陳 明

（四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，四川 都江堰 611837）

0 引言

在大數(shù)據(jù)的影響下，通信網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出新的特征。隨著新媒體的出現(xiàn)、智能移動(dòng)設(shè)備的增加，對(duì)通信帶寬的需求不斷增大。如果不能及時(shí)優(yōu)化通信帶寬，很難保證大面積用戶的業(yè)務(wù)需求[1-3]。文獻(xiàn)[4]提出基于混合隊(duì)列模型的帶寬優(yōu)化方法，該方法基于排隊(duì)論，從數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)出發(fā)，分析各數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸速率和周期統(tǒng)計(jì)描述，求出帶寬的最優(yōu)解，但是面對(duì)高并發(fā)的業(yè)務(wù)需求，帶寬資源分配不合理，能耗過高，在實(shí)際項(xiàng)目中的實(shí)用性需要進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[5]提出的基于分簇的通信帶寬優(yōu)化方法是一種比較成熟的優(yōu)化方法，該方法在滿足資源比例相對(duì)公平的前提下，合理規(guī)避信號(hào)干擾，從而獲得帶寬最優(yōu)解，有效消除了干擾對(duì)通信帶寬的影響，但是并沒有解決能耗過高的問題，實(shí)用性差的問題仍需解決。因此，本文提出基于大數(shù)據(jù)的通信帶寬優(yōu)化方法。

1 基于大數(shù)據(jù)的通信帶寬優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

1.1 搭建信道模型

針對(duì)大數(shù)據(jù)影響下的通信特征，構(gòu)建與大數(shù)據(jù)特征相符的信道模型，以此保證通信過程中帶寬始終處在最優(yōu)狀態(tài)。在大數(shù)據(jù)影響下，通信具有距離遠(yuǎn)、信號(hào)衰減大、信息量大以及速率低的特點(diǎn)?；谝陨咸攸c(diǎn)，構(gòu)建相應(yīng)的信道模型。

在通信網(wǎng)絡(luò)中，無線通信信號(hào)往往具有不同程度的起伏，其起伏程度與通信距離息息相關(guān)。當(dāng)通信兩端距離比較小，說明通信鏈路比較穩(wěn)定，信噪比低。因此，可以以信號(hào)的起伏程度作為衡量通信信號(hào)受影響程度的指標(biāo)。當(dāng)無線信號(hào)在通信中發(fā)生散射，呈現(xiàn)出多徑效應(yīng)，此時(shí)接收到無線信號(hào)幅度服從以下約束：

式中：v表示接收信號(hào)幅度，ω表示功率約束參數(shù)，k表示接收信號(hào)中散射分量和直射分量的功率比值，χ表示接收信號(hào)的總功率。根據(jù)上述結(jié)果建立信道模型：

式中：F表示通信信道，s表示信道的狀態(tài)數(shù)，m表示常數(shù)，用來描述狀態(tài)區(qū)間；Rm表示落入第m個(gè)狀態(tài)區(qū)間接收端的信噪比穩(wěn)態(tài)概率。

在實(shí)際通信中，經(jīng)過上述過程構(gòu)建的信道模型自身擁有糾錯(cuò)機(jī)制，能夠及時(shí)糾正多徑衰落效應(yīng)帶來的問題。在此信道模型的支持下，優(yōu)化通信調(diào)度機(jī)制。

1.2 優(yōu)化通信調(diào)度機(jī)制

定義通信網(wǎng)絡(luò)待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量為M，y表示通信調(diào)度中帶寬狀態(tài)。當(dāng)y取值為0，表示帶寬沒有被占用，當(dāng)y取值為1，表示帶寬被占用。對(duì)于通信調(diào)度機(jī)制優(yōu)化的目的在于盡可能少使用帶寬資源，實(shí)現(xiàn)較多調(diào)度任務(wù)的處理。

大流量數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方案分為兩種：一種是分配到統(tǒng)一的帶寬實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，另一種是將大流量數(shù)據(jù)拆分，在同一個(gè)通信周期分配兩個(gè)帶寬或在不同的通信周期分配同一個(gè)帶寬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于不同的調(diào)度方法，必須設(shè)置不同的約束條件，才能使帶寬保持最優(yōu)。

