人工智能的5G无线网络智能规划和优化

2021-09-22石磊

电子技术与软件工程 2021年15期

石磊

（国家能源集团煤焦化有限责任公司西来峰分公司内蒙古自治区乌海市 016000）

5G无线网络的英文名称为5th-Generation，属于第五代移动通信网络，从性质上来看是4G技术的一种延伸。5G技术的数据传输速率可以实现1Gbps甚至更高，在移动通信和无线通信系统开发过程中，5G无线网络的融入也面临着全新挑战。在传统移动网络通信中，通常都需要依靠人工方式来进行网络部署和网络运维管理，此过程不仅投入了大量的人力资源，同时也加大了移动通信企业的运营成本，在一定程度上对网络环境优化带来了巨大的挑战。而在大数据技术迅速发展的影响下，5G网络运营管理效率也得到了明显提高，提高用户的个人体验，使数据信息能够充分发挥出自身的价值，最终高效地提供优质移动网络服务。

1 5G无线网络的主要技术类型

1.1 高频段数据传输技术

移动网络数据在具体传输过程中，利用高频段数据传输技术，是未来无线通信网络的主要发展方向。目前，国内外相关技术研究人员都对高频段数据传输技术给予了高度重视。而常见的无线网络通信最基本的工作都是保持在3GHz频率范围之内，这就会在一定程度上减少频谱资源的使用效率，在此基础上还能够降低频谱资源短缺的紧张压力，对一些距离较短、传输速度较高的通信传输起到了一定的支持作用，充分满足了5G通信系统对数据传输效率和数据容量等一系列高性能方面的需求。

1.2 D2D技术

D2D技术主要是将信号基站作为中心区域，使信号能够覆盖于每个区域之间，在蜂窝通信系统中是一种十分常见的组网措施，基站与中基站通常都是保持固定不变的，所以在一定程度上自身的灵活性和网络结构都受到了很大约束。而通过在不同类型的通信终端应用D2D技术，网络通信可以变得更加直接，是当前现代化信息传输技术的重要内容，在此接入模式中可以应用各个区域的无线网络基本构件，进而实现较为良好的拓展，确保无线通信网络的便捷性和稳定性，通信连接线路之间可以实现灵活相连。

1.3 新型多天线信号传输技术

通过5G网络技术应用类型可以得知，多天线技术的研究十分关键。该技术经历了长期发展之后，取得了非常明显的进步，可以明显提高频谱的使用效率，与以往相比频谱的应用效率要高出数十倍。并且将有源天线阵列相关的基本内容融入到了全新的天线传输技术当中，天线阵列也从二维模式转变为了三维模式，可以进行协同控制的天线数量大大增加，而且还会有效减少不同类型终端之间的信号干扰，伴随着高频段频谱的开发与应用，使网络环境的基础容量大大提高，而且信号覆盖基本性能变得更加优良。

1.4 新型网络框架

在当前LTE系统中最常应用的就是无线网络扁平化框架，同时也是一种新型的接入网方式，应用此框架可以使大面积的系统延时有效降低，并且后期基地内构建网和后期无线网络维护成本也能够得到明显降低。C-RNA接入网络架构在5G通信网络系统中也十分常见，它是一种结合了集中化信息处理、无线电网络结构等方面要素的新型无线接入网网络结构。通过C-RNA网络架构，可以在一定程度上应用光传导网络系统，可以在距离较远且节点较为密集的天线阵列之间实现无线信号传播，建立起集中多个基站节点的超级服务站点，覆盖范围可以拓展到上百甚至上千平方公里。

2 人工智能为基础的5G无线网络建设技术与应用

在人工智能技术快速发展的背景下，5G网络建设通常会利用多样化的创新技术来提升网络运行速度和信息传输效率，像上述内容所提及的多天线信号传输、D2D技术等等，这些技术在5G网络建设过程中都有所涉及。现如今，我国无线网络系统建设时，对于LTE无线网络采用的是扁平化网络架构，因为这样能够明显减少运行时所产生的的业务时延问题，降低网络建设与运营维护过程的成本。而且5G网络建设采用的是C_RAN架构系统，围绕着集中处理和协作无线电技术，实现了绿色接入网架构模式。另外，C_RAN接入网可以通过成本较低的高速光传播网络，使信号能够在超远距离的天线和中心节点之间进行传播。除此之外，此类型网络架构在建立过程中还可以使网络基站得到明显的支持，协作天线的数量也会有所增加。

