趙亮

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)；多節(jié)點(diǎn)資源；均衡配置

一、引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們對(duì)信息服務(wù)的需求變得更加迫切。5G 技術(shù)作為一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)信息傳輸方式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更快速、更安全、更完整的通信服務(wù)，還能推動(dòng)人們加快更新信息傳播理念。它的出現(xiàn)開(kāi)啟了無(wú)線通信的新時(shí)代。為了實(shí)現(xiàn)海量信息的順暢、及時(shí)傳輸，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信需要借助完整的網(wǎng)絡(luò)體系、合理的節(jié)點(diǎn)布設(shè)以及先進(jìn)的通信設(shè)施設(shè)備，以確保各類(lèi)資源得到充分利用。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的基本特征是分布式結(jié)構(gòu)的布置，但是這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)部連接較為復(fù)雜。雖然網(wǎng)絡(luò)資源總量巨大，但各節(jié)點(diǎn)資源的數(shù)量和種類(lèi)卻有所不同。在通信過(guò)程中，這些資源配置難以做到精準(zhǔn)、充分和合理，成為影響用戶(hù)滿(mǎn)意度的重要因素[1]。因此，有必要對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)資源的配置進(jìn)行優(yōu)化，以使整個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)更加合理。在科研學(xué)術(shù)領(lǐng)域，學(xué)者們長(zhǎng)期深入研究和實(shí)踐，提出了一些解決方案。例如，有學(xué)者提出在新一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中采用中繼節(jié)點(diǎn)（Relay Mode，RN） 方案，以減少基站的密集部署和降低成本，實(shí)現(xiàn)多種資源的一體化接入回傳。還有學(xué)者提出通過(guò)提高節(jié)點(diǎn)的頻譜效率來(lái)提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量。但是，現(xiàn)有的資源配置方法仍然難以保證終端功能與分布式網(wǎng)元功能的參考信號(hào)時(shí)域?qū)R，以及參考信號(hào)的正交化需求，同時(shí)也存在過(guò)度耗用資源的問(wèn)題。[2]。本文提出一種新的資源配置方法，以便更均衡合理地配置、利用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)資源。

二、多節(jié)點(diǎn)增刪線性規(guī)劃

節(jié)點(diǎn)集V 存在于任何一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。在節(jié)點(diǎn)集中還包括需求點(diǎn)集（VB）和供應(yīng)點(diǎn)集（VA），其關(guān)系可表示為V={VA，VB}。由于在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都按照固定的邏輯進(jìn)行關(guān)聯(lián)，因此基于高昂的造價(jià)成本，一般不會(huì)輕易更改其傳輸通道[3]。在工程實(shí)踐中，主要使用線材或無(wú)線電磁波頻率進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)連接并實(shí)現(xiàn)控制。要做到對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)的科學(xué)規(guī)劃布設(shè)，必須滿(mǎn)足如下條件：

根據(jù)式（1）所列條件，采用四步計(jì)算來(lái)明確節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和增刪位置，實(shí)施流程如下：

第一步：建立矩陣模型，需要建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并設(shè)置指標(biāo)權(quán)重。其中，K 表示上述約束關(guān)系中的常量。

第二步：明確節(jié)點(diǎn)數(shù)量，對(duì)狀態(tài)矢量進(jìn)行初始化設(shè)置，再根據(jù)矢量來(lái)確定無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

第三步：計(jì)算節(jié)點(diǎn)集，利用Dijkstra 算法計(jì)算整個(gè)集合中所有需求點(diǎn)的路徑，找到最優(yōu)方案，然后結(jié)合計(jì)算結(jié)果搭建需求節(jié)點(diǎn)的路徑矩陣，如（2）所示：

上式中各參數(shù)意義為：

Pj——多節(jié)點(diǎn)增刪線性規(guī)劃最優(yōu)矩陣

νjn——起點(diǎn)最優(yōu)路徑長(zhǎng)度

νen——終點(diǎn)的最優(yōu)路徑長(zhǎng)度

在已經(jīng)搭建的最優(yōu)路徑矩陣模型上，選擇網(wǎng)絡(luò)體系中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中心點(diǎn)，并根據(jù)最優(yōu)路徑長(zhǎng)度分析其需求點(diǎn)的可達(dá)性。然后將這些點(diǎn)去除，將非最優(yōu)需求節(jié)點(diǎn)歸入剩余集合中。接著，以現(xiàn)有的供應(yīng)節(jié)點(diǎn)為起始點(diǎn)，判斷其可達(dá)性，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行增刪處理，最終實(shí)現(xiàn)規(guī)劃處理[4]。

三、多節(jié)點(diǎn)需求資源的合理配置

完成上一步的處理工作后，意味著整個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)布置已經(jīng)初步形成。接下來(lái)需要對(duì)需求資源進(jìn)行均衡配置。為保證配置效率和質(zhì)量，需要合理分配多節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的資源量，并測(cè)算不同節(jié)點(diǎn)之間的最低傳輸距離耗時(shí)和路徑耗時(shí)[5]。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)一般依靠助網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)，隨后利用MATLAB 軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行增刪優(yōu)化。節(jié)點(diǎn)資源分配要遵循就近原則和均衡原則。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中包括很多的子網(wǎng)絡(luò)，它們按照分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列，每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)解耦中還設(shè)有一個(gè)基站，主要用于及時(shí)收發(fā)和處理相關(guān)信號(hào)資源[6]。

