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    應用于5G接入網(wǎng)的無線智能控制器架構(gòu)方案

    2024-12-28 00:00:00陸淼楊治宇劉澤寧
    中國新通信 2024年22期
    關(guān)鍵詞:切片基站無線

    摘要:近年來,移動通信與人工智能結(jié)合成為研究熱點。二者結(jié)合面臨諸多挑戰(zhàn),其中,AI與移動通信結(jié)合的基本范式還不太明確,導致基于AI的無線資源調(diào)度、智能網(wǎng)絡(luò)切片、智能運維、多接入系統(tǒng)、智能能耗管理等諸多無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)問題沒有統(tǒng)一的解決方案。本文提出的無線通信智能控制器架構(gòu)是一個通過AI與移動通信結(jié)合來解決移動通信問題的通用裝置,該設(shè)備包含小區(qū)級節(jié)點管理單元(Cell node Management, CNM)、智能應用管理單元(Smart App Management, SAM)、用戶數(shù)據(jù)節(jié)點單元(Data Warehouse Module, DWM)、資源控制節(jié)點單元(Resource Control Management, RCM)、協(xié)議適配解析單元(Protocol Adaptation Management, PAM)等全新模塊,可以作為一個通用裝置,基于AI技術(shù)來解決各類移動通信問題。本文設(shè)計了智能控制器的通用解決方案架構(gòu),介紹了該通信智能控制器的應用實例,論證了其在無線通信接入領(lǐng)域的應用前景。

    關(guān)鍵詞:5G/B5G;人工智能;無線智能控制器;智能切片

    一 、引言

    人工智能(Artificial Intelligence, AI)技術(shù)在計算機領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛而深入的應用,主要包括深度學習(Deep Learning, DL)、深度強化學習(Deep Reinforcement Learning, DRL)以及聯(lián)邦學習(Federated Learning, FL)三類機器學習方法。在涉及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、推斷、擬合、優(yōu)化、聚類的計算應用場景中,均能找到AI的典型應用[1]。

    5G新無線(New Radio, NR)系統(tǒng)在向多頻段、高帶寬、高頻率的方向發(fā)展,系統(tǒng)所處的無線環(huán)境變得越發(fā)復雜,難以再依賴專家知識建立廣泛適用的信道模型[2]。同時,NR網(wǎng)絡(luò)被要求滿足業(yè)務多樣化、體驗個性化的多元應用場景,使得傳統(tǒng)通信優(yōu)化算法的求解復雜度呈指數(shù)級上升[3]。移動通信迫切需要引入新方法。目前,AI技術(shù)正逐步應用于無線通信領(lǐng)域,以解決傳統(tǒng)無線通信技術(shù)面對萬物智聯(lián)的新發(fā)展趨勢時所遇到的瓶頸問題。智能通信被認為是無線通信發(fā)展的主流方向之一[4-6]。但目前,人工智能與無線通信的融合研究仍處于初步探索階段,5G網(wǎng)絡(luò)在被設(shè)計時并未考慮AI技術(shù),二者的結(jié)合缺乏有效的通用解決方案、場景和設(shè)備,AI技術(shù)在無線智能控制領(lǐng)域的應用還具有很大潛力[7]。

    為了最小化調(diào)整5G接入網(wǎng)節(jié)點,高效便捷地使用AI技術(shù)解決移動通信領(lǐng)域服務質(zhì)量、用戶體驗等多維復雜問題,可以在無線側(cè)擴展加入無線智能控制器(RAN Intelligent Controller, RIC)。利用RIC的接入網(wǎng)信息增強和智能控制的特點[8],連通網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點和AI算法進程,達到智能算法自動加工接入網(wǎng)數(shù)據(jù)并下發(fā)智能控制信息,從而提升接入網(wǎng)絡(luò)服務質(zhì)量的效果。本文詳細闡述一種適用于NR系統(tǒng)的RIC架構(gòu)方案,并部署了具體的應用實例,描述了這種RIC方案在利用人工智能算法求解切片業(yè)務資源分配策略時的工作機理。

    二、 5G與AI結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀

    (一)無線網(wǎng)絡(luò)智能化趨勢和現(xiàn)狀

    AI已被廣泛應用于無線通信領(lǐng)域,以解決空時頻多維資源管理[9-11]、網(wǎng)絡(luò)節(jié)能[12-14]、信道接入[15-16]等問題。3GPP組織對5G NR協(xié)議增添了AI相關(guān)標準[17]。國內(nèi)中國移動、中國電信,國外思科、VIAVI等企業(yè)把AI應用作為6G的主攻方向之一。

