大数据驱动5G网络与服务优化 附大数据技术在5G通信网络中的应用.docx
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1、大数据驱动5G网络与服务优化摘要:5G时代的到来将进一步加速移动数据的发展。介绍了移动大数据的 来源,分析了大数据分析在5G网络优化中的应用方向。针对5G网络的新特点, 系统阐述了大数据在5G网络中的大规模天线与分布式天线、无线接入网资源管 理、异构接入组网、云网、移动边缘计算、终端与云端的智能、SDN与NFV、 网络切片、跨层联合优化、源选路优化等方面可能的应用。并结合5G大数据的 特点,分析了其在智慧城市、智慧医疗、智慧交通、工业互联网方面的应用。关键词:5G;大数据;移动数据;网络优化;服务优化1引言5G时代即将到来。和4G网络相比,5G网络在各个方面都有很大提升,不 仅传输速率更高,而
2、且在传输中还呈现出增强移动宽带、超可靠低时延、广覆盖 大连接的特点。如果说1G4G主要面向个人通信,那么5G则扩展到工业互联 网和智慧城市应用。根据Cisco VNkglobal mobile data traffic forecast update,2016 -2021的数据显示,2016-2021年全球移动数据流量增长7倍,平均年增47%, 增长速度非常快。3G时代全球每个用户每个月的连接流量只有3 GB, 4G时代这个数值已经 达到了 6GB, 5G时代将达到30GB (是4G网络平均连接流量的4.7倍)。2017 年我国每个用户每个月产生的移动数据流量为1.775 GB,是2016年的
3、2.3倍, 与全球平均水平相当。而且2018年上半年的数据已经远远超过了 2017年的全年 数据,也就是说,5G时代的到来将进一步加速移动数据的发展。按照中华人 民共和国国民经济和社会发展第第十三个五年规划纲要的要求,5G网络将在 2020年商用。2移动大数据的来源移动大数据包括用户产生的数据和运营商产生的数据,其中用户产生的数据 包括自媒体数据和富媒体数据,运营商产生的数据包括日志数据和基础网络数 据。在运营商的网络上有很多环节可以进行数据采集,在终端可以采集路测(DT) /最小化路测(MDT)、测试报告(MR)、传输分组大小、使用习惯、终端类型等 数据;在基站端可以获得用户的位置信息、用户
4、通话记录(CDR)、链路状态信 息(CSI)、接收信号强度(RSSI)等数据;通过后台的运维系统可以采集测量、 信令、话务统计等数据;通过互联网可以采集新闻、资讯、地图、视频、聊天、 应用等数据。也就是说,在运营商的网络中不但可以获得业务类型、上下行流量、 访问网站等业务数据,还能掌握整个信道的状况。如图1所示,5G网络应是以用户为中心、上下文感知与先应式的网络,且 5G无线网可实现通信、缓存与计算能力的汇聚,因此在网络运营管理设计时, 需要利用大数据技术进行优化,在网络体系架构设计时要适应大数据的传送,以 实现5G网络的运营智能化和网络智能化。5G网络应足以用户为 中心、上下文! 与先应式的
5、网络网络运代价理谈计 应刖大故然优化JSj面向*务网络(SON)应用:没收集聚, 分类、网海;网络叁攻关系发现;决饿、效推限缩、论断与朴常检测等运代智能化网络代理、优化、运力、改普、 体曲版 QoE).边缘短网络体系架构设计 适应大数据传送SG无位网寞现通信、 嫌存。计算能力的江”-s;Jv;空中接1I (总谓、波形、MIM。、*遒根 型).RA、平台(多即无饯接入技术), HIK7f (HWMlktNets, I)2I自玷应推入(GRAN、移动边缘计算), 上下文公如引、软件定义(SDN、NFV) 运推系统(OSS4ISS)图1大数据分析在5G网络优化中的应用5G网络是数据终端到数据中心的主
6、要通道,如图2所示。从互联网、物联 网终端或移动用户处采集的数据,通过具有边缘缓存和计算能力的基站和无线接 入网进行数据预处理与存储,最后通过核心网络将数据传输给数据中心和云计算 中心进行数据分析。5G网络除了传输数据终端的数据之外,智能终端的多功能 业务还将触发终端与回传网络和核心网络内数百个服务器、路由器和交换机的各 种交互。例如一个用户的HTTP请求可能只有1 KB,而内部数据流可能会增加 930倍。因此,5G网络不仅要承载移动用户数据,还要承载来自不同后台、数 据库、缓存服务器和网关以及回传链路的数据。图2 5G网络是数据终端到数据中心的主要通道3 5G系统中大数据分析能力的设置5G系
