汪 超

（1.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450000；2.中國農(nóng)業(yè)銀行股份有限公司河南省分行，河南 鄭州 450000）

0 引 言

在信息時代，數(shù)據(jù)的傳輸和處理要求更加迅捷高效。通信和計算是實(shí)現(xiàn)信息傳遞和處理的2個重要方面，然而傳統(tǒng)的通信和計算系統(tǒng)往往存在時延大、帶寬瓶頸和能耗高等問題。將通信和計算相互融合，可以實(shí)現(xiàn)更高效、更快速的數(shù)據(jù)傳輸和處理，滿足現(xiàn)代社會對時效性的要求。因此，開展基于信息時效性的通信和計算融合機(jī)理研究具有重要意義，對于推動通信和計算領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用具有積極影響。

1 通信和計算融合研究背景

1.1 基于信息時效性的通信和計算融合的意義和目標(biāo)

在大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)的推動下，人們的工作和生活節(jié)奏加快，對信息的需求日益增長，因此加快信息傳播的速度和保護(hù)信息安全迫在眉睫[1]。將計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合，能夠有效提升通信技術(shù)的安全性，避免信息傳輸中的泄露或中斷問題。將加密技術(shù)應(yīng)用于通信技術(shù)可以保障信息傳輸?shù)陌踩?，為居民和企業(yè)的隱私提供保護(hù)。

1.2 研究問題的引出和研究動機(jī)

在當(dāng)前信息技術(shù)迅猛發(fā)展的時代背景下，通信和計算技術(shù)成為人們獲取、傳播和處理信息的重要手段。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)上信息類型的增多和數(shù)量的激增，傳統(tǒng)的通信和計算系統(tǒng)面臨諸多問題和挑戰(zhàn)。時延大、帶寬瓶頸、能耗高等問題限制了信息的快速傳播和處理，如果不能及時提升信息傳播速率，將對個人和企業(yè)的后續(xù)發(fā)展產(chǎn)生消極影響。因此，提高通信和計算系統(tǒng)的性能和效率，滿足信息時代快速傳輸和處理的需求迫在眉睫。

2 研究方法與數(shù)據(jù)收集

2.1 案例分析的應(yīng)用與選擇

為解決當(dāng)前信息技術(shù)存在問題，某市開發(fā)了一種基于算網(wǎng)融合新興技術(shù)，將通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施與異構(gòu)計算設(shè)施融合發(fā)展，統(tǒng)一編排管控數(shù)據(jù)、計算、網(wǎng)絡(luò)等多種資源，達(dá)到提高信息傳播速度和效率的目的[2]。在全棧專屬云中，通信與計算的融合可以整合不同來源的數(shù)據(jù)，快速傳輸和處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)。例如，通過全棧專屬云對用戶的移動數(shù)據(jù)、社交媒體數(shù)據(jù)、設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)等進(jìn)行匯集和分析，快速提供數(shù)據(jù)處理結(jié)果，幫助企業(yè)和個人更好地把握市場動態(tài)和需求。

2.2 仿真模擬方法和試驗(yàn)設(shè)計

為了驗(yàn)證基于算網(wǎng)融合新興技術(shù)在解決信息技術(shù)問題中的有效性，采用仿真模擬方法和試驗(yàn)設(shè)計進(jìn)行驗(yàn)證和評估。仿真過程包括模擬通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、異構(gòu)計算設(shè)施和數(shù)據(jù)來源等，并設(shè)定相關(guān)參數(shù)和規(guī)則，如傳輸速率、數(shù)據(jù)量和處理能力等。

數(shù)據(jù)傳輸速率計算公式為

式中：T為一個數(shù)字脈沖信號的寬度(全寬碼)或重復(fù)周期(歸零碼)，s；N為一個碼元所取的離散值個數(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，通常使用二進(jìn)制信息來表示和傳輸數(shù)據(jù)。為確定數(shù)據(jù)傳輸速率，需要考慮2個重要因素，即位數(shù)和碼元脈沖。位數(shù)反映了數(shù)據(jù)的復(fù)雜度和可表示的離散值數(shù)量。對于二進(jìn)制數(shù)據(jù)，位數(shù)可以用K表示，而離散值的數(shù)量可以用N表示。根據(jù)定義，存在一定的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：N等于2的K次方，即K是以2為底N的對數(shù)（log2N）。當(dāng)考慮N=2時，即二進(jìn)制數(shù)據(jù)的情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率與重復(fù)頻率之間存在一個特殊的關(guān)系。

