的網(wǎng)絡(luò)管理方法，驗(yàn)證了大數(shù)據(jù)分析對于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化管理的作用。文獻(xiàn)[1 5]指出大數(shù)據(jù)與SDN存在密切關(guān)系，SDN可以為大數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)，而大數(shù)據(jù)可以在流量工程、跨層設(shè)計、克服網(wǎng)絡(luò)攻擊、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)等方面提升SDN網(wǎng)絡(luò)的性能。文獻(xiàn)[16]基于大數(shù)據(jù)分析方法，提出全局?jǐn)?shù)據(jù)代替采樣數(shù)據(jù)、效率優(yōu)先于精確、相關(guān)關(guān)系代替因果關(guān)系的三個網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化大數(shù)據(jù)應(yīng)用方向。文獻(xiàn)[17]指出大數(shù)據(jù)是C-RAN的關(guān)鍵技術(shù)，歸功于快速發(fā)展的大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和強(qiáng)大的計算能力，可以極大提升C-RAN網(wǎng)絡(luò)的容量。

文獻(xiàn)[18]基于云的MapReduce框架提出了一種虛擬網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋬?yōu)化機(jī)制，仿真實(shí)驗(yàn)表明，所提機(jī)制可以極大提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能。文獻(xiàn)[19]給出了一種大數(shù)據(jù)驅(qū)動的移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化框架，設(shè)計討論了其中的數(shù)據(jù)收集與分析算法，并驗(yàn)證了所提框架對于提升網(wǎng)絡(luò)性能的作用。文獻(xiàn)[20]利用大數(shù)據(jù)提出了3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋分析方法，通過挖掘運(yùn)營商存儲的大量網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)，優(yōu)化了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能。文獻(xiàn)[21]針對以往網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化數(shù)據(jù)來源單一、無法辨別價值熱點(diǎn)等問題，通過價值評估、干擾評估、覆蓋評估等多維度的評估體系，利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，優(yōu)化了LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，提升了網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)質(zhì)量。文獻(xiàn)[22]通過大數(shù)據(jù)模型的自動學(xué)習(xí)和訓(xùn)練功能，實(shí)現(xiàn)了對每個小區(qū)級無線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量趨勢的預(yù)測，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作從事后處理向預(yù)先評估與預(yù)警模式的轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)[23]鑒于現(xiàn)有數(shù)據(jù)存儲分散、利用率低和使用不便等問題，提出了大數(shù)據(jù)共享平臺的架構(gòu)設(shè)計，整合分散的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，制定統(tǒng)一的共享接口，以提高數(shù)據(jù)利用效率、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效率和質(zhì)量。文獻(xiàn)[24]提出了基于大數(shù)據(jù)分析的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化體系，介紹了中國聯(lián)通在大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化方面的相關(guān)進(jìn)展。