7、统的数据分析应该在核心网大数据平台和基站端进行。在核心网大数 据平台应进行数据清洗、解析、格式化、统计分析、可视化等数据分析,按照内 容预测算法执行计算并推断策略内容,然后主动地将决策指令存储在具有缓存能 力的基站中,从而将决策行为从云传递到边缘(即基站)。而基站端负责收集上 下文信息(如用户观看时长和位置信息),对用户空间-时间行为进行分析与预测, 对数据进行汇总、压缩与加密,同时从核心网大数据平台获得决策指令。具有缓 存能力的基站可以使大众内容靠近用户,改进用户体验并减轻回传网的负载。经 过统计,当网络中有16个具有13 GB存储容量和30%的内容分级的基站时,采 用主动缓存方式可以获得1
8、00%的用户满意度和98%的回传卸载。缓存能力可以 部署在无线接入网或核心网,或者两处均部署,缓存能力的分配也需要靠积累运 行数据做出优化决策。4大数据支撑5G网络优化的方向4.1 大数据支撑大规模天线与分布式天线5G将使用大规模天线(MIMO),天线数高达128个,甚至是256个。高阶 MIMO为每条信道提供一条赋形的天线发射波束,实现空分复用,但各波束间存 在干扰,降低了 MIMO的效率,需要收集密集波束间的干扰数据,并基于系统 的计算能力进行复杂的优化。此外,网络终端在基站中心接收的功率比较大,在 基站边缘接收的信号比较差。此问题可以利用分布式天线解决,但是分布式天线 互相之间也有干扰,
9、如果能够收集到所有天线的信道数据和干扰数据,通过大数 据分析技术对所有无线访问接入点(access point, AP)进行联合信号处理,就 可以指导各天线和微基站实现对干扰的抵消,容量可较LTE系统提高约2个量 级。此外,如果可以收集到MIMO数据和网络数据,并利用大数据技术进行分 析决策,就可以提高定位精度。随着三维仿真、三维射线追踪技术的发展,通过 室内天线和WLAN技术的结合,还能精确定位用户在室外或室内,甚至用户所 在的具体楼层。4.2 大数据支撑5G无线接入网资源管理2G、3G时代的无线接入网是多层次的网络,在这种网络结构下,潮汐效应 经常导致基站忙闲不均。因此4G系统将网络进行了
10、扁平化设计,将基站分解为 基带处理单元(BBU)和射频拉远模块(RRU),多个基站的BBU可集中为基 带池,实现集约化资源利用。5G网络将BBU功能进一步分解为集中单元(CU) 与分布单元(DU), CU可管理多个DU,实现干扰管理与业务聚合,DU实现 多天线处理与前传压缩,灵活应对传输与业务需求变化,优化实时性能,降低硬 件成本。这样的设计也可以更靠近用户,有利于集中化的管理。然而,一个CU 管理多少个DU,需要基于大量用户空间-时间行为的大数据来优化设计,特别是 如何从能效的角度实现忙闲时不同的资源调配。4.3 大数据分析支撑异构接入组网由于5G网络的频段很高、带宽很大,若采用高功率的宏基
11、站,则布设与运 营成本高,但采用大量微基站,则干扰严重,且难以进行站点选址优化。以上问 题可以通过以下几种方式解决。宏微蜂窝混合组网。宏蜂窝负责广覆盖,支持高优先级业务;微蜂窝实现 热点覆盖,面向低优先级高速业务。控制面与数据面分离组网。大量微基站需要集中化管理,以防止干扰,将控 制面信令数据与数据面用户数据分离,控制面信令数据接入宏蜂窝。这样,终端 在微基站之间切换就不影响宏基站信令了,而且通过小区分簇化集中控制,可以 解决小区间的干扰协调和负载均衡的问题。上下行解耦异构组网。终端的MIMO数远少于基站,上行覆盖低于下行; 在蜂窝边缘,可采用“5G下行+4G上行”的异构方式运行。通过分析可以
12、看出,传统移动网络的控制面、用户面、上下行数据链路都在 同一个蜂窝小区内。而5G网络的控制面、用户面可以接入不同的基站,上下行 可以接入不同的蜂窝,甚至分别在4G和5G系统,每个终端可能同时接入不止 一个基站。因此,具体选择接入哪个基站和哪个系统,应该根据用户的分布数据 和网络负载来决定,此时就要用到大数据的分析和决策方法。4.4 大数据支撑5G云网如图3所示,5G网络是一个云化的网络,包括接入云、转发云、控制云。 接入云是指在微蜂窝超密集覆盖的场景下,一簇微基站组成虚拟小区,实现微基 站之间的资源协同管理和干扰协调;转发云是指各业务流共享高速存储转发与防 火墙及视频转码等各类业务使能单元;控