除了以上涉及到的技术之外，以人工智能技术为基础的5G网络系统建设，还能够在其中引用3D-MIMO技术，并且还能够明显减少波束智能赋型的干扰影响，与此同时，通过应用高频段毫米波技术，可以明显提高无线网络的信号覆盖范围和传输效率。然而需要留意的是，其中涉及到的3D-MIMO技术，在实际应用中可以通过掌握空间维度，来改善网络系统运行过程中的信号接收质量，以此来获得更好的网络运行效率。除此之外，5G网络系统建设中多媒体技术类型的不断增加，使得传统以基站为中心的运营模式，已无法适应当前环境下的用户需求，然而在5G无线网络系统构建过程中应用D2D技术，可以依靠不同的基站来扩展网络接入渠道，提高短距离的通信信道质量，让信号能够朝更广阔的范围传输，在各个终端都能够实现良好的信号覆盖。

3 人工智能在5G无线网络环境中的具体应用场景分析

5G网络在我国于2019年开始正式实施部署。与以往的4G技术相比，5G技术可以满足不同业务场景所提出的需求，具备速率高、时延低以及连接较多的特点，并能够同时支持精准定位、边缘计算以及网络切片等能力，在这样一个新需求、新场景以及新特性的背景下，5G网络在部署以及运营管理过程中的工作都面临着前所未有的挑战。首先，网络组网结构十分复杂。多个不同频段4G/5G网络技术相协同，独立与非独立组网可以互相共存。其次，与4G网络技术相比，波束管理、物理层设计以及网络切片等新特性的设计具备更加灵活的特点，而且5G网络的参数配置非常繁多而且更加复杂，传统的人工优化过程将很难对其进行优化配置。再有就是5G网络对定制化网络能力以及升级需求等方面十分迫切。在5G网络多样化业务当中，以垂直行业为代表的相关内容对无线网络能力提出了更加严格的要求，要求其必须要具备灵活定制的能力。

最后，5G网络系统中的能量和资源利用效率仍然有待提高。通常情况下5G基站耗电量是4G基站耗电量的三倍之多，5G网络建立成本也要远远多出4G网络，如何降低网络功耗，提高网络资源的利用效率，是当前5G网络优化过程中，这是极其重要的一个问题。

针对以上几点问题，未来网络建设必须要积极应用数据分析以及机器学习技术，来加强5G网络的自动化、智能化发展水平，进而降低5G运营网络的部署成本、运维成本以及优化成本，从根本上提高网络能量和网络资源的利用效率，加强网络差异化和定制化的服务能力，使用户能够获得更加良好的体验。从具体角度分析来看，人工智能技术主要会从以下几个方面助推网络运营：

3.1 预测能力

人工智能技术可以对5G网络运行状态、用户行为以及业务特点进行可靠预测。通过预测，可以对5G网络环境的精细化管控进行优化。比如：通过故障预测、性能预测等，都可以实现快速且主动地网络运维。同时通过业务流量预测，还可以有效支持网络节能，通过业务类别预测、用户轨迹预测以及用户体验预测等方面可以高效实现主动化、精细化网络资源调度模式，在满足业务体验保障的基础之上，还可以使网络资源的利用效率最大化。

3.2 优化数据驱动的有效决策方法

从海量网络数据中的机器学习算法可以对5G网络建设过程中终端之间彼此存在的问题进行统一高效地建模。在此基础上也为探索5G网络优化空间和求解复杂难度高等问题提供了科学有效的决策方法。对于一些高维度变量和多目标优化问题，可以应用无线电网络来迅速采集不同无线环境下的网络层级协议、信令、用户以及相关应用数据，建立起与机器学习模型为表征的网络多维参数和网络端与端之间的性能指标，进而能够建立起多目标联合优化的数据模型。配合优化之后的搜索算法，来获取最佳的网络参数配置建议，或者是为在线优化算法提供更加良好的初始搜索点，加强网络优化的效率。除此之外，AI技术也能够为建模难度较高的联合跨层优化与网络异常检测分析提供了更加有效的手段。