    5G與AI結(jié)合面臨諸多挑戰(zhàn)。AI與移動通信結(jié)合的基本范式還不太明確[18],大量可能的結(jié)合點,其結(jié)合價值與結(jié)合方式?jīng)]有產(chǎn)業(yè)共識。同時,運營商、設(shè)備商、終端服務商、芯片制造商、高校、研究機構(gòu)等的分工及產(chǎn)業(yè)合力的形成路徑不明確[19]。

    為了有效利用人工智能技術(shù),合理使用5G大數(shù)據(jù)和算力資源,使5G更加智能、高效,本文提出一種通用RIC方案。該方案適應4G、5G,以及未來的6G系統(tǒng)。

    (二)無線智能控制器研究現(xiàn)狀

    雖然AI已被廣泛應用于無線通信領(lǐng)域,但如何應用部署以將智能技術(shù)嵌入無線網(wǎng)是個問題。一種學術(shù)界和業(yè)界的共識是在RAN側(cè)部署RIC。受限于5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和各網(wǎng)元的基本功能及邏輯關(guān)系已經(jīng)設(shè)計完成,AI在5G NR網(wǎng)絡(luò)的引入是外掛式的[20]?,F(xiàn)有的RIC方案中,面向無線資源管理分配問題的裝置,其通用性較弱[21];還有的RIC裝置不具備自主學習、不斷進化和自主判斷的能力[22]。

    本文提出的RIC方案,可以充分利用人工智能算法和大數(shù)據(jù),取代部分傳統(tǒng)經(jīng)典算法,解決無線通信領(lǐng)域傳統(tǒng)算法很難解決或無法解決的多維無線通信問題。該方案的RIC可以自主學習進化,針對特定問題不斷更新逼近最優(yōu)解;裝置引入小區(qū)級節(jié)點管理單元(Cell node Management,CNM)、智能應用管理單元(Smart app Management,SAM)、用戶數(shù)據(jù)節(jié)點單元(Data Warehouse Module,DWM)、資源控制節(jié)點單元(Resource Control Management,RCM)、協(xié)議適配解析單元(Protocol Adaptation Management,PAM)、建模決策單元等新模塊,業(yè)務模塊組件分工合作,具備通用性[23];本文最后列舉了這種RIC解決切片實時調(diào)度資源分配的實例,驗證了該系統(tǒng)具備從數(shù)據(jù)按需采集到AI算法的近實時驗證的閉環(huán)能力。

    三、 無線智能控制器架構(gòu)設(shè)計

    RIC從接入節(jié)點采集空口的狀態(tài)和業(yè)務數(shù)據(jù),并發(fā)送到人工智能和大數(shù)據(jù)組件。同時,RIC接收目標AI算法進程基于狀態(tài)和業(yè)務數(shù)據(jù)加工計算得到的配置信息,并轉(zhuǎn)發(fā)配置控制信息,修改接入節(jié)點設(shè)備的行為屬性。RIC發(fā)揮信息通路和判決作用,可實現(xiàn)人工智能技術(shù)解決多種無線接入側(cè)問題的基本框架,提供借助AI能力有效提升移動接入側(cè)服務質(zhì)量和用戶體驗的模型,具備一定的通用性。

    (一)無線智能控制器結(jié)構(gòu)

    RIC連通管控軟件(OAM)、智能算法應用(Smart App)、開放基站節(jié)點(Open Node)三個外部實體。其中,OAM提供實時信息顯示和人工操控管理界面;Smart App可以針對性地解決或優(yōu)化空口傳輸時延、小區(qū)間干擾、智能切片、基站能耗管理等接入網(wǎng)無線傳輸問題;Open Node提供基站數(shù)據(jù)源和控制載體。RIC內(nèi)部功能模塊包括小區(qū)節(jié)點管理(CNM)、智能算法應用管理(SAM)、用戶級數(shù)據(jù)節(jié)點(DWM)、資源控制節(jié)點(RCM)、協(xié)議適配解析模塊(PAM);接口模塊包含管理控制接口(OAM AP)、智能算法應用接口(SMART AP)、基站通信節(jié)點接口(Node AP)。RIC向智能算法應用提供實時基站數(shù)據(jù),使用數(shù)據(jù)庫存儲基站數(shù)據(jù),同時對基站數(shù)據(jù)進行仿真建模和策略協(xié)同優(yōu)化,實現(xiàn)智能算法應用程序?qū)镜闹悄芸刂?。控制器的架?gòu)如圖1所示。