1.3 優(yōu)化通信帶寬

為使通信寬帶達(dá)到最優(yōu)，為網(wǎng)絡(luò)調(diào)度任務(wù)設(shè)置時(shí)限，設(shè)置一個(gè)時(shí)間閾值，當(dāng)大流量數(shù)據(jù)包的實(shí)際傳輸時(shí)延小于等于設(shè)置的時(shí)間閾值，說明通信穩(wěn)定，寬帶分配合理。在構(gòu)建的信道模型上劃分出能夠滿足不同需求的信道，對(duì)于不同的業(yè)務(wù)請(qǐng)求信號(hào)分配合適信道，以此實(shí)現(xiàn)帶寬資源的合理分配和業(yè)務(wù)的同步處理；確定數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延后，結(jié)合數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，劃分整個(gè)傳輸周期為多個(gè)時(shí)間窗，對(duì)于不同的時(shí)間窗分配不同的傳輸帶寬，由此達(dá)到通信帶寬最優(yōu)的目的。

2 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將本文設(shè)計(jì)方法與文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]的方法做對(duì)比。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

借助第三方軟件規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)置模型內(nèi)有效節(jié)點(diǎn)數(shù)量為3，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送4 幀數(shù)據(jù)，起始周期為20，最大發(fā)送周期10，最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8。在第一組實(shí)驗(yàn)中，使用多臺(tái)計(jì)算機(jī)建立通信信道，以本文方法、文獻(xiàn)[4]方法以及文獻(xiàn)[5]的方法作為目標(biāo)，分別在相同配置的計(jì)算機(jī)上執(zhí)行優(yōu)化方法；優(yōu)化結(jié)束后，以最小能耗作為目的，通過第三方軟件獲得流量資源分配結(jié)果。在第二組實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置多種不同類型的數(shù)據(jù)，建立通信信道，設(shè)置相同的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，在各個(gè)不同的帶寬優(yōu)化方法的支持下，傳輸各項(xiàng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出不同帶寬優(yōu)化方法的時(shí)延結(jié)果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)類型等屬性如下：周期數(shù)據(jù)67.341 MB，緊急數(shù)據(jù)70.249 MB，非緊急數(shù)據(jù)50.642 MB，線性數(shù)據(jù)28.64 MB，非線性數(shù)據(jù)31.45 MB。后續(xù)兩組實(shí)驗(yàn)均使用此數(shù)據(jù)，以此保證各個(gè)優(yōu)化方法下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。

2.2 最小能耗的資源分配實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在實(shí)驗(yàn)中，使用第三方軟件自動(dòng)記錄能耗的變化情況，在所有方法執(zhí)行完畢后，輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果并統(tǒng)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同帶寬優(yōu)化方法資源分配實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以圖中曲線與坐標(biāo)軸形成的面積作為分析的指標(biāo)，面積越大說明能耗越大，資源分配不合理，反之，面積越小，說明能耗越小，資源分配合理。由圖1 可知，本文提出的基于大數(shù)據(jù)的通信帶寬優(yōu)化方法在執(zhí)行通信任務(wù)時(shí)資源分配更加合理，能耗更少。

2.3 通信傳輸時(shí)延實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過第三方軟件記錄每一次數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的傳輸時(shí)延，記錄不同帶寬優(yōu)化方法下周期數(shù)據(jù)、非緊急數(shù)據(jù)、緊急數(shù)據(jù)、線性數(shù)據(jù)以及非線性數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延和最大時(shí)延。各類型數(shù)據(jù)的屬性來源均為開放的數(shù)據(jù)庫，在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過預(yù)處理，消除了數(shù)據(jù)間的隔閡，減少了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

通過表1 可知，本文提出的基于大數(shù)據(jù)的通信帶寬優(yōu)化方法面對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，依然能保證高水平的通信質(zhì)量，該優(yōu)化方法的實(shí)用性優(yōu)于傳統(tǒng)的帶寬優(yōu)化方法。

表1 不同帶寬優(yōu)化方法的時(shí)延實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

本文以通信帶寬優(yōu)化作為研究重點(diǎn)，研究大數(shù)據(jù)環(huán)境下通信帶寬與大數(shù)據(jù)技術(shù)的適配性，并在此基礎(chǔ)上，為通信網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)業(yè)務(wù)對(duì)通信帶寬需求提供可行方案。優(yōu)化完成后，利用計(jì)算實(shí)例研究提出的通信帶寬優(yōu)化方法與傳統(tǒng)的帶寬優(yōu)化方法的實(shí)際性能，經(jīng)過傳輸時(shí)延和資源分配實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，證明了提出的基于大數(shù)據(jù)的優(yōu)化方法的可行性和實(shí)用性，保證基于大數(shù)據(jù)的帶寬優(yōu)化方法能夠滿足通信業(yè)務(wù)的實(shí)際需求。