具體而言，當(dāng)N=2時，數(shù)據(jù)傳輸速率等于碼元脈沖的重復(fù)頻率，也就是每秒發(fā)送的碼元脈沖數(shù)量。假設(shè)一個數(shù)字脈沖信號的寬度為0.1 s，每個碼元有8個離散值（N=8），即每個碼元可以編碼8位二進(jìn)制信息（K=log28=3），在當(dāng)前情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率S為30 b/s。

信號傳輸速率計算公式為

式中：B為信號傳輸速率，Baud；Q為信號碼元的寬度，s。

假設(shè)一個信號碼元的寬度為0.02 s，那么B為50 Baud。這些計算涉及數(shù)字脈沖信號的寬度、離散值數(shù)量、碼元脈沖的重復(fù)頻率等技術(shù)性概念。通過計算數(shù)據(jù)傳輸速率和信號傳輸速率，可以評估和優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率，并確保信息在通信過程中的正確性和穩(wěn)定性。

3 通信和計算融合的機(jī)理研究

3.1 通信和計算基礎(chǔ)知識與理論介紹

在無線通信系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 通信系統(tǒng)模型

無線信道往往存在大尺度衰落和小尺度衰落的現(xiàn)象。大尺度衰落描述了在長距離（數(shù)百米或數(shù)千米）或長時間范圍內(nèi)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間信號場強(qiáng)的變化[3]。這種衰落速度較慢且持續(xù)時間較長，主要受傳播路徑的影響。在全棧專屬云中，通信與計算的融合是該技術(shù)的核心特點(diǎn)。通過將來自不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，全棧專屬云能夠快速傳輸和處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)。例如，對于移動應(yīng)用來說，全棧專屬云可以匯集用戶的移動數(shù)據(jù)、社交媒體數(shù)據(jù)以及設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)源，然后集中分析和處理這些數(shù)據(jù)。這樣，無論是企業(yè)還是個人用戶，都能夠及時獲取快速而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

3.2 基于信息時效性的通信和計算融合機(jī)理的詳細(xì)闡述

為了加快數(shù)據(jù)的傳輸速度，在全棧專屬云通信中，會利用調(diào)制技術(shù)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號進(jìn)行傳輸。根據(jù)香農(nóng)定理，信道的最大傳輸速率為

式中：C為無噪聲條件下信道的容量。SNR為信號與噪聲的比值。

考慮計算處理的效率。計算任務(wù)的處理時間可以表達(dá)為

式中：M為任務(wù)的規(guī)模，如要處理的數(shù)據(jù)量或要執(zhí)行的操作數(shù)量；Rcompute為計算資源的效率。

將通信與計算相融合，可得到整體的信息傳播時間，公式為

式中：Ttransmission為數(shù)據(jù)傳輸時間，指數(shù)據(jù)從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩怂璧臅r間。

然而，通信和計算并行進(jìn)行，因此整體的傳播時間取決于傳輸速度和計算效率中的通信時長。為達(dá)到更高的信息時效性，采用更高的信號帶寬和更低的信噪比，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和信道容量。此外，利用并行計算資源，同時執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，以提高計算效率。

4 研究結(jié)果與討論

4.1 基于信息時效性的通信和計算融合對系統(tǒng)性能的改善效果

通過將通信和計算進(jìn)行信息時效性融合，可以改善系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)輕資產(chǎn)運(yùn)營，并提供基礎(chǔ)設(shè)施代維服務(wù)，讓用戶能夠?qū)Ｗ⒂隗w驗(yàn)上層智能應(yīng)用和關(guān)注算力性能指標(biāo)[4]。通過將通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和異構(gòu)計算設(shè)施融合發(fā)展，統(tǒng)一編排管控數(shù)據(jù)、計算和網(wǎng)絡(luò)等多種資源，實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)傳輸和計算處理。

