基于非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化

黃宗偉

（廣東郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 530630）

目前，無線通信網(wǎng)絡(luò)不僅將各個領(lǐng)域連接起來，而且將許多用戶連接起來，無線通信網(wǎng)絡(luò)維持正常的日常通信，主要涉及信號編碼、差錯校驗、信號傳輸、衛(wèi)星定位技術(shù)等，因為無線通信網(wǎng)絡(luò)的功能較多，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中每秒都會生成數(shù)量巨大的網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)，影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，所以有效地優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量成為目前無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的主要問題。

無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量指無線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部運(yùn)行數(shù)據(jù)在沒有丟失的情況下，系統(tǒng)可以運(yùn)行的最大速度，因此保證無線通信網(wǎng)絡(luò)的暢通性，就必須保證網(wǎng)絡(luò)吞吐量的標(biāo)準(zhǔn)。無線通信網(wǎng)絡(luò)是一個很大的整體，由許多的數(shù)據(jù)包組成，該文根據(jù)無線通信網(wǎng)絡(luò)的非正交多址接入方法，建立無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量產(chǎn)生的感知模型，對影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量的因素進(jìn)行優(yōu)化。

1 吞吐量感知模型

非正交多址接入方法是目前提高網(wǎng)絡(luò)頻譜和傳送速度效果最明顯的一項通信技術(shù)，從現(xiàn)在非正交多址接入技術(shù)的研究成果來看，此技術(shù)將會在5G 無線通信中占有舉足輕重的地位，非正交多址接入方法也被稱為NOMA 技術(shù)。非正交多址接入技術(shù)最大的特點是可以將同一區(qū)域內(nèi)的多個主機(jī)地址連接在同一個頻率信道內(nèi)，并且保證所有地址內(nèi)的用戶無線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速度達(dá)到要求，此時所有地址主機(jī)的頻譜、傳輸時延、吞吐量都會比傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)高。NOMA 技術(shù)的原理是利用相同的信道、相同的網(wǎng)絡(luò)碼域集成一個復(fù)用功率域的通信技術(shù)。

非正交多址接入方法具有極大的靈活性，其可以通過其他技術(shù)提升本身的應(yīng)用效果，也可以通過技術(shù)促進(jìn)其他領(lǐng)域的發(fā)展，但是就目前NOMA 技術(shù)的發(fā)展來看，應(yīng)用效果最明顯的是無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。該文研究的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化分析，綜合考慮了多種外界環(huán)境的干擾。非正交多址接入方法優(yōu)化的方法主要通過分析無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量的形成途徑并進(jìn)行感知，使無線通信網(wǎng)絡(luò)可以在不同網(wǎng)絡(luò)模式下完成信息的發(fā)送與接收。

無線通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量都是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男诺李l譜進(jìn)行感知，通過信道頻譜的運(yùn)行狀態(tài)維持網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，經(jīng)過長期的研究，專業(yè)人員將無線通信網(wǎng)絡(luò)的信道頻譜感知狀態(tài)設(shè)定為一個模型，在模型內(nèi)代入相應(yīng)的變量，從而計算出無線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，模型如下：

其中，t表示數(shù)據(jù)包長度；n表示每個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包采樣對應(yīng)的時間；W表示感知的網(wǎng)絡(luò)通信帶寬；q表示無線通信網(wǎng)絡(luò)的接收信號頻段；h表示網(wǎng)絡(luò)的信道增益大小。為了保證網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的精確度，該文設(shè)定增益為一個常數(shù)定值；s(t)表示無線網(wǎng)絡(luò)的信息發(fā)送速度；n(t)表示網(wǎng)絡(luò)信道的高斯白噪聲；H1表示感知的無線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行處于占用狀態(tài)；H0表示感知的無線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行處于空閑狀態(tài)。

無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的吞吐量是由數(shù)據(jù)幀形成過程決定的，數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)越多，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的吞吐量越低，為了保證無線通信網(wǎng)絡(luò)的功能性，對于數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)是沒有限制的。數(shù)據(jù)幀單次轉(zhuǎn)發(fā)主要由數(shù)據(jù)幀帶寬預(yù)測、協(xié)作以及執(zhí)行3 個步驟構(gòu)成，每個步驟都會產(chǎn)生系統(tǒng)冗余數(shù)據(jù)，影響數(shù)據(jù)幀的吞吐量。綜上所述，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的吞吐量計算公式如下：

其中，V表示數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)男旁氡?；Wk表示無線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用于協(xié)作的頻譜感知帶寬域。