根據(jù)分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性，可知網(wǎng)絡(luò)的資源配置能力與節(jié)點(diǎn)數(shù)量成正比。然而，節(jié)點(diǎn)的增多會(huì)加劇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且節(jié)點(diǎn)的配置性能也存在一定差異。在通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，往往存在多個(gè)相同供應(yīng)節(jié)點(diǎn)同時(shí)為一個(gè)需求點(diǎn)提供服務(wù)的現(xiàn)象，這會(huì)造成節(jié)點(diǎn)利用不充分，資源分配不合理的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)對(duì)需求資源的均衡獲得，需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際需求量對(duì)節(jié)點(diǎn)的組合形式進(jìn)行調(diào)整。例如，可以挑選具有較強(qiáng)配置能力的節(jié)點(diǎn)為多個(gè)需求節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，將配置能力較弱的節(jié)點(diǎn)整合在一起，共同服務(wù)一個(gè)需求節(jié)點(diǎn)，從而提升節(jié)點(diǎn)的利用率和資源配置能力[7]。

四、多節(jié)點(diǎn)布局優(yōu)化配置

可以結(jié)合節(jié)點(diǎn)對(duì)資源的實(shí)際需求，在不改變現(xiàn)有供應(yīng)節(jié)點(diǎn)的條件下，重新調(diào)整節(jié)點(diǎn)連接方式和布局，以此提升布局的科學(xué)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)性能的全面提升。其次，為了實(shí)現(xiàn)消耗的最低化，性能和價(jià)值的最大化，在節(jié)點(diǎn)需求優(yōu)先滿(mǎn)足的前提下，應(yīng)做到成本最優(yōu)。對(duì)于不合理的節(jié)點(diǎn)布設(shè)方案，可以進(jìn)行處理，但不應(yīng)改變資源總量[8]。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的關(guān)鍵是有效把控節(jié)點(diǎn)。應(yīng)基于當(dāng)前供應(yīng)節(jié)點(diǎn)，對(duì)其布設(shè)線路、實(shí)施處理方式及處理流程進(jìn)行成本預(yù)估，對(duì)占用成本較高的方案進(jìn)行舍棄或優(yōu)化。按照供應(yīng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際配置需要來(lái)分配資源和線路布設(shè)，提高工作效率的同時(shí)完成節(jié)點(diǎn)的合理配置。

五、實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

本文前三章提出了基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)資源的均衡配置理論。為驗(yàn)證該理論的可行性和實(shí)際效果，我們構(gòu)建了一個(gè)基于無(wú)線通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用D2D通信方式的多節(jié)點(diǎn)傳輸實(shí)驗(yàn)環(huán)境。采用本文所述的配置方法，我們?cè)诜涓C網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中心位置布設(shè)基站節(jié)點(diǎn)，同時(shí)包含用戶(hù)需求端和D2D 發(fā)送端。D2D 接收端均勻布置在與D2D 發(fā)送端相對(duì)應(yīng)的圓形區(qū)域中[9]。為避免實(shí)驗(yàn)操作對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量帶來(lái)的不良影響，我們使用空閑頻譜資源來(lái)完成資源配置，相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)表1。

在實(shí)驗(yàn)中，我們引入表1 中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)來(lái)進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)資源配置。我們認(rèn)真記錄了多節(jié)點(diǎn)間不同資源包到達(dá)率下的平均端到端延時(shí)情況，并以此作為評(píng)價(jià)配置方法有效性的重要指標(biāo)。多節(jié)點(diǎn)的平均端到端延時(shí)長(zhǎng)短直接反映了節(jié)點(diǎn)資源的配置合理性，進(jìn)而表明了其分配效率的高低[10]。

圖1 以曲線形式直觀反映了蜂窩網(wǎng)絡(luò)中不同包達(dá)到率下的節(jié)點(diǎn)平均端到端延時(shí)情況。由圖可知，以包達(dá)到數(shù)0.4/S 為臨界點(diǎn)，平均端到端延時(shí)隨包到達(dá)率的變化呈現(xiàn)出先降而增的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)。在包達(dá)到率為1.8 時(shí)平均端到端延時(shí)達(dá)到5.8S，盡管出現(xiàn)了較大幅度的增長(zhǎng)變化，但根據(jù)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行特點(diǎn)，只要多節(jié)點(diǎn)傳輸間的平均端到端延時(shí)不超過(guò)10s，都能保證通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。由此可見(jiàn)，本配置方法具有較好的適用性，應(yīng)用于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中能夠有效提升多節(jié)點(diǎn)間的資源配置合理性，從而提高資源利用率，保證整個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量。

六、結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線通信質(zhì)量受到內(nèi)外多種因素的影響，先進(jìn)的通信技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定性的根本保證，而多節(jié)點(diǎn)的合理配置和資源的均衡分配則成為提升用戶(hù)使用體驗(yàn)的重要內(nèi)容。

本文提出的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)資源的均衡配置方法，可廣泛適用于各類(lèi)低資源消耗和全局服務(wù)的約束條件，并經(jīng)實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了其有效性。然而隨著時(shí)代的飛速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)o(wú)線通信效率和質(zhì)量的要求必定越來(lái)越高，這就需要我們持續(xù)、深入地研究，更新無(wú)線通信技術(shù)，不斷優(yōu)化節(jié)點(diǎn)資源配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。