基于專網(wǎng)多業(yè)務行為的層級式規(guī)劃方法研究

向 濤,葛 寧,趙小龍,張永奎,劉 帥

(1.中國鐵塔股份有限公司陜西省分公司,陜西 西安 710075;2.清華大學,北京 100080)

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)暴力和恐怖主義事件的頻繁發(fā)生以及國家安全的提高,“模擬到數(shù)字”技術(shù)的升級、將寬帶和窄帶融合組網(wǎng)已經(jīng)成為專網(wǎng)市場規(guī)模增長的兩大趨勢。 同時,隨著社會保障形勢的日益復雜,單純依靠語音調(diào)度難以滿足管理需要,高清圖像管理、視頻通話和回傳等寬帶多媒體業(yè)務得到越來越多的應用,而窄帶網(wǎng)絡具有超低時延的語音通信、優(yōu)先級管理、安全等特點,因此寬帶與窄帶融合的組網(wǎng)方式已成為行業(yè)的普遍共識。

1 專網(wǎng)概念及發(fā)展歷程介紹

1.1 專網(wǎng)簡介

專網(wǎng)是政府、行業(yè)、部門或者單位內(nèi)部使用的一種安全的通信網(wǎng)絡,該網(wǎng)絡主要應用在應急通信、安全生產(chǎn)、調(diào)度指揮、日常工作等方面[1]。

專網(wǎng)依賴業(yè)務和功能兩方面的需求而產(chǎn)生,業(yè)務方面主要是政府或者行業(yè)提出并發(fā)展了包括電子政府、公共安全、應急聯(lián)動、城市管理、軌道交通、機場管理等無線專網(wǎng)[2]。

1.2 專網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展歷程

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,專網(wǎng)通信技術(shù)經(jīng)歷了3個階段,分別是模擬常規(guī)技術(shù)、模擬集群技術(shù)、數(shù)字集群技術(shù),現(xiàn)階段技術(shù)主要表現(xiàn)為模擬集群技術(shù)向數(shù)字集群技術(shù)轉(zhuǎn)換。 主要專網(wǎng)通信標準及特點如表1所示。

表1 主要專網(wǎng)通信標準及特點

1.3 專網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀

無線專網(wǎng)可為應急及公共安全應急處理提供可靠的通信保障,專網(wǎng)產(chǎn)品未來將朝著多技術(shù)融合、窄帶與寬帶融合、光電融合、多網(wǎng)絡融合的趨勢發(fā)展。

多種技術(shù)融合:現(xiàn)代通信是多種技術(shù)的綜合應用,達到優(yōu)勢互補、相得益彰的效果。 譬如,在通信標準中可采用TDMA 和FDMA 接入、在信道傳輸中可兼容多種信道編碼、多模多頻兼容的終端等。

光與電融合:傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)中光纖通信用得較少,光纖通信具有成本低、容量大、衰減小等特點,在現(xiàn)代通信技術(shù)中具有重要的地位,是大容量超寬帶通信的基礎資源。

多種業(yè)務的融合:多業(yè)務融合是未來通信發(fā)展方向,基于IP 化的通信能使各種網(wǎng)絡互聯(lián),利用集群網(wǎng)關(guān)也可使各系統(tǒng)互通。 為了完成多媒體業(yè)務的功能,IP 網(wǎng)絡、公網(wǎng)、窄帶集群、寬帶集群、衛(wèi)星通信完全融合在一起。 專網(wǎng)頻段及行業(yè)應用如表2 所示。

表2 專網(wǎng)頻段及行業(yè)應用

專網(wǎng)涉及頻段、行業(yè)眾多,目前我國只有1.4 G 無線政務專網(wǎng)是全國統(tǒng)一要求建設的專網(wǎng),全國有14 個省市完成了1.4 G 無線政務專網(wǎng)覆蓋,站址總體規(guī)模超1 萬余個,網(wǎng)絡形式多樣、業(yè)務方式靈活。

2 專網(wǎng)規(guī)劃方法研究分析

2.1 技術(shù)對比

在現(xiàn)有專網(wǎng)覆蓋規(guī)劃的過程中,一般只采用根據(jù)覆蓋指標,對網(wǎng)絡覆蓋效果進行測試及規(guī)劃。 常規(guī)的規(guī)劃報告形成,如圖1 所示。

圖1 報告形成流程

信號電平:最佳服務小區(qū)覆蓋預測、重疊小區(qū)覆蓋預測、控制信道-參考信道/SCH/PBCH 接收信號電平覆蓋預測、業(yè)務信道PDSCH,PUSCH 信道接收信號電平覆蓋預測。

