5G網(wǎng)絡(luò)人工智能化的基本框架和關(guān)鍵技術(shù)探索

（中睿通信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510630）

5G網(wǎng)絡(luò)即第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)融合多種制式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，采用各種先進(jìn)的無(wú)線傳輸技術(shù)，使5G網(wǎng)絡(luò)具有非常強(qiáng)大的通信能力。但這也導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，需要支持多種接入技術(shù)的使用，滿足用戶使用需求，運(yùn)行維護(hù)難度較大。只有應(yīng)用人工智能化技術(shù)，使5G網(wǎng)絡(luò)具備一定的自感知和自調(diào)整功能，才能滿足實(shí)際運(yùn)行需求。

1 5G網(wǎng)絡(luò)基本特征及人工智能化發(fā)展方向

1.1 基本特征

2G時(shí)代發(fā)展至5G時(shí)代，不僅網(wǎng)絡(luò)傳輸速率明顯提升，網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)也出現(xiàn)相應(yīng)增加。從2G網(wǎng)絡(luò)的50個(gè)，增加至3G網(wǎng)路的100個(gè)，再到4G網(wǎng)絡(luò)的1500個(gè)，而5G時(shí)代則將超過(guò)2000個(gè)。配置參數(shù)的增加意味著5G網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)及運(yùn)行維護(hù)的復(fù)雜性將進(jìn)一步提升，在4G網(wǎng)絡(luò)中，已經(jīng)開(kāi)始采取半自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理方式，但仍對(duì)人工操作依賴性較高，其管理效率難以滿足5G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需求。而且在5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)類型更多，為適應(yīng)增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)等的發(fā)展需求，5G網(wǎng)絡(luò)也需要具備業(yè)務(wù)自動(dòng)識(shí)別和資源自動(dòng)調(diào)配等功能。為適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)的基本特征，目前國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）已經(jīng)成立人工智能化技術(shù)研究小組，重點(diǎn)突破機(jī)器學(xué)習(xí)等關(guān)鍵技術(shù)，從而為5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展提供支持[1]。

1.2 人工智能化發(fā)展

5G網(wǎng)絡(luò)需要利用人工智能化技術(shù)，對(duì)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多樣化的通信資源進(jìn)行智能管理，從而對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)作出快速相應(yīng)，為通信網(wǎng)絡(luò)管理決策提供支持。傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)主要為語(yǔ)音業(yè)務(wù)，易于實(shí)現(xiàn)流量模型預(yù)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)調(diào)控較為簡(jiǎn)單。但在智能設(shè)備大量應(yīng)用下，通信網(wǎng)絡(luò)的流量模型非常復(fù)雜，需要依靠智能化的決策控制功能，滿足網(wǎng)絡(luò)中的流量需求，保證用戶使用體驗(yàn)良好。同時(shí)人工智能化技術(shù)也是降低5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)成本、提高其運(yùn)行維護(hù)效率的重要技術(shù)途徑，對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展具有關(guān)鍵性影響[2]。

2 5G網(wǎng)絡(luò)人工智能化的基本框架分析

2.1 整體結(jié)構(gòu)

在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中要提高其運(yùn)行決策能力，為特定業(yè)務(wù)的開(kāi)展提供充分支持，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的靈活管理，讓5G網(wǎng)絡(luò)具備一定的環(huán)境感知能力。由系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的不確定因素進(jìn)行學(xué)習(xí)和控制，快速做出反應(yīng)，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)配置。在人工智能化技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，要重點(diǎn)解決變量學(xué)習(xí)、未來(lái)狀態(tài)預(yù)測(cè)、環(huán)境交互分析等問(wèn)題，并提出具體的解決方案。最終在人工智能化技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)行環(huán)境的交互運(yùn)作，最大化的滿足各類業(yè)務(wù)的實(shí)際需求。以此為出發(fā)點(diǎn)，在5G網(wǎng)絡(luò)人工智能化基本框架設(shè)計(jì)過(guò)程中，要包含三部分內(nèi)容，即智能中心、環(huán)境艙、網(wǎng)絡(luò)策略。具備這些功能，可以自動(dòng)讀取環(huán)境信息，制定相應(yīng)的控制策略。5G網(wǎng)絡(luò)人工個(gè)智能化基本框架如圖1所示。

2.2 主要組成部分

在上述網(wǎng)絡(luò)框架下，智能中心是網(wǎng)絡(luò)核心部分，采用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)感知、預(yù)測(cè)、挖掘等功能，對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。比如實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)、用戶請(qǐng)求分析功能等，然后將處理結(jié)果傳輸至決策模塊，制定合理的決策方案。環(huán)境艙是與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行交互的部分，主要負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行秩序、向智能中心實(shí)時(shí)傳送網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)。最終由網(wǎng)絡(luò)決策部分根據(jù)智能中心的分析結(jié)果，制定網(wǎng)絡(luò)控制策略，經(jīng)過(guò)環(huán)境艙反饋給實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并對(duì)其狀態(tài)信息進(jìn)行更新。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)人工個(gè)智能化基本框架

