基于聚類(lèi)算法的IMT-2030應(yīng)用場(chǎng)景初步研究

王慶揚(yáng)，金寧

（中國(guó)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(kāi)始提出IMT系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景（Usage Scenarios），包括增強(qiáng)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(jī)器類(lèi)型通信（mMTC, massive Machine Type Communications）三大經(jīng)典應(yīng)用場(chǎng)景[1-2]。IMT-2020應(yīng)用場(chǎng)景的制定為5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定、系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的開(kāi)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(chǎng)景主要由業(yè)界專(zhuān)家根據(jù)業(yè)務(wù)特性對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行提煉而得，本質(zhì)上類(lèi)似于機(jī)器學(xué)習(xí)中的聚類(lèi)，因此也可看作是業(yè)務(wù)聚類(lèi)，同時(shí)這種做法依賴(lài)于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，主觀性較強(qiáng)。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(duì)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(lèi)越來(lái)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(diǎn)，因此需要尋找一個(gè)客觀而高效的辦法來(lái)對(duì)豐富的6G業(yè)務(wù)進(jìn)行分析和提煉，以生成IMT-2030的典型應(yīng)用場(chǎng)景。本文提出了對(duì)IMT業(yè)務(wù)進(jìn)行聚類(lèi)處理并生成應(yīng)用場(chǎng)景的思路和初步方案，利用5G應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)本文方案進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)6G應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了初步的探索。

1 IMT業(yè)務(wù)的發(fā)展歷程與趨勢(shì)

1997年10月ITU-R批準(zhǔn)了建議書(shū)M.816：IMT-2000支持業(yè)務(wù)的框架[3]，主要面向個(gè)人通信，提出了總體的業(yè)務(wù)目標(biāo)和要求，例如基于IMT-2000先進(jìn)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(shí)還列舉了IMT-2000應(yīng)提供的具體業(yè)務(wù)，例如移動(dòng)類(lèi)業(yè)務(wù)（主要指定位）、交互類(lèi)業(yè)務(wù)和分發(fā)類(lèi)業(yè)務(wù)。2003年6月ITU-R批準(zhǔn)了建議書(shū)M.1645：IMT-2000和Beyond IMT-2000未來(lái)發(fā)展的框架和總體目標(biāo)[4]，指出多媒體業(yè)務(wù)增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于語(yǔ)音業(yè)務(wù)，并將越來(lái)越主導(dǎo)業(yè)務(wù)流，與此相應(yīng)，Beyond IMT-2000將支持廣泛的對(duì)稱(chēng)、不對(duì)稱(chēng)和單向服務(wù)，并提供不同服務(wù)質(zhì)量等級(jí)的管理，以實(shí)現(xiàn)高效傳輸分組業(yè)務(wù)的潛在目標(biāo)。2007年10月ITU-R批準(zhǔn)了建議書(shū)M.1822：IMT支持的業(yè)務(wù)框架[5]，指出IMT-Advanced系統(tǒng)在多用戶(hù)環(huán)境中支持從低移動(dòng)性到高移動(dòng)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(tái)中提供高質(zhì)量多媒體應(yīng)用，同時(shí)該建議書(shū)首次引入了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、ITS（Intelligent transport systems，智能交通系統(tǒng)）等機(jī)器類(lèi)通信業(yè)務(wù)，引入了時(shí)延/抖動(dòng)、移動(dòng)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(duì)話(huà)、互動(dòng)、數(shù)據(jù)流、背景共4大類(lèi)、8小類(lèi)。2015年9月ITU-R批準(zhǔn)了建議書(shū)M.2083：IMT愿景–2020年及之后IMT未來(lái)發(fā)展的框架和總體目標(biāo)，指出以人為中心和以機(jī)器為中心等應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)預(yù)測(cè)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(chǎng)景，如圖1所示：

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

業(yè)界對(duì)于5G業(yè)務(wù)的探討已比較充分，實(shí)踐工作也已廣泛開(kāi)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(chǎng)景強(qiáng)調(diào)低時(shí)延和高可靠性，典型業(yè)務(wù)如自動(dòng)駕駛、配電自動(dòng)化等；mMTC場(chǎng)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(cè)等。5G應(yīng)用場(chǎng)景及對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)見(jiàn)表1[6]。

表1 5G應(yīng)用場(chǎng)景及對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)[6]