13、制云包括网络资源管理、网络能力开放、 控制逻辑等模块。此外,在5G的场景下还可以有移动云计算、移动边缘计算 (mobile edge computing, MEC)、微云和飞云(femtocloud)等多种云,它们可 以被部署在无线网的不同位置,其配置需要借助网络和用户大数据分析来寻优。图3云化5G网络4.5 大数据优化5G移动边缘计算为适应视频、虚拟现实/增强现实与车联网等业务的时延要求,减轻核心网 带宽的压力,需将这些业务的存储和内容分发下沉到MEC处理。5G网络不仅 可在边缘感知和分析数据,而且可在亚秒或毫秒内触发响应措施,所有的数据无 缝地从云平台转到大量的端点或从大量的端点转到云平台
14、。那么哪些业务需要放 到云计算中心处理,哪些业务需要下沉到MEC处理,这需要基于网络收集到的 业务流数据进行分析。4.6 大数据支撑5G终端与云端的智能现在智能终端的能力非常强,但是在终端上的人工智能处理能力还是有限 的。比如手机智能可完成2D人脸识别,但识别效果容易受光线、角度和表情及 化妆等的影响,而且识别的是照片还是真人也不好区分,现在的3D人脸识别就 需要利用网络云端的智能来处理.,从而提供安全的识别能力。云计算可强化无线 网,有效支持诸如增强现实等计算强度的应用,将用户端很重的计算任务卸载到 云端。然而,无论是终端还是云端的智能,都需要基于大数据的分析。如AI需 要训练与推断,训练包
15、括前向计算和后向更新(通过大数据调整模型参数),推 断主要是前向计算,将训练得到的模型用于应用。通常云端负责训练和推断,终 端只负责推断。因此仅靠终端的计算与软件能力的发展还不够,很多智能应用也 需要云端的支持,如云端训练和云端推理、云端训练和终端推理。4.7 大数据支撑软件定义网络与网络功能虚拟化软件定义网络(SDN)全局优化路由的能力来自对全网流量流向、跨层网络 资源大数据及业务流QoS需求大数据的掌控与分析,需要很强的计算能力支撑, 以实现网络路由的快速收敛和稳定。网络功能虚拟化(NFV)功能的选择也基于 网络大数据的分析。4.8 大数据支撑5G网络切片5G很重要的功能是网络切片。5G需
16、要支持不同的业务需求,如超宽带业务、 低时延业务、大连接业务。若带宽不一样,那么对网络的性能要求也不一样,切 片是网络转发资源的分割,不同切片间的业务相互隔离,切片的实现涉及转发面 与控制面功能,每个切片上可以运行不同的L2/L3网络协议。为不同业务需求的 用户组织不同的切片,需要利用深度分组检测(DPI)数据建立预测模型,精准 预测热点数据请求。网络资源在切片间分配的联合优化,也需要利用网络资源大 数据进行学习和分析。4.9 基于大数据实现5G跨层联合优化5G网络中,IP层的选路适用于细颗粒的业务流,但时延大;MAC层的交 换适用于大颗粒的业务流,但时延也较大;灵活以太网中继的业务流颗粒较大
17、, 但优点是时延低。对于每一种业务流来说,选择在哪一层做交换或路由是一个跨 层联合优化问题,可以借助网络大数据进行优化。4.10 借助网络大数据优化5G源选路切片分组网(SPN)基于切片以太网和分段选路(SR)技术,用于中传和回 传。传统的IP网络按无连接方式工作,对具有相同源地址和相同目的地址的同 属一次通信的各IP分组进行独立处理,不考虑它们前后的关联,同属一次通信 的各IP分组在沿途各节点均独立选路,甚至会走不同的路由,这是在互联网之 初的网络可靠性不高的情况下,以时延和效率为代价换取灵活性和生存性。现在的网络性能已有很大的改进,如果按照每次通信中首个分组的特征来配 置数据平面的设备(即
18、配置流表),那么该次通信的后续数据分组被抽象为同一 流,同一次通信的后续各IP分组无需再选路。由于在源节点已设置了有序的指 令集,标识了沿途经过的节点或链路,这些节点无需感知业务状态,只需维护拓 扑信息,简单地按配置流表执行转发功能,这就相当于面向连接分组的通信,显 著提升了网络效率。因此,分段选路又称源选路,它无需LDP/RSVP-TE等信令协议,适合接受 SDN的控制。源选路指令集的设计需要借助网络大数据来优化。4.11 大数据支持5G核心网基于服务的体系在基于服务的网络体系(SBA)方面,网络功能在4G是网元的组合,在5G 是通过API交互的业务功能的组合,业务被定义为自包含、可再用和独
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