文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190923
中文引用格式: 魏鵬濤,,曾宇,王海寧,,等. 基于大數(shù)據(jù)的5G基站退服成本估算[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,45(10):14-18.
英文引用格式: Wei Pengtao,,Zeng Yu,,Wang Haining,et al. The cost estimation of 5G base station decommission based on big data[J]. Application of Electronic Technique,,2019,,45(10):14-18.
0 引言
中國是較早研發(fā)5G技術(shù)的國家之一,,在技術(shù)發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)部署和商用規(guī)劃等方面都取得了巨大的成果。隨著5G商用的不斷推出,,基站的修建與維護(hù)是關(guān)系到5G技術(shù)能否商用的重要工作,。5G基站在工作過程中受到天氣、傳輸?shù)雀鞣N因素的影響會(huì)導(dǎo)致基站脫機(jī),,嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致基站掉站或退服,。作為最嚴(yán)重的系統(tǒng)故障,基站退服會(huì)中斷所有服務(wù),,用戶無法使用手機(jī)等通信設(shè)備,,對(duì)于2G、3G等以語音業(yè)務(wù)為主的用戶而言影響普遍較小,,但是對(duì)5G用戶而言,,基站退服還會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)支付、智慧城市,、人工智能等技術(shù)業(yè)務(wù)無法使用,,給運(yùn)營商造成損失。因此,,對(duì)5G基站退服進(jìn)行全面分析以及退服后的成本估算就變得非常重要,,為基站退服提供精準(zhǔn)成本核算,對(duì)于相關(guān)從業(yè)人員而言,,具有重要的借鑒意義,。
1 基站退服分析
5G網(wǎng)絡(luò)即第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),隨著2018年3GPP全會(huì)批準(zhǔn)了第五代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(5G NR)獨(dú)立組網(wǎng)功能,,5G正以超乎想象的速度加速到來。2015年6月ITU定義的5G未來移動(dòng)應(yīng)用包括以下三大領(lǐng)域:增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB),、大規(guī)模機(jī)器類通信(mMTC),、高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)。
5G時(shí)代是全移動(dòng)和全連接的智慧時(shí)代,,人與人,、人與物、物與物都需要進(jìn)行連接和通信,。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是連接世界,,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過連接在云端構(gòu)建,不斷創(chuàng)造價(jià)值,。5G應(yīng)用場(chǎng)景如云AR/VR,、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造,、全球物流跟蹤系統(tǒng),、智能農(nóng)業(yè)、智慧城市、智慧能源,、無線醫(yī)療等,,都將在5G時(shí)代蓬勃發(fā)展。其中有部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并商業(yè)化,,如無人機(jī),、VR。已有部分國家明確提出對(duì)低空無人機(jī)提供覆蓋和監(jiān)管以及高空飛機(jī)航線覆蓋的需求,。
5G網(wǎng)絡(luò)在頻譜,、空口和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上制訂了跨代的全新標(biāo)準(zhǔn),以滿足未來的應(yīng)用場(chǎng)景,。而這些新標(biāo)準(zhǔn),、新技術(shù),給5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃領(lǐng)域帶來了很多挑戰(zhàn),。其中由于5G相比傳統(tǒng)的3G/4G而言,,網(wǎng)絡(luò)將更加精確、復(fù)雜和立體,,也使得基站部署密度越來越大,。除了在初期優(yōu)先使用并改造已有的室內(nèi)/外3G/4G站址作為5G站點(diǎn)候選站址,還有由于5G信號(hào)工作在較高的射頻,,需要針對(duì)不同的情況單獨(dú)增加室內(nèi)小型基站,,提供5G信號(hào)。
隨著應(yīng)用場(chǎng)景越來越普及,,站點(diǎn)分布逐漸密集,,整個(gè)社會(huì)都會(huì)越來越依賴5G帶來的便利。而當(dāng)遇到某個(gè)基站退出服務(wù),,不僅將影響輻射區(qū)域內(nèi)通信,,對(duì)用戶造成嚴(yán)重影響,也會(huì)影響運(yùn)營商形象,,造成損失,。
