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作者：肖哲，中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所專家
摘 要：隨著5G的商業(yè)化運行，通信網(wǎng)絡(luò)運營正面臨巨大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)運維管理方式難以適應(yīng)5G空前龐大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、激增的網(wǎng)絡(luò)流量和多元化動態(tài)業(yè)務(wù)等新的需求，成為制約5G應(yīng)用推廣和效能提升的最大瓶頸。人工智能近年來發(fā)展迅猛，在許多傳統(tǒng)行業(yè)成功應(yīng)用。將人工智能應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)，可以有效提升網(wǎng)絡(luò)的自動化、自主化程度，使過去的“傻瓜式”網(wǎng)絡(luò)逐步向“智能化”的自動運行網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，為5G的商業(yè)化部署和更新迭代掃清障礙。
關(guān)鍵詞:5G；人工智能；智能通信網(wǎng) 絡(luò)
論文全文摘編如下
引 言
5G網(wǎng)絡(luò)對運營商帶來了巨大的挑戰(zhàn)，5GPPP論壇（5G Infrastructure Public Private Patnership）明確了5G部署的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如提供1 000倍的無線區(qū)域容量、更多樣化的服務(wù)能力、服務(wù)節(jié)省高達(dá)90%的能源、減少平均服務(wù)創(chuàng)建時間周期從90 h～90 min、創(chuàng)建一個安全可靠的互聯(lián)網(wǎng)、為服務(wù)提供“零感知”停機(jī)時間等[1]。空前龐大和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、前所未有的服務(wù)質(zhì)量要求和更加復(fù)雜多變的業(yè)務(wù)需求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人工規(guī)劃、運維的極限，引入人工智能（AI）已勢在必行。通過將5G 網(wǎng)絡(luò)與人工智能相結(jié)合，可有效提高5G 網(wǎng)絡(luò)的智能化程度，使網(wǎng)絡(luò)從人工配置參數(shù)與使用專家經(jīng)驗制定策略變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)智能配置參數(shù)與智能策略自動生成成為可能。
01
5G概述及發(fā)展現(xiàn)狀
移動通信技術(shù)發(fā)展至今，以每10年為一個周期，不斷推陳出新，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字、從語音到數(shù)據(jù)、從窄帶到寬帶的更迭換代，每一次通信技術(shù)變革都對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，同時也為整個通信行業(yè)帶來巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。5G作為面向2020及未來的新一代通信技術(shù)，不僅表現(xiàn)在速度的極大提升，更致力于將人與人之間的通信擴(kuò)展到萬物互聯(lián)。
國際電信聯(lián)盟（ITU）定義了5G的三類主要應(yīng)用場景：
增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）主要面向高速率、大容量的數(shù)據(jù)傳輸場景，如超高清3D視頻、虛擬現(xiàn)實與增強(qiáng)現(xiàn)實等；
超可靠低時延類通信（uRLLC）主要針對智能駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等對網(wǎng)絡(luò)可靠性及時延要求很高的應(yīng)用場景；
海量機(jī)器類通信（mMTC）支持大規(guī)模、低功耗傳感器的接入和管理，主要應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智能家居、環(huán)境監(jiān)測等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景。
目前，隨著5G商用計劃期限臨近，全球5G發(fā)展全面加速。國際電信聯(lián)盟組織3GPP自2015年起開始在無線接入網(wǎng)絡(luò)工作組開展5G新空口（NR）的可行性研究，2017年底完成了非獨立組網(wǎng)的新空口（NSA）標(biāo)準(zhǔn)，2018年6月發(fā)布了獨立組網(wǎng)5G新空口標(biāo)準(zhǔn)，2020年7月宣布5G的第一個演進(jìn)版本R16標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)。
