基于聚類算法的IMT-2030應(yīng)用場景初步研究

王慶揚，金寧

（中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630）

0 引言

ITU-R從 IMT-2020（International Mobile Telecommunications-2020）開始提出IMT系統(tǒng)的應(yīng)用場景（Usage Scenarios），包括增強型寬帶（eMBB, enhanced Mobile Broadband）、超可靠和低延遲通信（URLLC, Ultra-Reliable and Low Latency Communications）以及大規(guī)模機器類型通信（mMTC, massive Machine Type Communications）三大經(jīng)典應(yīng)用場景[1-2]。IMT-2020應(yīng)用場景的制定為5G技術(shù)標準制定、系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的開發(fā)指明了方向，具有極為重要的指導(dǎo)意義。IMT-2020應(yīng)用場景主要由業(yè)界專家根據(jù)業(yè)務(wù)特性對業(yè)務(wù)進行提煉而得，本質(zhì)上類似于機器學(xué)習(xí)中的聚類，因此也可看作是業(yè)務(wù)聚類，同時這種做法依賴于專家經(jīng)驗，主觀性較強。而到了IMT-2030研究周期，隨著垂直應(yīng)用的蓬勃發(fā)展以及人們對于6G業(yè)務(wù)的超前構(gòu)想，IMT系統(tǒng)需要支持的業(yè)務(wù)種類越來越多，業(yè)務(wù)特性也表現(xiàn)出更多維度和更大范圍的特點，因此需要尋找一個客觀而高效的辦法來對豐富的6G業(yè)務(wù)進行分析和提煉，以生成IMT-2030的典型應(yīng)用場景。本文提出了對IMT業(yè)務(wù)進行聚類處理并生成應(yīng)用場景的思路和初步方案，利用5G應(yīng)用場景對本文方案進行了驗證，并對6G應(yīng)用場景進行了初步的探索。

1 IMT業(yè)務(wù)的發(fā)展歷程與趨勢

1997年10月ITU-R批準了建議書M.816：IMT-2000支持業(yè)務(wù)的框架[3]，主要面向個人通信，提出了總體的業(yè)務(wù)目標和要求，例如基于IMT-2000先進技術(shù)提供既有業(yè)務(wù)和新的音頻、視頻、數(shù)據(jù)和多媒體服務(wù)的能力，同時還列舉了IMT-2000應(yīng)提供的具體業(yè)務(wù)，例如移動類業(yè)務(wù)（主要指定位）、交互類業(yè)務(wù)和分發(fā)類業(yè)務(wù)。2003年6月ITU-R批準了建議書M.1645：IMT-2000和Beyond IMT-2000未來發(fā)展的框架和總體目標[4]，指出多媒體業(yè)務(wù)增長速度遠遠快于語音業(yè)務(wù)，并將越來越主導(dǎo)業(yè)務(wù)流，與此相應(yīng)，Beyond IMT-2000將支持廣泛的對稱、不對稱和單向服務(wù)，并提供不同服務(wù)質(zhì)量等級的管理，以實現(xiàn)高效傳輸分組業(yè)務(wù)的潛在目標。2007年10月ITU-R批準了建議書M.1822：IMT支持的業(yè)務(wù)框架[5]，指出IMT-Advanced系統(tǒng)在多用戶環(huán)境中支持從低移動性到高移動性的應(yīng)用以及一系列廣泛的數(shù)據(jù)速率，也有能力在一系列廣泛的業(yè)務(wù)和平臺中提供高質(zhì)量多媒體應(yīng)用，同時該建議書首次引入了遠程監(jiān)測、ITS（Intelligent transport systems，智能交通系統(tǒng)）等機器類通信業(yè)務(wù)，引入了時延/抖動、移動性等較為豐富的業(yè)務(wù)特性，并按業(yè)務(wù)特性將業(yè)務(wù)劃分為對話、互動、數(shù)據(jù)流、背景共4大類、8小類。2015年9月ITU-R批準了建議書M.2083：IMT愿景–2020年及之后IMT未來發(fā)展的框架和總體目標，指出以人為中心和以機器為中心等應(yīng)用發(fā)展趨勢，根據(jù)預(yù)測的2020年及之后的業(yè)務(wù)特性總結(jié)提出了eMBB、URLLC和mMTC三大應(yīng)用場景，如圖1所示：

圖1 M.2083定義的三大應(yīng)用場景以及不同應(yīng)用場景中各關(guān)鍵特性的重要性圖示[1]