業(yè)務(wù)本地化部署滿足數(shù)據(jù)安全合規(guī)監(jiān)管要求。通過將數(shù)據(jù)存儲和計算等關(guān)鍵環(huán)節(jié)放置于本地，能夠更好地保護(hù)敏感數(shù)據(jù)和滿足國家的法律法規(guī)要求。這樣，企業(yè)和用戶在享受云服務(wù)帶來的高效便利的同時，能夠保護(hù)自己的數(shù)據(jù)安全和符合相關(guān)合規(guī)性要求。

4.2 降低通信時延、提高帶寬利用率的試驗(yàn)結(jié)果分析

縮短通信時延和提高帶寬利用率的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。通信時延和帶寬利用率是描述數(shù)據(jù)傳輸過程中的重要指標(biāo)。通信時延表示從發(fā)送到接收所需時間的長短，單位通常是ms；帶寬利用率表示實(shí)際使用的帶寬所占的比例，以%表示。A、B、C、D為既定條件，主要是通信試驗(yàn)的基礎(chǔ)場景，無單位表示，包含通信時延和帶寬利用率2種數(shù)據(jù)傳輸指標(biāo)。

圖2 降低通信時延和提高帶寬利用率的試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖2降低通信時延和提高帶寬利用率的試驗(yàn)結(jié)果如下：條件D是給出的4種情況中最優(yōu)的，通信時延最短且?guī)捓寐首罡?，說明數(shù)據(jù)傳輸效率最高，在給定的帶寬中幾乎沒有空閑時間。降低通信時延和提高帶寬利用率的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 降低通信時延和提高帶寬利用率的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表格

通過比較不同試驗(yàn)條件下的通信時延和帶寬利用率，觀察到在試驗(yàn)條件D下，系統(tǒng)能夠更快地完成數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了較低的通信時延，即通信時延不超過10ms。同時，在該試驗(yàn)條件下，系統(tǒng)能夠更好地利用可用的帶寬資源，提高了帶寬利用率，即帶寬利用率≥80%這表明經(jīng)過信息時效性的通信與計算融合改善后，系統(tǒng)的性能顯著提升。較短的通信時延意味著數(shù)據(jù)傳輸速度更快，能夠更及時地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和處理。而較長的帶寬利用率表示系統(tǒng)能夠更充分地利用可用的帶寬資源，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

4.3 減少系統(tǒng)能耗的成果及其影響因素

全棧專屬云通過有效的資源調(diào)度和智能優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)對計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)等資源的綜合管理，以最小化能耗為目標(biāo)[5]。通過動態(tài)識別系統(tǒng)負(fù)載、資源利用率和用戶需求等因素，全棧專屬云能夠按需分配資源，并在不需要的時候進(jìn)行部分休眠或降頻處理，從而降低系統(tǒng)能耗。服務(wù)器的功率模式和頻率狀況如表2所示。

表2 服務(wù)器的功率模式和頻率狀況

全棧專屬云采用動態(tài)功率管理技術(shù)，通過實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)載和能耗情況，智能調(diào)整服務(wù)器的功率模式和頻率，以適應(yīng)不同工作負(fù)載下的能源需求。需要注意的是，具體的功率模式和頻率調(diào)整策略會因服務(wù)器的能效特性、工作負(fù)載和任務(wù)需求等因素而有所不同。綜合考慮資源需求、性能要求和能源消耗等方面的因素，全棧專屬云可以根據(jù)實(shí)時監(jiān)控來智能選擇合適的功率模式和頻率，以達(dá)到最佳的能耗效果。

全棧專屬云通過優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)、資源管理和冷卻技術(shù)等多方面因素，能夠顯著減少系統(tǒng)能耗。這不僅對降低企業(yè)的能源成本有益，也符合環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求。通過全棧專屬云的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)更高能源效率和更低碳排放，為構(gòu)建綠色、可持續(xù)發(fā)展的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施做出貢獻(xiàn)。

5 結(jié) 論

基于信息時效性的通信和計算融合機(jī)理可以顯著改善系統(tǒng)的性能，縮短通信時延，提高帶寬利用率，并減少系統(tǒng)的能耗。通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、協(xié)議設(shè)計和資源分配策略，有效提升數(shù)據(jù)傳輸速度和計算處理能力，滿足用戶對信息時效性的需求，為通信與計算領(lǐng)域的相關(guān)人員提供有價值的參考和指導(dǎo)，并為進(jìn)一步推動通信和計算的融合發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。