基站退服一直是影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的嚴(yán)重故障,造成基站退服的原因有很多,,主要包括傳輸故障,、載頻故障、天饋故障和外部因素(如市電/蓄電池停電,、高溫水浸)等[1],。且5G技術(shù)與4G技術(shù)有不同之處,如5G采用了波束管理增強(qiáng)天線增益,,接入技術(shù)采用了稀疏碼分多址,、圖樣分割多址及多用戶共享接入,。因此在4G退服經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上還要考慮5G技術(shù)特點(diǎn)。
退服會(huì)引發(fā)大量服務(wù)器掉線,、通話掉話等,,在萬物互聯(lián)的時(shí)代可能會(huì)產(chǎn)生更大的連鎖反應(yīng),造成不可估量的損失,。
2 基站退服成本估算方案
本研究提出的基于大數(shù)據(jù)的5G基站退服成本估算方案主要包括基于LSTM基站退服預(yù)測(cè)和基站退服成本估算兩部分內(nèi)容,,整體方案流程圖如圖1所示。
2.1 基于LSTM的5G基站退服預(yù)測(cè)
本方案第一部分是憑借海量的5G基站退服歷史數(shù)據(jù),,選取用以處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)的LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為預(yù)測(cè)算法,,構(gòu)建5G基站退服預(yù)測(cè)模型。
2.1.1 LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
LSTM(Long Short Term Memory)是一種循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recurent Neural Network,,RNN)結(jié)構(gòu),,最早由HOCHREITER S和SCHMIDHUBE J于1997年提出[2]。作為循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種,,LSTM具有非常強(qiáng)大的計(jì)算和表達(dá)能力,,理論上講,在包含足夠多的神經(jīng)元的情況下,,一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能完成的計(jì)算均可借由一個(gè)LSTM網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn),,而網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)值即可以看成是完成這個(gè)計(jì)算所需要的程序[3]。
相較于傳統(tǒng)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言,,LSTM網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)在于它可以更好地處理間隔不定,、界限不明的重要事件序列,從中學(xué)習(xí)到有用的信息,,用以進(jìn)行分類,、分析,或?qū)ξ磥頃r(shí)間序列做出預(yù)測(cè)[4],。LSTM對(duì)間隔長度相對(duì)不敏感,,這使得它在很多應(yīng)用場(chǎng)景中相比其他種類的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、馬爾科夫模型或其他序列學(xué)習(xí)類的模型具有更佳的表現(xiàn),。LSTM在諸多領(lǐng)域都取得了成功,其中最為人知的包括自然語言文本壓縮,、連續(xù)手寫識(shí)別以及自動(dòng)語音識(shí)別等,。2016年為止,包括谷歌,、蘋果,、微軟和百度在內(nèi)的世界級(jí)科技公司所推出的新產(chǎn)品中都經(jīng)常能見到LSTM作為其重要組件而出現(xiàn)。
LSTM最早提出是為了解決傳統(tǒng)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中存在的“消失的梯度”問題[5],。由于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中跨越時(shí)序的權(quán)重值是簡(jiǎn)單共享的,,因此當(dāng)其值小于1時(shí)則會(huì)出現(xiàn)沿該方向傳遞的信息會(huì)迅速消失的情況,。LSTM對(duì)這一問題的解決方法是將傳統(tǒng)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的循環(huán)神經(jīng)元用記憶單元(Memory Cell)代替。圖2是一個(gè)帶有遺忘門的記憶單元的結(jié)構(gòu),。
LSTM模型有兩個(gè)隱藏狀態(tài)h(t),、C(t),模型參數(shù)幾乎是RNN的4倍,,因?yàn)楝F(xiàn)在多了Wf,、Uf、bf,、Wa,、Ua、ba,、Wi,、Ui、bi,、Wo,、Uo、bo這些參數(shù),,參數(shù)具體含義可參考文獻(xiàn)[6]中相關(guān)介紹,。前向傳播過程在每個(gè)序列索引位置的過程為:
2.1.2 5G基站退服預(yù)測(cè)
綜合基站退服預(yù)測(cè)問題和LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,建立輸入輸出均為時(shí)間序列數(shù)據(jù)的5G基站退服預(yù)測(cè)模型,。給定輸入時(shí)間序列數(shù)據(jù)為T(i)={xi,,xi+1,…,,xi+t},,輸入時(shí)間步長為t。每個(gè)時(shí)間步長包含一個(gè)數(shù)值xi,,表示單位時(shí)間內(nèi)基站退服總量,。目標(biāo)輸出數(shù)據(jù)為輸入時(shí)刻后的一小段時(shí)間序列數(shù)據(jù),輸出時(shí)間步長為p,,遠(yuǎn)小于t,。