3 基于大數(shù)據(jù)分析的無線資源管理

3.1 必要性分析

一方面，新型業(yè)務(wù)類型的不斷涌現(xiàn)、數(shù)據(jù)多樣化、應(yīng)用場景差異化與數(shù)據(jù)空-時域不均勻特性，給傳統(tǒng)資源管理框架帶來了極大挑戰(zhàn)。以移動通信系統(tǒng)為例，為適應(yīng)信息高速增長與業(yè)務(wù)多樣化的需求，當(dāng)前以資源集中化配置為特征的“云-管-端（網(wǎng)-云-端）”無線接入網(wǎng)架構(gòu)已被廣泛認(rèn)可，如C-RAN。在這種架構(gòu)下，傳統(tǒng)的資源管理體系將面臨極大問題[3,25-26]。第一，從資源管理研究單位看，傳統(tǒng)方法以小區(qū)為基本單位，對全局資源的管理效率較低，這與海量數(shù)據(jù)空-時域不均勻的分布特征嚴(yán)重不符，未來資源管理須從以小區(qū)為中心向以用戶體驗(yàn)為中心轉(zhuǎn)變。第二，從資源管理的目標(biāo)看，傳統(tǒng)資源管理一般以網(wǎng)絡(luò)吞吐量、能量效率為主要優(yōu)化目標(biāo)，無法實(shí)現(xiàn)基于異構(gòu)業(yè)務(wù)需求的差異化控制，資源管理靈活性較低。第三，從計算復(fù)雜性分析，未來無線網(wǎng)絡(luò)資源的維度不斷增加（空、時、頻、碼、功率等），數(shù)據(jù)多樣化和業(yè)務(wù)需求異構(gòu)化導(dǎo)致資源管理的約束/因素也大幅增加，資源管理優(yōu)化策略的制定和優(yōu)化目標(biāo)的求解變得異常復(fù)雜。第四，資源管理的智能化程度較低，很難適應(yīng)移動互聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務(wù)的不斷創(chuàng)新，如現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的承載方式對QQ、微信等量大、數(shù)據(jù)小、突發(fā)性強(qiáng)的業(yè)務(wù)考慮不足，信令開銷較高。根據(jù)Oracle的預(yù)測，從2013年到2018年，全球LTE Di ameter信令將以78%的年復(fù)合平均增長率快速增長[26]，如圖3所示。

圖3 Oracle預(yù)測的LTE Diameter信令增長情況

另一方面，在無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)可獲得多種特征的大數(shù)據(jù)。物理層有信號強(qiáng)度、信噪比（SNR）、接入經(jīng)緯度、運(yùn)行速度、多普勒頻移、載波頻點(diǎn)、所有服務(wù)的基站等無線特征數(shù)據(jù)；MAC層有用戶級別、業(yè)務(wù)類型、請求速率、調(diào)度優(yōu)先級、單次接入時延、信道可用率、掉話率、阻塞率（接通率）、話務(wù)量和切換成功率等具有服務(wù)質(zhì)量（QoS）特征的數(shù)據(jù)；應(yīng)用層有用戶業(yè)務(wù)習(xí)慣（如平均通信時長）、用戶感知體驗(yàn)（ 如時延容忍度）、用戶套餐（如付費(fèi)習(xí)慣、續(xù)約習(xí)慣、消費(fèi)分析）等具有用戶行為特征的數(shù)據(jù)信息。這些海量、差異化的數(shù)據(jù)對于網(wǎng)絡(luò)資源管理具有重要作用。如何利用大數(shù)據(jù)技術(shù)有效利用這些數(shù)據(jù)，挖掘其中有價值的信息服務(wù)于無線網(wǎng)絡(luò)，是值得人們研究的重要內(nèi)容。

3.2 可行性分析

首先，大數(shù)據(jù)本身天然具備適應(yīng)以資源集中化配置的“云-管-端”無線接入網(wǎng)架構(gòu)，其高效的數(shù)據(jù)采集能力、分布式處理能力、信息挖掘能力以及由此帶來的精確預(yù)測能力，是傳統(tǒng)資源管理解決上述問題的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)資源精細(xì)化管理與精準(zhǔn)投放，滿足用戶差異化需求的關(guān)鍵。比如：一個資源集中化配置的無線網(wǎng)絡(luò)，可以通過采集每個用戶的運(yùn)動軌跡、興趣愛好及其最新資訊、訂閱的內(nèi)容APP、用戶辦公及居住地點(diǎn)等信息，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立相關(guān)模型，預(yù)測每時刻每個區(qū)域大概需要的無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、無線資源數(shù)量，實(shí)現(xiàn)基站節(jié)點(diǎn)的自動開關(guān)、無線資源的精確投放與全域調(diào)度。又如，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)用戶接入位置、運(yùn)行狀態(tài)、信號強(qiáng)弱、當(dāng)前業(yè)務(wù)情況、通信習(xí)慣等信息，預(yù)測用戶將來將要經(jīng)歷的小區(qū)、發(fā)起的業(yè)務(wù)請求，實(shí)現(xiàn)小區(qū)資源的精預(yù)留；甚至虛擬一個小區(qū)，以時刻跟蹤用戶運(yùn)動來為用戶提供服務(wù)。