美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）在2016年對5G網(wǎng)絡(luò)的無線電頻率進(jìn)行了分配，從2018年至2020年，計劃完成28GHz、24GHz、37GHz、39 GHz和47 GHz等一系列頻段的拍賣。Verizon公司在2017年實現(xiàn)了5G固定寬帶無線接入，2018年10月1日，Verizon宣稱在美國4個城市推出了5G Home服務(wù)；AT&T在2018年12月21日宣布，在美國十幾個城市中正式推出符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的“5G+”[2]。2018年，日本軟銀株式會社公開了在28GHz頻段5G網(wǎng)絡(luò)通信實驗結(jié)果，并計劃在2020年5G網(wǎng)絡(luò)正式商用。韓國已在平昌冬奧會上試用5G網(wǎng)絡(luò)，2018年12月，韓國三大運營商宣布5G網(wǎng)絡(luò)開始正式商用，成為全球首個5G網(wǎng)絡(luò)商用國[3]。此外，在軍事領(lǐng)域，美國國防部已選定四個軍事基地開展5G技術(shù)試驗，以評估5G軍事應(yīng)用前景并論證具體需求[4]。
我國早在2013年2月成立“IMT-2020(5G)推進(jìn)組”全面推進(jìn)5G技術(shù)，工信部于2017年11月發(fā)布的《工業(yè)和信息化部關(guān)于第五代國際移動通信系統(tǒng)（IMT-2020）使用3300—3600MHz和4800—5000MHz頻段相關(guān)事宜的通知》中明確了我國首批5G網(wǎng)絡(luò)使用頻段[5]。“十三五規(guī)劃”將5G作為我國重大技術(shù)專項，在2019年開始5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，于2019年1月正式公布了第三階段的5G技術(shù)研發(fā)試驗規(guī)范；同年9月，IMT-2020（5G推進(jìn)組）對外公布中國5G技術(shù)研發(fā)試驗第三階段NSA（非獨立組網(wǎng)）測試已全部完成[6]；截止2020年，我國已初步實現(xiàn)5G商用。
02
人工智能技術(shù)及其在通信領(lǐng)域的應(yīng)用
人工智能的研究從上世紀(jì)50年代開始，伴隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，從早期的知識驅(qū)動的符號智能、專家系統(tǒng)逐漸演變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動的計算智能、機(jī)器學(xué)習(xí)。近年來，隨著數(shù)據(jù)的海量增長、硬件平臺的成熟、以及先進(jìn)學(xué)習(xí)算法的提出和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的完善，以往阻礙人工智能研發(fā)應(yīng)用的限制因素逐一被克服，以深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等為代表的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其強(qiáng)性能、高效率和較好的泛用性得到各行各業(yè)的關(guān)注。人工智能技術(shù)在帶來圖像識別、數(shù)據(jù)分析、無人駕駛、自主無人機(jī)和機(jī)器人等許多新興產(chǎn)業(yè)的同時，也為傳統(tǒng)行業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。
在通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，人工智能很早就被應(yīng)用于流量監(jiān)測、智能運維、安全防護(hù)、業(yè)務(wù)分析等不同方面。隨著5G時代的臨近，人工智能技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用條件逐步成熟。一方面軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、NFV等全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系實現(xiàn)了軟硬件解耦、屏蔽了底層硬件差異，為人工智能的部署提供了基礎(chǔ)；另一方面，5G網(wǎng)絡(luò)所面臨的復(fù)雜環(huán)境和多變需求，又反過來促使網(wǎng)絡(luò)從過去的人工模式向AI驅(qū)動的智能模式變遷。
目前，國內(nèi)外許多通信企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都已展開人工智能技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究。
美國的AT&T的開源平臺Acumos已經(jīng)用于解決運維、安全、客服以及物聯(lián)網(wǎng)等多項業(yè)務(wù)中遇到的問題。
歐洲各大運營商包括Vodafone、Telefonica、Telenor和Telecom Italia都在開展利用AI技術(shù)提升無線小區(qū)管理效率方面的研究和嘗試[7]。
美國麻省理工大學(xué)將深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)應(yīng)用于TCP擁塞控制和網(wǎng)絡(luò)資源管理；卡耐基梅隆大學(xué)通過流媒體點播的預(yù)測，優(yōu)化新用戶QoE；谷歌利用深度學(xué)習(xí)分析數(shù)據(jù)中心環(huán)境參數(shù)，對未來電源使用效率（PUE）和數(shù)據(jù)中心在未來一小時內(nèi)的溫度和壓力進(jìn)行預(yù)測，從而合理分配能源，將冷卻系統(tǒng)的能源消耗量減少了40%[8]；