    (二)無線智能控制器各模塊功能

    OAM AP的主要功能是RIC的可視化呈現(xiàn),并提供人工管控通道。SMART AP與外部智能算法模型交互,接收AI配置建議,指導基站系統(tǒng)。Node AP是RIC與基站開放節(jié)點的接口,可以同時連接多個基站節(jié)點。PAM模塊負責協(xié)議適配管理,包括層1、層2之間的信令消息,以及自定義數(shù)據(jù)對象TLV(Tag-Length-Value)格式消息的解析和轉(zhuǎn)換。DWM模塊進行數(shù)據(jù)的提取、管理、存儲。RCM模塊負責控制指令管理。建模模塊和協(xié)同決策模塊,用來對基站數(shù)據(jù)進行仿真建模和策略協(xié)同優(yōu)化。 協(xié)同決策模塊通過簡單模擬基站的行為,進行控制指令的判決,實現(xiàn)Smart App配置建議的優(yōu)先級排序和有效性判決。無線網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)庫存儲DWM模塊傳來的基站數(shù)據(jù),通過SMART AP接口提供給智能算法應用程序使用。無線網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)庫同時供基站數(shù)據(jù)仿真模塊進行基站建模,最終協(xié)助RCM模塊進行控制協(xié)同。CNM模塊負責基站小區(qū)節(jié)點信息顯示控制。SAM模塊負責智能算法應用的信息顯示和控制下發(fā)。CNM和SAM模塊共同為OAM界面做支撐。

    (三)無線智能控制器模塊信息交互流程

    1.Open Node和Smart App通信

    上行方向:通過UDP協(xié)議傳輸開放基站節(jié)點上報的基站信息,由基站FAPI(PHY API,物理層應用程序接口)數(shù)據(jù)和算法定制數(shù)據(jù)兩部分組成?;拘畔⑼ㄟ^Node AP,傳送到PAM進行數(shù)據(jù)解析,轉(zhuǎn)換成RIC內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)格式(TLV格式)。PAM模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到DWM,DWM模塊進行數(shù)據(jù)分類、時間對齊后,按邏輯信道種類存儲到不同的數(shù)據(jù)庫表。SMART AP通過數(shù)據(jù)庫API接口獲取需要的基站數(shù)據(jù),供Smart App使用。

    下行方向:Smart App集成AI模型,自主讀取數(shù)據(jù)庫信息,完成模型訓練,并獲取基站實時數(shù)據(jù)以輸出配置。SMART AP收取Smart App反饋下發(fā)基站的配置控制數(shù)據(jù),發(fā)送給RIC的RCM模塊。RCM通過決策模塊的協(xié)同優(yōu)化策略,處理配置信息,再經(jīng)由PAM、Node AP,下發(fā)給相應基站,RCM模塊同時將協(xié)同優(yōu)化結(jié)果告知Smart App。決策模塊的策略由建模模塊根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)庫信息進行實時更新,自主保障策略模塊策略的及時和有效更新。

    2.Open Node和OAM軟件通信

    上行方向:基站數(shù)據(jù)上傳到OAM軟件界面顯示。Open Node通過Node AP周期性上報顯示數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議發(fā)送到Node AP,經(jīng)由Node AP轉(zhuǎn)發(fā)到CNM模塊,數(shù)據(jù)再通過OAM AP發(fā)送給顯示軟件OAM。智能控制器內(nèi)部各模塊間的通信皆是TLV傳輸協(xié)議格式。

    下行方向:OAM軟件下發(fā)控制信息的流程,基站行為控制信息指令首先從OAM發(fā)送到OAM AP模塊。OAM AP模塊把UDP接收到的外部數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)為內(nèi)部的TLV傳輸格式協(xié)議,隨后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)經(jīng)由CNM模塊轉(zhuǎn)發(fā)到Node AP模塊,再由Node AP發(fā)送控制指令到Open Node基站。