3 5G網(wǎng)絡(luò)人工智能化的關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)

基于上述5G網(wǎng)絡(luò)人工智能化基本框架結(jié)構(gòu)，可以在人工智能化技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)多種5G網(wǎng)絡(luò)控制功能。其中，業(yè)務(wù)需求量預(yù)測(cè)是5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的前提。在業(yè)務(wù)類型、用戶需求量不斷增加下，必須提高5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)精確度。通過(guò)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中的數(shù)據(jù)流進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤，建立實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型，反映數(shù)據(jù)流變化。考慮到網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行中，存在非線性影響因素，在時(shí)域上分析中具有不規(guī)律性，無(wú)法采取線性回歸方法滿足5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)變化預(yù)測(cè)。針對(duì)這種情況，5G網(wǎng)絡(luò)人工智能化主要通過(guò)研究實(shí)時(shí)方法、時(shí)序分析方法、反向傳播機(jī)制、支持向量機(jī)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)變化的分析預(yù)測(cè)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)切片

由于5G網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)類型眾多，采用一體適用型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，難以滿足所有業(yè)務(wù)的實(shí)際需求，不同業(yè)務(wù)可能產(chǎn)生沖突，影響用戶體驗(yàn)。為解決此類問(wèn)題，可采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)特點(diǎn)，自行組建物理和邏輯網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建服務(wù)模型，動(dòng)態(tài)響應(yīng)各類業(yè)務(wù)的需求。在網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的應(yīng)用下，也能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行靈活配置，可以根據(jù)實(shí)際5G網(wǎng)絡(luò)通信場(chǎng)景，確定網(wǎng)絡(luò)切片，保證其調(diào)度的靈活性。人工智能技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)置中發(fā)揮著重要作用，比如通過(guò)設(shè)計(jì)代理實(shí)體，利用多個(gè)基本模塊聯(lián)合調(diào)用，提高網(wǎng)絡(luò)資源配置和利用效率。其基本處理過(guò)程包括切片請(qǐng)求、訓(xùn)練階段、預(yù)測(cè)信息、控制調(diào)節(jié)、請(qǐng)求受理和切片調(diào)度等。此外，還可以利用相關(guān)函數(shù)，對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷其是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

3.3 資源分配與共享

5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中中的業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)際是對(duì)無(wú)線資源的動(dòng)態(tài)分配。目前人工智能算法已經(jīng)在無(wú)線資源分配管理方面得到了應(yīng)用，包括遺傳算法、Q學(xué)習(xí)算法、多臂賭博機(jī)算法等。同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)也要實(shí)現(xiàn)高度的資源共享功能，在網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)等的支持下，由供應(yīng)商統(tǒng)一提供基礎(chǔ)物理設(shè)施服務(wù)。在業(yè)務(wù)建設(shè)中，可直接租用設(shè)備構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，向用戶提供服務(wù)。物理網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和路徑，支撐著虛擬網(wǎng)絡(luò)的虛擬節(jié)點(diǎn)及鏈路。為提高物理基礎(chǔ)濟(jì)源的共享程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層物理資源的高效利用，可將上述過(guò)程分解為兩個(gè)步驟。一是通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)映射，建立節(jié)點(diǎn)、鏈路與物理節(jié)點(diǎn)、路徑的映射關(guān)系。二是在虛擬網(wǎng)絡(luò)中為虛擬節(jié)點(diǎn)、鏈路進(jìn)行資源動(dòng)態(tài)分配。具體可采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上述資源共享及分配過(guò)程，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入即網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)，輸出即高效的資源共享方案。此外，也可以采用圖形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)分配。

3.4 人工智能算法

在5G網(wǎng)絡(luò)人工智能化發(fā)展過(guò)程中，離不開(kāi)人工智能算法的支持。面對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)超負(fù)荷運(yùn)行的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只有充分發(fā)揮人工智能算法的作用，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)調(diào)控，預(yù)測(cè)各類業(yè)務(wù)變化趨勢(shì)。人工智能算法涵蓋面廣泛，上述提到的支持向量機(jī)、Q學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都屬于人工智能算法的范疇。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和深度學(xué)習(xí)算法是目前5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最廣泛的人工智能算法，可以使5G網(wǎng)絡(luò)具備較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，從而對(duì)各種突發(fā)狀況進(jìn)行及時(shí)應(yīng)對(duì)，避免對(duì)用戶的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用體驗(yàn)造成影響。應(yīng)加快人工智能算法的研究和應(yīng)用，從而使5G網(wǎng)絡(luò)人工智能化功能得到進(jìn)一步完善。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，人工智能化技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展有重要的推動(dòng)作用。根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)的自身特點(diǎn)，只有實(shí)現(xiàn)人工智能化調(diào)控管理，才能滿足實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行需求，從而真正發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)高速通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化用戶體驗(yàn)。在5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)合理搭建人工智能化框架，掌握人工智能化的關(guān)鍵技術(shù)，不斷提高5G網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化和智能化水平。