此外，美國軍方非常重視人工智能技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)空間安全領(lǐng)域的應(yīng)用，美國國防高級研究計劃局正在研究將人工智能納入網(wǎng)絡(luò)防御系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括利用機(jī)器學(xué)習(xí)自動檢測軟件代碼漏洞，以及發(fā)現(xiàn)偏離正常網(wǎng)絡(luò)活動的異常行為。
國內(nèi)方面：
華為利用深度學(xué)習(xí)優(yōu)化大型數(shù)據(jù)中心能源效率，在河北廊坊數(shù)據(jù)中心試點項目中，通過AI精準(zhǔn)實時調(diào)優(yōu)，將能源效率提升15%，每年可節(jié)省800萬電費；將AI應(yīng)用于VoLTE故障根因自動分析，將故障定位時間從人工所需的7天縮減到15 min，故障檢測準(zhǔn)確率從40%提升到90%；此外，在Massive MIMO智能調(diào)優(yōu)中，通過AI技術(shù)已實現(xiàn)短短數(shù)天得到一個站點的最優(yōu)初始值，效率比傳統(tǒng)方式有了巨大提升[9]。
中興通訊計劃在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)控制層、運營及編排層逐步引入AI[10]，在廣東開展基于AI的告警根因分析項目試點，將告警規(guī)則抽取工作量從平均30人天降低到7人天，告警數(shù)量壓縮了40%～60%，有效告警規(guī)則的抽取數(shù)量提升60%；在四川試點的無線優(yōu)化項目中，通過基于AI的移動負(fù)載均衡，使得區(qū)域的總流量提升10%。
國家對AI驅(qū)動的智能化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展非常重視，近年來國家出臺了一系列關(guān)于數(shù)字中國、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國與智慧社會建設(shè)的政策，要求快速推進(jìn)集感知、傳輸、計算、處理與存儲為一體的智能化信息平臺。基礎(chǔ)信息設(shè)施的建設(shè)既代表了人工智能技術(shù)的最新需求，又代表了因人工智能技術(shù)研究的突破而產(chǎn)生的新的研究領(lǐng)域。
03
人工智能在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
根據(jù)ITU定義的5G網(wǎng)絡(luò)適用的eMBB、uRLLC及mMTC三大技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，大規(guī)模天線陣列、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、新型多址技術(shù)、超密集組網(wǎng)技術(shù)、D2D通信技術(shù)等十二項關(guān)鍵技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和復(fù)雜程度都遠(yuǎn)超以往。快速變動的動態(tài)業(yè)務(wù)使得通過人力進(jìn)行參數(shù)配置與使用專家經(jīng)驗制定策略的方法已經(jīng)無法滿足需求，將5G 網(wǎng)絡(luò)與AI相結(jié)合，可有效提高5G 網(wǎng)絡(luò)的智能化程度，使網(wǎng)絡(luò)從人工配置參數(shù)與使用專家經(jīng)驗制定策略變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)智能配置參數(shù)與智能策略自動生成成為可能。
人工智能應(yīng)用于5G基站覆蓋智能優(yōu)化。目前5G技術(shù)研制和標(biāo)準(zhǔn)制定工作正有條不紊的進(jìn)行，但是其商用化部署仍存在許多實際困難。大規(guī)模MIMO、非正交技術(shù)、超密集組網(wǎng)等5G核心技術(shù)在大幅度提升頻譜效率的同時，也使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓訌?fù)雜，干擾控制、小區(qū)間協(xié)調(diào)、傳輸資源及部署成本等問題越發(fā)突出。僅依靠人工采集和分析各項數(shù)據(jù)，不僅耗時耗力，而且難以保證得到最優(yōu)方案。利用AI技術(shù)，自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以在極短的時間內(nèi)，從上萬種參數(shù)組合中找到最優(yōu)解，大大降低5G商用化部署難度和成本。
人工智能應(yīng)用于5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入控制。未來5G網(wǎng)絡(luò)將是宏基站與微基站結(jié)合，4G、5G、WiFi、D2D等多種接入方式并存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。與此同時，隨著業(yè)務(wù)范圍的增加，用戶的需求更加復(fù)雜多變，僅采用Wifi優(yōu)先的接入規(guī)則難以滿足以用戶為中心和資源利用率最優(yōu)化的業(yè)務(wù)需求。AI技術(shù)可以通過主動分析用戶的業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，自動選擇最優(yōu)的接入網(wǎng)絡(luò)。并且可以根據(jù)用戶的移動軌跡和接入歷史，進(jìn)行預(yù)設(shè)置，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)、不同小區(qū)之間的平滑過渡，進(jìn)一步提升用戶體驗。