2.2 5G基站退服成本估算
在現(xiàn)實(shí)生活中,基站退服時(shí)會(huì)造成此基站的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移,,從而使周圍基站的負(fù)荷增加,,而基站負(fù)荷的增加會(huì)相應(yīng)地提高基站的功耗,增加運(yùn)行成本,,本文以此角度對(duì)5G基站退服成本進(jìn)行估算,。
同時(shí),考慮到基站之間的距離對(duì)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移的影響,,一般而言,,在退服基站的輻射范圍之內(nèi)距離越遠(yuǎn)的基站所能轉(zhuǎn)移的業(yè)務(wù)量越少,,因此,根據(jù)與退服基站間的距離劃分了不同的區(qū)域范圍,,不同區(qū)域中基站所轉(zhuǎn)移的退服基站業(yè)務(wù)量的比率不同,。基站退服業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移過程如圖3所示,。
圖3中心位置為退服基站,,此基站退服后,區(qū)域1內(nèi)基站以r1比率承載退服基站負(fù)荷,,同理,,區(qū)域2內(nèi)基站以r2比率承載退服基站負(fù)荷,使周邊基站負(fù)荷有不同程度增加,。
基站的負(fù)荷與功耗存在一定的相關(guān)性,。5G基站主設(shè)備主要由BBU和AAU組成,功耗也主要是由BBU和AAU產(chǎn)生,。AAU其實(shí)就是4G時(shí)代的RRU加上天線,。BBU的主要作用是負(fù)責(zé)基帶數(shù)字信號(hào)處理。AAU的主要作用是將基帶數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),,然后調(diào)制成高頻射頻信號(hào),,再通過功放單元放大功率,通過天線發(fā)射出去,。數(shù)據(jù)顯示,,BBU的功率比較穩(wěn)定,不受業(yè)務(wù)負(fù)荷的太大影響,。而AAU隨著負(fù)荷的增加,,功耗也大幅增加,本研究中以BBU和AAU功耗總和衡量基站的功耗,,基站退服發(fā)生過程中使周邊基站功耗增加的費(fèi)用即為基站退服的成本,。假設(shè)基站負(fù)荷和功率呈線性關(guān)系,并且不同負(fù)荷范圍內(nèi)功耗變化的比率不同,。
綜上,,構(gòu)建出成本估算模型:
其中,C為計(jì)算出的總成本,,T表示功耗的時(shí)間段,,P是電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),N表示基站退服總量,,m表示按距離劃分的區(qū)域數(shù)量,ni表示每個(gè)區(qū)域內(nèi)周邊基站總量,,Q代表退服基站負(fù)荷,,qij代表區(qū)域內(nèi)第j個(gè)基站原始負(fù)荷,,ri是區(qū)域內(nèi)負(fù)荷分配比率。式(9)是代表負(fù)荷與功耗關(guān)系的分段函數(shù),,x表示負(fù)荷,,f(x)最終得出基站在x的負(fù)荷下所需要的功耗。
3 實(shí)驗(yàn)分析
3.1 基于LSTM的5G基站退服預(yù)測(cè)
3.1.1 數(shù)據(jù)來源
為了說明方法的有效性和實(shí)用性,,本文選取中國電信某省一年時(shí)間內(nèi)實(shí)際基站退服數(shù)據(jù),,數(shù)據(jù)以每日為單位時(shí)長。
3.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理
因?yàn)榛就朔哂袑?shí)時(shí)性的特點(diǎn),,可能造成基站退服數(shù)值在短時(shí)間內(nèi)的大跨度變化,,為了提高模型泛化能力,故采用離差標(biāo)準(zhǔn)化公式:
其中,ymax和ymin分別為基站退服數(shù)值的最大值和最小值,。通過式(10)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后,,將每一列數(shù)據(jù)的取值范圍規(guī)范到[0,1],。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,,可避免數(shù)據(jù)擬合度差造成預(yù)測(cè)不精確。
3.1.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
計(jì)算機(jī)配置環(huán)境:處理器采用Intel CoreTM i5-6300HQ [email protected] GHz 2.30,,8 GB內(nèi)存,,1 TB硬盤。
網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)設(shè)置:設(shè)置LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型批次訓(xùn)練數(shù)量為60,,學(xué)習(xí)率0.001,,訓(xùn)練數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)比例為7:3,迭代次數(shù)為1 000次,。
3.1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
利用LSTM對(duì)基站退服進(jìn)行預(yù)測(cè),。研究中選取8月后數(shù)值進(jìn)行預(yù)測(cè),LSTM模型的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4所示,。