業(yè)界對(duì)于6G業(yè)務(wù)的探討也已啟動(dòng)。隨著未來(lái)新技術(shù)的突破和網(wǎng)絡(luò)性能的大幅提升，6G時(shí)代將支持更多形態(tài)的業(yè)務(wù)類(lèi)型，如全息類(lèi)、全感知類(lèi)、虛實(shí)結(jié)合類(lèi)、極高可靠性極低時(shí)延類(lèi)及與衛(wèi)星相關(guān)的業(yè)務(wù)[7]。表2詳細(xì)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(jìn)程可以看出，IMT-2000支持的業(yè)務(wù)以人為中心，強(qiáng)調(diào)個(gè)人體驗(yàn)，IMT-Advanced仍以人為中心但開(kāi)始引入機(jī)器類(lèi)通信業(yè)務(wù)以及時(shí)延等新特性，IMT-2020除了人中心之外還引入了機(jī)器中心，同時(shí)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(rèn)為它是現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界連接貫通的橋梁，是人類(lèi)社會(huì)和自然環(huán)境和諧發(fā)展的引擎，強(qiáng)調(diào)人、機(jī)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(lèi)算法的應(yīng)用場(chǎng)景生成

聚類(lèi)屬于機(jī)器學(xué)習(xí)中的無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，其方法較為豐富，如層次聚類(lèi)、劃分聚類(lèi)、密度聚類(lèi)、模糊聚類(lèi)等[8]。本文總體思路是基于層次聚類(lèi)法生成6G應(yīng)用場(chǎng)景，具體方案如下：1）收集業(yè)務(wù)及相應(yīng)特性指標(biāo)，對(duì)每個(gè)業(yè)務(wù)生成原始指標(biāo)向量；2）對(duì)原始指標(biāo)向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)向量；3）對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)向量進(jìn)行層次聚類(lèi)處理，得到若干類(lèi)業(yè)務(wù)；4）對(duì)各類(lèi)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(chǎng)景。因業(yè)務(wù)的不同特性指標(biāo)的絕對(duì)值差異很大，不能直接用于指標(biāo)向量之間歐式距離的計(jì)算，故采用5分制對(duì)特性指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)分，分?jǐn)?shù)越高說(shuō)明業(yè)務(wù)對(duì)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(shí)延、最高移動(dòng)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(chǎng)景對(duì)本方案進(jìn)行驗(yàn)證，然后對(duì)6G業(yè)務(wù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，完成6G應(yīng)用場(chǎng)景的初步探索。

2.1 5G業(yè)務(wù)聚類(lèi)與應(yīng)用場(chǎng)景驗(yàn)證

我們首先收集5G典型業(yè)務(wù)，然后對(duì)可靠性、連接密度、時(shí)延、移動(dòng)性、帶寬及能耗六項(xiàng)特性指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)分，得到具體業(yè)務(wù)及評(píng)分情況見(jiàn)表3，其中某業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的6項(xiàng)分?jǐn)?shù)構(gòu)成該業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)向量。

表3 5G典型業(yè)務(wù)及特性指標(biāo)評(píng)分表

對(duì)上述所有業(yè)務(wù)的指標(biāo)向量進(jìn)行層次聚類(lèi)，輸出如圖2所示的聚類(lèi)樹(shù)狀圖，圖中橫坐標(biāo)序號(hào)對(duì)應(yīng)表3中5G業(yè)務(wù)?？梢?jiàn)，將樣品分成三類(lèi)時(shí)效果較好，第一類(lèi)業(yè)務(wù)為序號(hào)1-6與序號(hào)16業(yè)務(wù)，第二類(lèi)業(yè)務(wù)為序號(hào)7-11業(yè)務(wù)，序號(hào)12-15為第三類(lèi)業(yè)務(wù)。表4展示了5G業(yè)務(wù)聚類(lèi)的最終結(jié)果，從各類(lèi)業(yè)務(wù)的高要求特性來(lái)看，這三類(lèi)業(yè)務(wù)與M.2083中的eMBB、URLLC和mMTC三大場(chǎng)景基本對(duì)應(yīng)，表明本方案可與M.2083專(zhuān)家方案相互印證。

