基于專網多業務行為的層級式規劃方法研究

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

隨著世界范圍內暴力和恐怖主義事件的頻繁發生以及國家安全的提高,“模擬到數字”技術的升級、將寬帶和窄帶融合組網已經成為專網市場規模增長的兩大趨勢。 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務得到越來越多的應用,而窄帶網絡具有超低時延的語音通信、優先級管理、安全等特點,因此寬帶與窄帶融合的組網方式已成為行業的普遍共識。

1 專網概念及發展歷程介紹

1.1 專網簡介

專網是政府、行業、部門或者單位內部使用的一種安全的通信網絡,該網絡主要應用在應急通信、安全生產、調度指揮、日常工作等方面[1]。

專網依賴業務和功能兩方面的需求而產生,業務方面主要是政府或者行業提出并發展了包括電子政府、公共安全、應急聯動、城市管理、軌道交通、機場管理等無線專網[2]。

1.2 專網技術的發展歷程

隨著無線通信技術的發展,專網通信技術經歷了3個階段,分別是模擬常規技術、模擬集群技術、數字集群技術,現階段技術主要表現為模擬集群技術向數字集群技術轉換。 主要專網通信標準及特點如表1所示。

表1 主要專網通信標準及特點

1.3 專網發展的現狀

無線專網可為應急及公共安全應急處理提供可靠的通信保障,專網產品未來將朝著多技術融合、窄帶與寬帶融合、光電融合、多網絡融合的趨勢發展。

多種技術融合:現代通信是多種技術的綜合應用,達到優勢互補、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:傳統的集群系統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,在現代通信技術中具有重要的地位,是大容量超寬帶通信的基礎資源。

多種業務的融合:多業務融合是未來通信發展方向,基于IP 化的通信能使各種網絡互聯,利用集群網關也可使各系統互通。 為了完成多媒體業務的功能,IP 網絡、公網、窄帶集群、寬帶集群、衛星通信完全融合在一起。 專網頻段及行業應用如表2 所示。

表2 專網頻段及行業應用

專網涉及頻段、行業眾多,目前我國只有1.4 G 無線政務專網是全國統一要求建設的專網,全國有14 個省市完成了1.4 G 無線政務專網覆蓋,站址總體規模超1 萬余個,網絡形式多樣、業務方式靈活。

2 專網規劃方法研究分析

2.1 技術對比

在現有專網覆蓋規劃的過程中,一般只采用根據覆蓋指標,對網絡覆蓋效果進行測試及規劃。 常規的規劃報告形成,如圖1 所示。

圖1 報告形成流程

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

信號質量(靜態負載/蒙特卡羅仿真):控制信道-參考信道/SCH/PBCH 接收信號質量覆蓋預測、業務信道PDSCH,PUSCH信道接收信號質量覆蓋預測、基于PDSCH/PUSCH 信道接收質量的最佳承載預測、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別在于稈全部為硫黃色，在稈的中下部有幾個節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。

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

2.2 小結

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

3 研究概述

3.1 研究方向和總體思路

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

3.2 技術創新點及主要內容

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

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模降低建模復雜性,層析出(準)靜態模型、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,網絡上的業務種類非常多,從運營商定義的大類業務來看,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、財經類、游戲類、工作類、搜索類、支付類、地圖類、打車類等。 每種業務的業務參數主要有上行流量、下行流量、上行數據包、下行數據包、總流量、總數據包、用戶數、GET/POST 請求個數以及激活時間等。 準靜態模型的研究從較大的空間尺度(RNC 等)上對業務的主要業務參數的業務量進行排序,找出對全網某業務參數的業務量貢獻最大的主要業務,即TOP 業務。然后,對這些TOP 業務進行時間序列的回歸和趨勢分析,實現天尺度(工作日和節假日)的業務分布建模。通過建模發現,天尺度的TOP 業務分布模型具有很好的準靜態特性。 運營商利用該特性可以實現網絡業務數據的準確預測,如果再針對不同的TOP 業務合理配置網絡資源,將有效提升網絡資源的效率。 主要考慮參數,如圖3 所示,包括:

圖3 業務分析影響

(1)自然參數:如氣候、地形、地貌、環境、風壓、地質災害等。

(2)社會參數:如重大節假日、用戶行為等。

(3)業務要求:如安全性、可靠性、穩定性、低時延等。

(4)平臺參數:如電子地圖范圍、精度、網絡建模、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模可以通過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聯分析

特征提取與關聯分析:針對重度用戶多維建模特征構造是首要問題,課題研究構造的特征包括:用戶流量時間序列特征、用戶畫像特征(如業務偏好、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性,然后選取合適的特征進行各方面預測。

3.3 小結

傳統的建模大多基于單維的回歸建模或者隱馬爾科夫模型,由于基站流量在小尺度時間上的突發性增強,因此單維建模的準確度極低,如圖5 所示。

圖5 多維關聯的小尺度流量建模

小尺度流量建模的難點在于小尺度上的快變、強波動性,突發流量極難預測,本研究嘗試從多維關聯的角度對小尺度流量建模預測。 另一方面,實際數據顯示小尺度流量的突發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 技術應用預期

隨著5G 的逐步實現多行業應用,例如電力、鐵路、民航等行業的5G 應用專網成了公網的延伸;同時,智慧城市的發展,融合了市政、應急、公安、交通等多個行業的專網。 垂直行業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,最終實現雙網融合協同發展,因此,專網建設有如下發展方向。

4.1 孵化專網規劃平臺

以多維度的立體規劃方法進行課題研究,后期對其IT 開發搭建架構,對不同行業不同場景進行應用,衍生自主研發的專網規劃平臺雛形。

4.2 開展多行業和多場景的應用

通過規劃平臺的搭建,對不同行業不同場景形成規劃結果,拓展政府及行業專網規劃,為政府在城市管理、公共安全和應急處理發揮專網價值。

4.3 實現公網與專網融合共享

發揮鐵塔公司龐大的存量資源儲備和社會社會資源獲取優勢,通過專網規劃的研究算法為后期專網規劃建設及物聯網應用打好基礎,實現雙網融合協同發展[6-7]。

5 結語

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濟的持續發展,我國的專網通信將穩步持續發展[2]。 在專網規劃建設中,需要考慮專網的業務需求、功能需求、無線技術特點以及投資建設情況等多種因素。 本文通過分析專網應用時存在的地形、氣象環境、人流量等干擾因素,通過智能分析手段建立規劃模型,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模降低建模復雜性,層析出(準)靜態模型、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,使輸出的覆蓋規劃結果最大可能的接近實際測試的結果。