从AI应用无线领域来看，可以从资源和时间两个角度来划分控制与管理功能。将其应用可以从无线智能化决策所需时间的颗粒度与管控资源颗粒度细分为以下三大种类：第一类主要是针对小时/天等时间单位的管理优化。目前所了解的资源颗粒度可以分为小区级、基站级以及切片级。此类技术的应用主要针对的还有5G网络的相关要求，其中具体包括：网络优化配置、网络故障管理以及小区级电线波束参数优化等内容。

第二类相比于第一类颗粒度资源范围，颗粒度会更细一些，通常都是主要面对解决载波级别用户的控制面，和用户面无线网络优化问题，实现业务体验优化、负载平衡以及干扰管理等多方面业务。

第三类更具有一定的实时性，通常都是以毫秒级别来划分的，主要处理的是空口传输的AI应用问题，比如围绕机器学习和用户调度强化学习以及智能化链路自适应编码方案挑选等内容。

另外，从实际情况来看，业界目前对AI在5G网络环境中的应用研究越来越多，同时产业界在重点用例方面已经达成了一定的共识，为实现以上典型应用场景提供了关键支持。

4 围绕人工智能技术的5G无线网络规划与优化具体措施

伴随着科学技术的快速发展，5G技术为人民群众提供了可靠性高、传输效率快的优质数据服务，使广大用户能够在流畅媒体环境中尽情享受。从另外一种角度分析来看，5G技术具备灵活性和全面性的网络架构，可以根据用户的不同需求来进行组网和拓展，具体覆盖了工业、农业以及医疗服务等相关行业领域。

而从人工智能角度来看，5G无线网络建设规划与优化的具体措施有以下几点：

4.1 遵循因地制宜的原则

在当前智慧城市建设发展过程中，需要始终遵循以人为本的原则，充分探索人民群众的潜在需求，从而能够在最大程度上发挥出应有的价值。在此促进作用下，5G无线网络在实际建设过程中就可以得到科学规划与优化，为智慧城市建设提供有力支持，带给人们更加便捷舒适的网络环境。在针对5G网络进行具体规划时，可以分析用户流量和数量费用两个方面，整合所有用户所提出的要求，进而能够实现对5G网络进行科学合理的规划。在具体规划和控制环节中，可以将集约统筹类网络框架作为切入点，不断优化通信基站质量，确保基站网络信号能够实现实时共享，为无线信号传输提供便捷条件。此外，还要重点关注乡村地区网络规划发展进程，这样才可以实现5G网络全面惠民便民，扩大5G无线网络信号的覆盖面积，凸显出服务优先的重要理念。

4.2 做好信息防护规划

现如今，市场环境中出现了大量的智能化终端，并且应用范围十分广泛，无线网络基础数据流量也在这样的应用环境下呈现出明显的增长趋势。同时，网络基本性能不仅可以通过密集型的网络环境来实现优化，还可以在整体方面提升5G网络的覆盖面积，对其中存在的业务进行分流处理，使网络基本部署能够得到稳定提升，强化5G网络应用过程中的灵活性。所以，加快智慧型城市5G信息传播效率，对其进行科学规划与优化，将信息数据的安全性作为中心工作任务，强化各种防护措施，以此来规避网络环境中的各种恶意攻击，构建科学完善的网络体系。于此同时，在灵活应用安全技术过程中，还需要从数据角度进行分析，在应急处理和运行等各个方面，建立起全方位的安全防御体系，尤其是在运行方式偏向于多元化的当前环境中，必须要确保5G无线网络环境布局的安全性。

4.3 城市整体规划

现如今，在新媒体技术广泛应用的背景下，业务数据和移动数据也在其发展过程中发生着相应的改变，通信网络成为了其中不可或缺的支撑桥梁。所以在5G无线网络规划过程中，需要重点关注城市规划建设，确保5G无线网络能够为整个城市建设带来全新形态，在智慧型城市建设过程中，还要对其5G系统进行精准布局。这样才可以使5G网络技术在智慧型城市建设过程中发挥出应有的优势。5G无线网络技术具体规划如图1所示。