其次，資源管理優(yōu)化目標(biāo)和約束條件與無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)各種大數(shù)據(jù)之間的關(guān)系復(fù)雜，建模極其困難。例如，人們很難建模傳統(tǒng)資源管理經(jīng)典優(yōu)化目標(biāo)——網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與信道可用率之間的精確數(shù)學(xué)關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與用戶感知體驗(yàn)之間的精確關(guān)系等。然而，大數(shù)據(jù)為人們認(rèn)知無線資源管理提供了一種新方法，如在資源管理問題建模時，人們不必追求數(shù)據(jù)之間嚴(yán)格的因果關(guān)系，而只需知道其相互關(guān)系；獲取的數(shù)據(jù)如此之多，網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性如此之高，資源管理策略也不需要熱衷于追求精確度。這將極大簡化資源管理目標(biāo)與海量數(shù)據(jù)之間的數(shù)學(xué)建模，為資源的精確利用提供可能。

3.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，在基于大數(shù)據(jù)的無線資源管理研究方面，國內(nèi)仍處于起步階段。文獻(xiàn)[3]梳理了在無線接入網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以收集到的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提出了基于大數(shù)據(jù)挖掘的無線網(wǎng)絡(luò)資源精準(zhǔn)投放思想，以應(yīng)對移動大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)空-時域分布不均勻的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[27]基于MapReduce數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提出了一種資源分配機(jī)制，以從網(wǎng)絡(luò)記錄文件、配置文件、數(shù)據(jù)庫條目、監(jiān)控警報等大量信息中挖掘有用的信息，從而優(yōu)化每個用戶的資源分配，解決現(xiàn)有無線接入網(wǎng)資源分配存在的諸多問題。

4 結(jié) 語

在面向未來的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，海量信息傳輸、大量設(shè)備連接、異構(gòu)業(yè)務(wù)需求以及數(shù)據(jù)空-時域分布不均勻等特征，給無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與建設(shè)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。大數(shù)據(jù)技術(shù)是未來無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以有效解決或緩解無線網(wǎng)絡(luò)面臨的上述挑戰(zhàn)。本文初步探討大數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜管控、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化和無線資源管理方面的作用，并對大數(shù)據(jù)在這三個領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，以為未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計以及大數(shù)據(jù)在無線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供一定的參考。

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徐全盛（1988—），男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)橐苿油ㄐ拧⒚裼猛ㄐ跑娪没芯俊?zhàn)術(shù)無線通信；

葛林強(qiáng)（1980—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)無線通信、通信抗干擾技術(shù)；

鄒勤宜（1965—），男，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)通信、天地一體化網(wǎng)絡(luò)、軍用抗干擾技術(shù)。

Wireless Communication Technology based on Big-Data Analysis

XU Quan-sheng, GE Lin-qiang, ZOU Qin-yi
(No.50 Institute of CETC, Shanghai 200331, China)

In the future highly information-based society, information transmission, characterized by high volume, massive-connections, variety services, and non-uniform distribution in the time and space domains, etc., would bring great challenges to the design and construction of wireless network. Big data is an effective technology to handle these challenges and optimize the future networks. With big data, wireless network could integrate the scattered information, and analyze deeply the relation of between various data elements, thus to guide the construction of novel wireless network and service platform, improve the potential ability of network service. This paper discusses the applications of big data in spectrum management, network planning and optimization, radio resource management, including its research status both at home and abroad, thus providing some references for the design of future wireless networks and the application of big data in wireless networks.

big data; spectrum management; network planning and optimization; radio resource management

TN929

A

1002-0802(2016)-12-1635-07

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.12.012

2016-08-14

2016-11-12 Received date:2016-08-14;Revised date:2016-11-12