    OAM軟件除了可以顯示與管控基站數(shù)據(jù)信息,還可以顯示Smart App的數(shù)據(jù)信息,并進行控制信息的發(fā)送。此過程中的關(guān)鍵模塊是SAM。Smart App的顯示信息經(jīng)由SMART AP和RCM傳遞到SAM,繼續(xù)經(jīng)由OAM AP上傳到OAM軟件并予以顯示。OAM軟件控制信息的下發(fā)流程,經(jīng)由OAM AP-gt;SAM-gt;RCM,再通過SMART AP模塊把內(nèi)部TLV格式信息轉(zhuǎn)換成外部數(shù)據(jù)格式,并發(fā)送控制指令到指定的控制Smart App。

    智能控制器可以和若干個算法Smart App進行協(xié)同通信。各Smart App可通過不同的編程語言,實現(xiàn)不同的智能算法。作為獨立的進程,Smart App通過與RIC交互無線信息和配置作用于基站節(jié)點。這里不同的Smart App輸出的參數(shù)很可能相互影響,需要借助基站建模和決策模塊來進行判決。通過對不同的Smart App定義優(yōu)先級來實現(xiàn)基本配置順序。

    四、智能切片應用實例

    無線智能控制器具有無線數(shù)據(jù)增強和控制下發(fā)兩重功能,通過連通基站、數(shù)據(jù)庫和人工智能算法軟件,完成智能切片算法數(shù)據(jù)的支持和控制下發(fā)。智能切片應用系統(tǒng)連接圖如圖2所示。測試環(huán)境中3臺終端設(shè)備通過CPE、AAU接入5G基站,之后在與核心網(wǎng)連接的服務器上顯示3類業(yè)務傳輸?shù)闹庇^效果。3臺終端分別為工業(yè)相機、4K監(jiān)控器和高清監(jiān)控器,3個終端分別接入3個切片,占用基站的RB資源進行數(shù)據(jù)包傳輸。

    環(huán)境中5G基站和3個終端的基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

    按接口約定,上行方向傳輸基站FAPI消息和智能切片算法定制信息(包括切片個數(shù)、各切片ID號、上行SINA、上行速率、上行時延、切片滿足率、上行RB配置信息),下行方向傳輸控制信息(包括各切片ID號、RB配置數(shù)量)。

    (一) 網(wǎng)絡(luò)切片5G基站內(nèi)部信令流程

    5G基站切片信息傳遞的信令流程如下:

    1.核心網(wǎng)發(fā)送NGAP_PDU_SESSION_RESOURCE_SETUP_REQUEST請求給基站的UECC模塊,請求攜帶了配置給UE的SST/SD信息。UECC將SST/SD信息存儲在UE實體UECC Context中。

    2.UECC發(fā)送UECC_LLIM_RECONFIG_UE_ENTITY_REQ給LLIM模塊,LLIM接收UECC_LLIM_RECONFIG_UE_ENTITY_REQ消息,將SST/SD信息存入LLIM UE實體中。

    3.LLIM發(fā)送F1AP_LLIM_UE_CONTEXT_SETUP_REQ消息到DUMGR模塊。

    4.DUMGR發(fā)送DUMGER_MAC_RECONFIG_UE_ENTITY_REQ給MAC,MAC收到DUMGR_MAC_RECONFIG_UE_ENTITY_REQ后,將SST/SD存入UE實體。

    至此,切片信息信令傳遞流程結(jié)束,如圖3所示。

    (二)智能切片信息流程

    智能切片流程涉及網(wǎng)管OAM、智能切片算法Smart App、RIC、5G基站和用戶終端。流程描述如下:

    1.智能切片功能開啟

    網(wǎng)絡(luò)工程師可通過OAM管理界面,開啟智能切片功能。OAM通過OAM AP通知RIC,RIC分別通過Node AP和Smart AP通知5G基站Open Node和智能切片算法軟件Smart App。RIC下發(fā)Open Node的消息中包含智能切片功能的小區(qū)列表,向基站進行服務訂閱,基站傳回回執(zhí)。

    2.智能切片模型更新

    基站向智能控制器上報基站數(shù)據(jù)和切片信息。消息中包含F(xiàn)API數(shù)據(jù)和切片信息,其中,切片信息中含有切片流量、時延、滿足率等SLA(Service Level Agreement,服務等級協(xié)議)數(shù)據(jù),OAM軟件實時顯示的切片信噪比如圖4所示,資源調(diào)度塊大小如圖5所示,其中slice01是圖2中的4K監(jiān)控器,slice02是工業(yè)相機,slice03是高清監(jiān)控器。RIC將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,算法軟件根據(jù)特征數(shù)據(jù)更新智能算法策略模型。在基站上報切片信息時,實時更新策略并通過Smart AP下發(fā)給RIC。