業(yè)界對于5G業(yè)務(wù)的探討已比較充分，實踐工作也已廣泛開展。eMBB聚焦于帶寬需求，典型業(yè)務(wù)包括超高清視頻、VR/AR等；URLLC場景強調(diào)低時延和高可靠性，典型業(yè)務(wù)如自動駕駛、配電自動化等；mMTC場景核心為較高的連接密度，典型業(yè)務(wù)有智能抄表、環(huán)境監(jiān)測等。5G應(yīng)用場景及對應(yīng)業(yè)務(wù)見表1[6]。

表1 5G應(yīng)用場景及對應(yīng)業(yè)務(wù)[6]

業(yè)界對于6G業(yè)務(wù)的探討也已啟動。隨著未來新技術(shù)的突破和網(wǎng)絡(luò)性能的大幅提升，6G時代將支持更多形態(tài)的業(yè)務(wù)類型，如全息類、全感知類、虛實結(jié)合類、極高可靠性極低時延類及與衛(wèi)星相關(guān)的業(yè)務(wù)[7]。表2詳細列舉了一些6G典型業(yè)務(wù)。

表2 6G典型業(yè)務(wù)

從以上歷史進程可以看出，IMT-2000支持的業(yè)務(wù)以人為中心，強調(diào)個人體驗，IMT-Advanced仍以人為中心但開始引入機器類通信業(yè)務(wù)以及時延等新特性，IMT-2020除了人中心之外還引入了機器中心，同時引入了能效等新特性，體現(xiàn)了IMT系統(tǒng)與自然的初步關(guān)聯(lián)。展望IMT-2030，我們認為它是現(xiàn)實世界和虛擬世界連接貫通的橋梁，是人類社會和自然環(huán)境和諧發(fā)展的引擎，強調(diào)人、機器與自然的和諧共存，具有比IMT-2020更宏大的歷史使命。

2 基于聚類算法的應(yīng)用場景生成

聚類屬于機器學(xué)習(xí)中的無監(jiān)督學(xué)習(xí)，其方法較為豐富，如層次聚類、劃分聚類、密度聚類、模糊聚類等[8]。本文總體思路是基于層次聚類法生成6G應(yīng)用場景，具體方案如下：1）收集業(yè)務(wù)及相應(yīng)特性指標，對每個業(yè)務(wù)生成原始指標向量；2）對原始指標向量進行標準化處理，得到標準化指標向量；3）對標準化指標向量進行層次聚類處理，得到若干類業(yè)務(wù)；4）對各類業(yè)務(wù)分別找出要求較高且具有共性的特性，根據(jù)這些特性生成相應(yīng)的應(yīng)用場景。因業(yè)務(wù)的不同特性指標的絕對值差異很大，不能直接用于指標向量之間歐式距離的計算，故采用5分制對特性指標進行標準化評分，分數(shù)越高說明業(yè)務(wù)對該特性的要求越高，例如5分代表最高可靠性、最大連接密度、最低時延、最高移動性、最大帶寬及最低能耗。

下面首先利用較為成熟的5G應(yīng)用場景對本方案進行驗證，然后對6G業(yè)務(wù)進行聚類分析，完成6G應(yīng)用場景的初步探索。

2.1 5G業(yè)務(wù)聚類與應(yīng)用場景驗證

我們首先收集5G典型業(yè)務(wù)，然后對可靠性、連接密度、時延、移動性、帶寬及能耗六項特性指標進行標準化評分，得到具體業(yè)務(wù)及評分情況見表3，其中某業(yè)務(wù)對應(yīng)的6項分數(shù)構(gòu)成該業(yè)務(wù)的標準化指標向量。

表3 5G典型業(yè)務(wù)及特性指標評分表

對上述所有業(yè)務(wù)的指標向量進行層次聚類，輸出如圖2所示的聚類樹狀圖，圖中橫坐標序號對應(yīng)表3中5G業(yè)務(wù)。可見，將樣品分成三類時效果較好，第一類業(yè)務(wù)為序號1-6與序號16業(yè)務(wù)，第二類業(yè)務(wù)為序號7-11業(yè)務(wù)，序號12-15為第三類業(yè)務(wù)。表4展示了5G業(yè)務(wù)聚類的最終結(jié)果，從各類業(yè)務(wù)的高要求特性來看，這三類業(yè)務(wù)與M.2083中的eMBB、URLLC和mMTC三大場景基本對應(yīng)，表明本方案可與M.2083專家方案相互印證。