人工智能應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)切片資源管理。網(wǎng)絡(luò)切片即根據(jù)不同業(yè)務(wù)的場景需求，將網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)資源利用虛擬化技術(shù)分割為若干虛擬網(wǎng)絡(luò)，其中每個切片根據(jù)業(yè)務(wù)場景需求和話務(wù)模型不同，可以單獨的定制、剪裁與編排相關(guān)資源，已滿足其業(yè)務(wù)需求。利用AI技術(shù)可以識別不同業(yè)務(wù)場景，匹配網(wǎng)絡(luò)切片模板，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求規(guī)模申請所需的網(wǎng)絡(luò)資源，使用虛擬化分割技術(shù)根據(jù)切片模板實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)編排與接口實例化等功能。在運行過程中實時監(jiān)測切片狀態(tài)，提高資源調(diào)整的速度，加快功能升級的部署，業(yè)務(wù)下線后迅速撤銷并回收切片資源，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)靈活性和網(wǎng)絡(luò)資源利用率。
人工智能應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)運行維護(hù)。5G的一個重要特征是將人與人之間的互聯(lián)擴(kuò)展到萬物互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與復(fù)雜程度空前龐大，運行與維護(hù)成本大幅度提升，傳統(tǒng)依靠人工和預(yù)先策略的運行維護(hù)機(jī)制已無法滿足需求。在網(wǎng)絡(luò)運維中引入人工智能，可以通過對歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘，建立網(wǎng)絡(luò)健康度模型，對網(wǎng)絡(luò)的運行態(tài)勢進(jìn)行評估和預(yù)測；通過人工智能的時序推理能力，可以對網(wǎng)絡(luò)的流量趨勢進(jìn)行預(yù)測，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理調(diào)配與預(yù)留，在高效服務(wù)保障的同時大幅度節(jié)省能耗；通過對監(jiān)視與告警信息的關(guān)聯(lián)性分析，可以精準(zhǔn)的定位到故障位置及根因，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的快速維護(hù)。
人工智能應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)。5G時代面臨著嚴(yán)峻的安全形勢：一方面大規(guī)模、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中入侵檢測、病毒防御更加困難。另一方面，隨著車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等萬物互聯(lián)模式的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)攻擊行為造成的危害也將更加嚴(yán)重。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)防御工具通過匹配已知惡意代碼進(jìn)行防御，黑客或病毒只需修改此前惡意代碼的一小部分即可繞開這種針對性的防御。人工智能網(wǎng)絡(luò)防御工具可以識別網(wǎng)絡(luò)中行為模式的變化并檢測異常情況，能應(yīng)對未知攻擊方法。這些工具將使防御方更具前瞻性，同時更有效地對抗新型、有創(chuàng)造性的網(wǎng)絡(luò)攻擊方式，而不僅是簡單監(jiān)視已知的攻擊方式。同時，利用AI技術(shù)還可以自動識別并修補(bǔ)系統(tǒng)漏洞，強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全性和可靠性。
結(jié) 語
5G的發(fā)展恰逢人工智能熱潮，AI技術(shù)的迅速發(fā)展與成熟勢必會為5G的推進(jìn)帶來新的助力，同時，5G的應(yīng)用需求也將促生新的人工智能產(chǎn)品落地，并為新一代人工智能產(chǎn)業(yè)提供環(huán)境基礎(chǔ)。未來信息社會將是以5G為環(huán)境基礎(chǔ)，大數(shù)據(jù)為生產(chǎn)原料，云計算為生產(chǎn)工具，人工智能為生產(chǎn)力的新型生態(tài)體系。我國在5G和人工智能領(lǐng)域的發(fā)展都處于相對領(lǐng)先的位置，并有著更加適合開展新技術(shù)產(chǎn)品化、市場普及的社會基礎(chǔ)和強(qiáng)烈需求。抓住機(jī)遇、提前布局，有利于AI+5G技術(shù)的順利推行，有利于打造網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、信息強(qiáng)國，在新一輪技術(shù)革命中把握戰(zhàn)略主動，實現(xiàn)彎道超車。
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本篇節(jié)選自論文《人工智能在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用》，發(fā)表于《中國電子科學(xué)研究院學(xué)報》第15卷第8期。