圖2 層次聚類(lèi)樹(shù)狀圖（5G）

表4 5G業(yè)務(wù)聚類(lèi)結(jié)果

2.2 6G業(yè)務(wù)聚類(lèi)與應(yīng)用場(chǎng)景初探

未來(lái)6G移動(dòng)通信將滲透至各行各業(yè)，旨在為人類(lèi)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(lái)源于多個(gè)行業(yè)，包括醫(yī)療、工業(yè)制造、教育、媒體、交通、旅游、娛樂(lè)、金融等，考慮帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、連接密度、能耗、可靠性、移動(dòng)性、定位精度和覆蓋范圍等九大指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)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(shí)延、最小抖動(dòng)、最大連接密度、最低能耗、最高可靠性、最高移動(dòng)性、最高定位精度及最廣覆蓋范圍。具體評(píng)分情況見(jiàn)表5。

表5 6G典型業(yè)務(wù)及特性指標(biāo)評(píng)分表

對(duì)上述6G業(yè)務(wù)的指標(biāo)向量進(jìn)行層次聚類(lèi)，得到樹(shù)狀圖如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)序號(hào)對(duì)應(yīng)表5中6G業(yè)務(wù)，可見(jiàn)將業(yè)務(wù)分成四類(lèi)比較合理，聚類(lèi)結(jié)果羅列在表6中。

表6 6G業(yè)務(wù)聚類(lèi)結(jié)果

圖3 層次聚類(lèi)樹(shù)狀圖（6G）

根據(jù)以上聚類(lèi)結(jié)果，分析各類(lèi)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(chǎng) 景：eXBB（enhanced Fixed and Mobile Broadband，增強(qiáng)的固移融合寬帶）、URULL（Ultra-Reliable and Ultra-Low-Latency，超高可靠超低時(shí)延）、SWAC（Sparse Wide Area Connections，稀疏廣域連接）以及uMTC（ubiquitous Machine Type Communications，泛在機(jī)器類(lèi)通信）。

圖4 6G典型應(yīng)用場(chǎng)景

eXBB場(chǎng)景對(duì)應(yīng)表6第一類(lèi)業(yè)務(wù)，著重體現(xiàn)寬帶連接。當(dāng)前通信行業(yè)存在5G、PON、Wi-Fi等多種接入方式，未來(lái)移動(dòng)與固定接入方式的有機(jī)融合可實(shí)現(xiàn)更卓越的寬帶連接體驗(yàn)。例如對(duì)于遠(yuǎn)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(yàn)。

URULL場(chǎng)景對(duì)應(yīng)表6第二類(lèi)業(yè)務(wù)，對(duì)時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)和可靠性的要求較高。例如精密儀器自動(dòng)化制造、AGV、超高壓繼電保護(hù)等業(yè)務(wù)，涉及到儀器精準(zhǔn)性、人身安全、電網(wǎng)安全等，需保證毫秒級(jí)甚至亞毫秒級(jí)的端到端時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)以及7個(gè)9的超高可靠性。

SWAC場(chǎng)景對(duì)應(yīng)表6第三類(lèi)業(yè)務(wù)，利用衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等通信技術(shù)完成稀疏廣域連接，實(shí)現(xiàn)空、天、海和陸地偏遠(yuǎn)地區(qū)的廣域覆蓋。典型應(yīng)用如偏遠(yuǎn)地區(qū)的無(wú)人機(jī)巡檢，空中、海洋、偏遠(yuǎn)地區(qū)的民航、客船、車(chē)載衛(wèi)星通信等。

uMTC場(chǎng)景對(duì)應(yīng)表6第四類(lèi)業(yè)務(wù)，核心為泛在的機(jī)器類(lèi)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(shí)對(duì)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(cè)、遠(yuǎn)程抄表、機(jī)器金融交易等不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于聚類(lèi)算法完成了6G應(yīng)用場(chǎng)景的初步生成，雖然5G業(yè)務(wù)聚類(lèi)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(biāo)的不完整將導(dǎo)致我們對(duì)部分指標(biāo)的評(píng)分缺乏依據(jù)，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理的合理性嚴(yán)重影響聚類(lèi)結(jié)果，層次聚類(lèi)法易陷入局部最優(yōu)等。后續(xù)將重點(diǎn)圍繞6G業(yè)務(wù)和聚類(lèi)算法兩方面開(kāi)展進(jìn)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(biāo)的迭代更新、空缺數(shù)據(jù)的處理、聚類(lèi)算法的選擇等。