由圖4可直觀看出,,LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)比較吻合,預(yù)測(cè)誤差很小,,預(yù)測(cè)結(jié)果具有良好的預(yù)測(cè)精度,,能夠較好地挖掘出數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)。為進(jìn)一步驗(yàn)證此預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度的優(yōu)越性,,本研究采用平均絕對(duì)誤差eMAE和平均相對(duì)誤差eMAPE兩項(xiàng)指標(biāo)衡量預(yù)測(cè)模型擬合的好壞程度,,其計(jì)算公式分別為:
模型預(yù)測(cè)精度的結(jié)果如表1所示。
根據(jù)表1可知,,基于LSTM的基站退服預(yù)測(cè)模型整體預(yù)測(cè)誤差小,、預(yù)測(cè)精度較高,能夠較為準(zhǔn)確地反映基站退服的發(fā)展態(tài)勢(shì),,使管理者能即時(shí)追蹤基站退服的相關(guān)情況,。
3.2 5G基站退服成本估算分析
利用2.2節(jié)構(gòu)建的基站退服成本模型,,對(duì)此地區(qū)進(jìn)行基站退服成本估算。前述部分已經(jīng)預(yù)測(cè)出8月份后基站退服的數(shù)量預(yù)計(jì)共15 367個(gè),,基于此,,可估算出8月份后基站退服的成本。
模型中可看出基站退服成本估算結(jié)果與基站退服影響范圍,、區(qū)域劃分范圍,、基站原始負(fù)荷、負(fù)荷分配的比率,、區(qū)域內(nèi)周邊基站的個(gè)數(shù)有關(guān),,在不考慮基站超負(fù)荷運(yùn)行的情況下,設(shè)置不同的參數(shù)值以估算基站退服成本情況,。
設(shè)置基站退服影響范圍為3 000 m,,以1 000 m為間隔劃分區(qū)域,假設(shè)基站原始負(fù)荷都相同,,為50%,,周邊基站負(fù)荷分配以6:4的比例由距離從近到遠(yuǎn)依次遞減,電費(fèi)以商業(yè)用電標(biāo)準(zhǔn)1.2元/(kW·h)計(jì),,不同區(qū)域內(nèi)周邊基站個(gè)數(shù)所造成的成本結(jié)果如表2所示,。
設(shè)置不同區(qū)域內(nèi)周邊基站個(gè)數(shù)為2個(gè),退服影響范圍的不同造成的成本結(jié)果如表3所示,。
設(shè)置基站退服影響范圍為3 000 m,,劃分區(qū)域范圍的不同造成的成本結(jié)果如表4所示。
同樣,,設(shè)置劃分區(qū)域范圍為1 000 m,,基站原始負(fù)荷的不同造成的成本結(jié)果如表5所示。
根據(jù)以上不同情況下估算出的結(jié)果,,在不考慮其他損失的前提條件下,,得出在本地區(qū)8月份后由于基站退服造成的成本損失大約為106 576 264.14元,可看出基站退服會(huì)對(duì)運(yùn)營商造成的損失是十分巨大的,。針對(duì)基站退服,,運(yùn)營商方可積極采取相應(yīng)措施,盡量減少基站退服事故的發(fā)生,,降低成本:
(1)加強(qiáng)基站日常供電設(shè)備的檢測(cè),。基站蓄電池要經(jīng)常進(jìn)行性能測(cè)試,,能夠即時(shí)掌握電池的健康狀況,,及時(shí)更換有問題的電池,合理配置電源機(jī)柜整流模塊。
(2)加強(qiáng)基站線路方面的質(zhì)量檢查,。很多基站由于線路老化接頭多,,衰耗大而退服,故要對(duì)線路加強(qiáng)盯守,,可采用溯源方式加強(qiáng)施工方的質(zhì)量管控,出現(xiàn)問題及時(shí)搶修,。
(3)科學(xué)及時(shí)地對(duì)故障進(jìn)行處理,。建立完備的基站數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái),能詳細(xì)了解基站的實(shí)際情況,,使工作人員能準(zhǔn)確合理地調(diào)度人員去處理基站故障,。加強(qiáng)故障工單的調(diào)度與處理,提升告警處理效率,;另一方面,,可以對(duì)故障工單信息進(jìn)行挖掘,為日后基站的維護(hù)提供更具針對(duì)性的建議,。
4 結(jié)論
本文提出了一種基于大數(shù)據(jù)的5G基站退服成本估算方案,,首先利用基站退服歷史時(shí)間序列數(shù)據(jù)和LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練5G基站退服預(yù)測(cè)模型,通過實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證,,模型能較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出基站退服的發(fā)展規(guī)律,;之后從基站退服后所造成周邊基站的功耗變化角度,構(gòu)建了5G基站退服成本估算模型,,并用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行估算,,此方法可為基站維護(hù)人員提供參考,化被動(dòng)為主動(dòng),,減少成本,。本研究方法后續(xù)還需進(jìn)一步完善,可以加入更多的成本估算因素,,如設(shè)備自身的損耗,、由于用戶產(chǎn)生的業(yè)務(wù)損失等。文中模型所涉及的基站的負(fù)荷變化可進(jìn)行更詳盡的計(jì)算,,考慮到基站負(fù)荷超載等一些情況,,做到更精確的核算。
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作者信息:
魏鵬濤,,曾 宇,,王海寧,李 皛,,姚沛君,,李夢(mèng)池,徐藝謀
(中國電信股份有限公司戰(zhàn)略與創(chuàng)新研究院 新興信息技術(shù)研究所 網(wǎng)絡(luò)AI研究中心,,北京102209)