    3.智能切片應用執(zhí)行

    UE向基站發(fā)起切片調(diào)度請求時,基站上報切片相關(guān)信息。智能控制器向基站下發(fā)測量配置,該測量配置為事件觸發(fā)方式,觸發(fā)條件為基站上報測量數(shù)據(jù)。根據(jù)智能切片配置信息,基站調(diào)度各個切片響應大小的資源。

    (三)智能切片對上行空口時延的優(yōu)化效果

    接下來,開始驗證智能切片配置方案對4K視頻上行傳輸業(yè)務的上行空口時延優(yōu)化效果??湛跁r延具體包含終端產(chǎn)生數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)通過空口傳輸至AAU(Active Antenna Unit,有源天線單元),最后到基站BBU(Baseband Unit,基帶處理單元)進行數(shù)據(jù)解析的時延。智能切片時延優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖6所示。

    1.大數(shù)據(jù)平臺從5G基站(BBU)獲取上行信道SINA、RB資源的使用情況、網(wǎng)絡(luò)切片KPI等數(shù)據(jù),經(jīng)過時間同步等處理得到智能RAN切片配置數(shù)據(jù)集。

    2.智能計算平臺中的智能切片算法從大數(shù)據(jù)平臺獲得數(shù)據(jù)集,訓練智能切片配置算法,輸出RB配置組合,完成智能算法的離線訓練。

    3.在線推測與在線模型更新?;緦⑸闲行诺繱INR、RB資源使用情況傳輸至RIC平臺,根據(jù)離線學習的算法模型輸出切片RB配置組合,并通過RIC的決策模塊,下發(fā)相應的指令并配置到BBU中。

    4.BBU執(zhí)行RB配置命令,同時收集一個切片窗口時間內(nèi)的切片KPI反饋信息,包括切片的流量、用戶速率、誤碼率、時延、滿足率等,將其反饋至RIC平臺中部署的智能RAN切片配置算法,并在線更新算法模型參數(shù)。

    5.同時將反饋的切片KPI數(shù)據(jù)、信道SINR等最新數(shù)據(jù),存儲于數(shù)據(jù)庫中,以供后續(xù)完善大數(shù)據(jù)平臺的智能切片數(shù)據(jù)集,更新訓練智能切片模型參數(shù)。

    針對4K視頻(分辨率3840*2160,幀率25fps)上傳業(yè)務,分別測試智能切片配置與輪詢算法的平均上行空口時延,測試結(jié)果如表2所示。

    統(tǒng)計結(jié)果顯示:輪詢算法平均上行空口時延為27662us,基于智能切片算法配置的平均上行空口時延為22059us。

    由此得到結(jié)論:智能切片配置的平均空口時延降低了20.26%。系統(tǒng)同時驗證了智能控制器利用AI算法的可行性和先進性。

    五、 結(jié)束語

    無線智能控制器架構(gòu)方案體現(xiàn)了開放和智能的特性[24],可以有效地將機器學習和人工智能技術(shù)應用到無線通信接入領(lǐng)域,從而實現(xiàn)自動化的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整并降低網(wǎng)絡(luò)運營維護成本。這種無線智能控制器不僅適用于5G NR系統(tǒng),用以解決各類需要AI參與的優(yōu)化問題,還可契合6G無線系統(tǒng)“全頻段、全覆蓋、全應用、強安全”的發(fā)展新范式[25],是一種面向6G的移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組件和技術(shù)。本文提出的無線智能控制器架構(gòu)方案連通智能算法、5G接入網(wǎng)、大數(shù)據(jù)平臺等,可以提供真實有效的接入網(wǎng)空口數(shù)據(jù)??刂破魉惴ㄜ浖褂萌斯ぶ悄芩惴P?,基于無線控制器和接入網(wǎng)絡(luò)平臺,構(gòu)成了智能切片的算法解決方案,經(jīng)應用實例驗證,其性能穩(wěn)定,且隨著人工智能的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展,其可繼續(xù)演進。

    作者單位:陸淼 楊治宇 劉澤寧 紫金山實驗室

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