信號質(zhì)量(靜態(tài)負載/蒙特卡羅仿真):控制信道-參考信道/SCH/PBCH 接收信號質(zhì)量覆蓋預測、業(yè)務信道PDSCH,PUSCH信道接收信號質(zhì)量覆蓋預測、基于PDSCH/PUSCH 信道接收質(zhì)量的最佳承載預測、基于PDSCH/PUSCH 信道的速率分布預測圖。

黃稈烏哺雞竹為河南省剛竹屬植物的另一新變型[22]。本變型與原變型之間的區(qū)別在于稈全部為硫黃色，在稈的中下部有幾個節(jié)間具有一枚或幾枚綠色縱條紋。因其竹稈色澤亮麗，除用作筍用林栽培外，作庭園觀賞竹甚佳。

專網(wǎng)覆蓋目標和應用場景有別于公眾通信網(wǎng)絡,需要考慮更多的參考指標,如:自然參數(shù),如氣候、地形、地貌、環(huán)境、風壓、地質(zhì)災害等;社會參數(shù),如重大節(jié)假日、用戶行為等;客戶要求,如安全性、可靠性、穩(wěn)定性、低時延等;平臺參數(shù),如電子地圖范圍、精度、網(wǎng)絡建模、天線功率、終端靈敏度等。

2.2 小結(jié)

基于研究背景和現(xiàn)狀分析可見,隨著以無線多媒體業(yè)務為代表的專網(wǎng)新業(yè)務涌現(xiàn),復雜的多業(yè)務行為在專網(wǎng)中呈現(xiàn)出明顯的潮汐現(xiàn)象和冪律分布,傳統(tǒng)以覆蓋為主的規(guī)劃方法已無法滿足專網(wǎng)業(yè)務發(fā)展的需求,因而探索滿足專網(wǎng)多業(yè)務需求的新型網(wǎng)絡規(guī)劃方法是發(fā)展的趨勢。

3 研究概述

3.1 研究方向和總體思路

通過分析專網(wǎng)應用時存在的地形、氣象環(huán)境、人流量等干擾因素,通過智能分析手段建立規(guī)劃模型,使輸出的覆蓋規(guī)劃結(jié)果最大可能的接近實際測試的結(jié)果。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新點及主要內(nèi)容

基于研究背景和現(xiàn)狀分析可見,隨著以無線視頻業(yè)務為代表的新業(yè)務涌現(xiàn),復雜的多業(yè)務行為在時空呈現(xiàn)出明顯的潮汐現(xiàn)象和冪律分布,傳統(tǒng)的單點統(tǒng)計建模已無法精細刻畫,因而探索面向過程的網(wǎng)絡化建模是發(fā)展的趨勢。 從數(shù)學上看,網(wǎng)絡化過程建模旨在從高維無序空間發(fā)現(xiàn)有序模式,其本原問題是動態(tài)隨機高維向量下的函數(shù)構(gòu)建,面臨著復雜性和不確定性雙重挑戰(zhàn)。

為降低建模的復雜性和減小不確定性,將層析的思想引入過程建模方法。 首先,針對整體建模的復雜性,通過時間尺度縮放分解規(guī)模降低建模復雜性,層析出(準)靜態(tài)模型、緩變模型、快變模型三個過程層次;其次,針對不確定性,考慮隨著時間尺度增大不確定逐漸遞減,層析出確定和弱不確定,減小整體建模不確定性[5],如圖2 所示。

圖2 層析建模方法

當前,網(wǎng)絡上的業(yè)務種類非常多,從運營商定義的大類業(yè)務來看,主要包括視頻類、音樂類、社交類、新聞類、應用下載類、郵件類、購物類、云盤類、天氣類、閱讀類、財經(jīng)類、游戲類、工作類、搜索類、支付類、地圖類、打車類等。 每種業(yè)務的業(yè)務參數(shù)主要有上行流量、下行流量、上行數(shù)據(jù)包、下行數(shù)據(jù)包、總流量、總數(shù)據(jù)包、用戶數(shù)、GET/POST 請求個數(shù)以及激活時間等。 準靜態(tài)模型的研究從較大的空間尺度(RNC 等)上對業(yè)務的主要業(yè)務參數(shù)的業(yè)務量進行排序,找出對全網(wǎng)某業(yè)務參數(shù)的業(yè)務量貢獻最大的主要業(yè)務,即TOP 業(yè)務。然后,對這些TOP 業(yè)務進行時間序列的回歸和趨勢分析,實現(xiàn)天尺度(工作日和節(jié)假日)的業(yè)務分布建模。通過建模發(fā)現(xiàn),天尺度的TOP 業(yè)務分布模型具有很好的準靜態(tài)特性。 運營商利用該特性可以實現(xiàn)網(wǎng)絡業(yè)務數(shù)據(jù)的準確預測,如果再針對不同的TOP 業(yè)務合理配置網(wǎng)絡資源,將有效提升網(wǎng)絡資源的效率。 主要考慮參數(shù),如圖3 所示,包括:

圖3 業(yè)務分析影響

(1)自然參數(shù):如氣候、地形、地貌、環(huán)境、風壓、地質(zhì)災害等。

(2)社會參數(shù):如重大節(jié)假日、用戶行為等。

(3)業(yè)務要求:如安全性、可靠性、穩(wěn)定性、低時延等。

(4)平臺參數(shù):如電子地圖范圍、精度、網(wǎng)絡建模、天線功率、終端靈敏度等。

流量分層:考慮用戶流量整體服從的二八特性,精細化的基站流量建?？梢酝ㄟ^層析的方法將基站流量分層為重度用戶流量和普通用戶流量兩部分分別建模,如圖4 所示。

圖4 流量的特征提取與關(guān)聯(lián)分析

特征提取與關(guān)聯(lián)分析:針對重度用戶多維建模特征構(gòu)造是首要問題,課題研究構(gòu)造的特征包括:用戶流量時間序列特征、用戶畫像特征(如業(yè)務偏好、場景偏好、時段偏好)用戶位置信息、基站覆蓋場景信息等。首先分析這些特征在預測維度上是否存在相關(guān)性,然后選取合適的特征進行各方面預測。

3.3 小結(jié)

傳統(tǒng)的建模大多基于單維的回歸建?；蛘唠[馬爾科夫模型,由于基站流量在小尺度時間上的突發(fā)性增強,因此單維建模的準確度極低,如圖5 所示。

圖5 多維關(guān)聯(lián)的小尺度流量建模

小尺度流量建模的難點在于小尺度上的快變、強波動性,突發(fā)流量極難預測,本研究嘗試從多維關(guān)聯(lián)的角度對小尺度流量建模預測。 另一方面,實際數(shù)據(jù)顯示小尺度流量的突發(fā)性大多是由個別用戶引起,因此通過層析的方式將流量分層可進一步降低建模的復雜度,提高準確性。

4 技術(shù)應用預期

隨著5G 的逐步實現(xiàn)多行業(yè)應用,例如電力、鐵路、民航等行業(yè)的5G 應用專網(wǎng)成了公網(wǎng)的延伸;同時,智慧城市的發(fā)展,融合了市政、應急、公安、交通等多個行業(yè)的專網(wǎng)。 垂直行業(yè)5G 應用的增多,本身就是融合的過程,智慧城市的建設未來將成為一個融合的平臺,最終實現(xiàn)雙網(wǎng)融合協(xié)同發(fā)展,因此,專網(wǎng)建設有如下發(fā)展方向。

4.1 孵化專網(wǎng)規(guī)劃平臺

以多維度的立體規(guī)劃方法進行課題研究,后期對其IT 開發(fā)搭建架構(gòu),對不同行業(yè)不同場景進行應用,衍生自主研發(fā)的專網(wǎng)規(guī)劃平臺雛形。

4.2 開展多行業(yè)和多場景的應用

通過規(guī)劃平臺的搭建,對不同行業(yè)不同場景形成規(guī)劃結(jié)果,拓展政府及行業(yè)專網(wǎng)規(guī)劃,為政府在城市管理、公共安全和應急處理發(fā)揮專網(wǎng)價值。

4.3 實現(xiàn)公網(wǎng)與專網(wǎng)融合共享

發(fā)揮鐵塔公司龐大的存量資源儲備和社會社會資源獲取優(yōu)勢,通過專網(wǎng)規(guī)劃的研究算法為后期專網(wǎng)規(guī)劃建設及物聯(lián)網(wǎng)應用打好基礎,實現(xiàn)雙網(wǎng)融合協(xié)同發(fā)展[6-7]。

5 結(jié)語

隨著國家隊公共安全越來越重視,以及疫情防控期間我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,我國的專網(wǎng)通信將穩(wěn)步持續(xù)發(fā)展[2]。 在專網(wǎng)規(guī)劃建設中,需要考慮專網(wǎng)的業(yè)務需求、功能需求、無線技術(shù)特點以及投資建設情況等多種因素。 本文通過分析專網(wǎng)應用時存在的地形、氣象環(huán)境、人流量等干擾因素,通過智能分析手段建立規(guī)劃模型,同時將層析的思想引入到過程建模方法中,針對整體建模的復雜性,通過時間尺度縮放分解規(guī)模降低建模復雜性,層析出(準)靜態(tài)模型、緩變模型、快變模型三個過程層次,并考慮隨著時間尺度增大不確定逐漸遞減,層析出確定和弱不確定,減小整體建模不確定性,使輸出的覆蓋規(guī)劃結(jié)果最大可能的接近實際測試的結(jié)果。