圖2 層次聚類樹狀圖（5G）

表4 5G業(yè)務(wù)聚類結(jié)果

2.2 6G業(yè)務(wù)聚類與應(yīng)用場景初探

未來6G移動通信將滲透至各行各業(yè)，旨在為人類提供更全面和更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。本文選取的6G典型業(yè)務(wù)來源于多個行業(yè)，包括醫(yī)療、工業(yè)制造、教育、媒體、交通、旅游、娛樂、金融等，考慮帶寬、時延、抖動、連接密度、能耗、可靠性、移動性、定位精度和覆蓋范圍等九大指標。標準化評分規(guī)則與5G方案相同，即5分代表業(yè)務(wù)要求最大帶寬、最低時延、最小抖動、最大連接密度、最低能耗、最高可靠性、最高移動性、最高定位精度及最廣覆蓋范圍。具體評分情況見表5。

表5 6G典型業(yè)務(wù)及特性指標評分表

對上述6G業(yè)務(wù)的指標向量進行層次聚類，得到樹狀圖如圖3所示，圖中橫坐標序號對應(yīng)表5中6G業(yè)務(wù)，可見將業(yè)務(wù)分成四類比較合理，聚類結(jié)果羅列在表6中。

表6 6G業(yè)務(wù)聚類結(jié)果

圖3 層次聚類樹狀圖（6G）

根據(jù)以上聚類結(jié)果，分析各類業(yè)務(wù)中要求較高且具有共性的特性，如圖4所示，本文提出6G的四大典型應(yīng)用場 景：eXBB（enhanced Fixed and Mobile Broadband，增強的固移融合寬帶）、URULL（Ultra-Reliable and Ultra-Low-Latency，超高可靠超低時延）、SWAC（Sparse Wide Area Connections，稀疏廣域連接）以及uMTC（ubiquitous Machine Type Communications，泛在機器類通信）。

圖4 6G典型應(yīng)用場景

eXBB場景對應(yīng)表6第一類業(yè)務(wù)，著重體現(xiàn)寬帶連接。當前通信行業(yè)存在5G、PON、Wi-Fi等多種接入方式，未來移動與固定接入方式的有機融合可實現(xiàn)更卓越的寬帶連接體驗。例如對于遠程全息手術(shù)、身臨其境旅游、商客PON接入等不同寬帶應(yīng)用，根據(jù)具體需求選擇合適接入方式，以享受極致寬帶體驗。

URULL場景對應(yīng)表6第二類業(yè)務(wù)，對時延、時延抖動和可靠性的要求較高。例如精密儀器自動化制造、AGV、超高壓繼電保護等業(yè)務(wù)，涉及到儀器精準性、人身安全、電網(wǎng)安全等，需保證毫秒級甚至亞毫秒級的端到端時延、時延抖動以及7個9的超高可靠性。

SWAC場景對應(yīng)表6第三類業(yè)務(wù)，利用衛(wèi)星、無人機等通信技術(shù)完成稀疏廣域連接，實現(xiàn)空、天、海和陸地偏遠地區(qū)的廣域覆蓋。典型應(yīng)用如偏遠地區(qū)的無人機巡檢，空中、海洋、偏遠地區(qū)的民航、客船、車載衛(wèi)星通信等。

uMTC場景對應(yīng)表6第四類業(yè)務(wù)，核心為泛在的機器類通信，要求盡可能低的能耗和成本、盡可能高的連接密度，同時對覆蓋的廣度和深度有一定要求，旨在打造綠色泛在的物聯(lián)世界。典型業(yè)務(wù)包括環(huán)境監(jiān)測、遠程抄表、機器金融交易等不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

本文基于聚類算法完成了6G應(yīng)用場景的初步生成，雖然5G業(yè)務(wù)聚類結(jié)果表明本文所提方案具有一定合理性，但仍存在諸多不足之處，如業(yè)務(wù)特性指標的不完整將導(dǎo)致我們對部分指標的評分缺乏依據(jù)，指標標準化處理的合理性嚴重影響聚類結(jié)果，層次聚類法易陷入局部最優(yōu)等。后續(xù)將重點圍繞6G業(yè)務(wù)和聚類算法兩方面開展進一步研究，包括6G業(yè)務(wù)的持續(xù)創(chuàng)新、業(yè)務(wù)特性指標的迭代更新、空缺數(shù)據(jù)的處理、聚類算法的選擇等。