在無線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量是由數(shù)據(jù)幀吞吐量以及其他額外的吞吐量均衡形成的。正是因為系統(tǒng)吞吐量的復(fù)雜程度，該文在感知系統(tǒng)吞吐量的同時要借助非正交多址接入技術(shù)，提高感知的準(zhǔn)確率。計算無線通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量首先要計算系統(tǒng)在工作過程中空閑信道的概率，然后根據(jù)非正交多址接入技術(shù)判斷出系統(tǒng)內(nèi)空閑信道所持續(xù)的時間，最后綜合計算出系統(tǒng)空閑狀態(tài)的吞吐量。網(wǎng)絡(luò)吞吐量感知模型如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)吞吐量感知模型

空閑信道的概率和持續(xù)時間計算公式如下：

其中，N表示信道個數(shù)；k表示空閑信道的個數(shù)；L表示無線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作的用戶數(shù)量；b表示授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)信道數(shù)量；t表示數(shù)據(jù)包長度；c0表示數(shù)據(jù)幀吞吐量。

最終擬合無線通信網(wǎng)空閑狀態(tài)的吞吐量和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)吞吐量計算公式，得出感知模型如下：

2 吞吐量優(yōu)化分析

每個節(jié)點數(shù)據(jù)段都有一個其自身運(yùn)轉(zhuǎn)吞吐量的供需標(biāo)準(zhǔn)，只有達(dá)到每個節(jié)點的運(yùn)轉(zhuǎn)吞吐量，才能保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，具體約束條件如下：

將約束公式進(jìn)行一階求導(dǎo)和二階求導(dǎo)后，可以證明約束條件是一個凹函數(shù)，正是因為此特性，將最大節(jié)點間通信總吞吐量優(yōu)化問題進(jìn)行簡化。為了保證每個空閑信道的吞吐量達(dá)到需求，只需要根據(jù)凹函數(shù)的特點進(jìn)行制約，促使系統(tǒng)的總吞吐量達(dá)到運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。R(τ)關(guān)于τ的曲線如圖2 所示。

圖2 R(τ)關(guān)于τ 的曲線

因為無線通信網(wǎng)絡(luò)存在特殊性，約束條件在計算的過程中會出現(xiàn)永真解，即可讓不等式在一定情況下進(jìn)行無限循環(huán)，不存在制約性質(zhì)，為此該文選擇拉格朗日公式進(jìn)行約束優(yōu)化，具體公式如下：

其中，τ表示與約束相關(guān)的拉格朗日參數(shù)，這樣就可以對得到的最大化節(jié)點間通信總吞吐量進(jìn)行優(yōu)化；R表示無線通信網(wǎng)絡(luò)的流量值。

非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化分析過程如圖3 所示。

圖3 非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化分析過程

通過優(yōu)化最大化較差節(jié)點吞吐量來完成無線通信網(wǎng)絡(luò)的每個數(shù)據(jù)幀的吞吐量優(yōu)化分析，利用以上的分析得知網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀吞吐量的本質(zhì)是由最大化較差節(jié)點的吞吐量決定的，所以就可以平衡任意兩個相鄰的數(shù)據(jù)幀節(jié)點的吞吐量的差異情況，使節(jié)點的吞吐量近似相等，增加公平性。通過加入輔助引用變量y，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化計算公式，如下：

在每一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的最大化較差節(jié)點結(jié)構(gòu)中，都存在最優(yōu)分配時間和最差分配時間，然而最優(yōu)分配時間是決定數(shù)據(jù)幀吞吐量大小的因素，所以需要精確地判斷出最優(yōu)分配時間段，該文采用黃金割分法求出最優(yōu)分配時間和最差分配時間。黃金割分曲線是一個對稱的拋物線，曲線可以根據(jù)無線通信網(wǎng)絡(luò)的地址量數(shù)合理地分配區(qū)域，曲線的極值點是最優(yōu)分配時間和最差分配時間，然后根據(jù)數(shù)值計算出最大化較差節(jié)點吞吐量，從而對得到的最大化較差節(jié)點吞吐量進(jìn)行優(yōu)化。

3 實驗分析

通過以上的論述，該文完成了基于非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量的優(yōu)化分析，為了檢驗該文分析的網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法是否具有意義，是否達(dá)到預(yù)期的效果，進(jìn)行了對比實驗分析，采用基于協(xié)作頻譜接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法和基于正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法作為對比的傳統(tǒng)方法，共同完成實驗測試。

該文的測試環(huán)境是按照無線通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11 進(jìn)行設(shè)定的，具體無線通信網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)定如表1 所示。

表1 實驗參數(shù)

在對無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行吞吐量優(yōu)化時確定運(yùn)行用戶數(shù)量，并且為了保證數(shù)據(jù)的可信度和可計算性，該文實驗參照有效數(shù)據(jù)只考慮確定信道內(nèi)的吞吐量，不考慮虛擬信道的吞吐量。同一時間觸發(fā)3 種無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法，測試過程中數(shù)據(jù)分析器記錄實驗數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)，當(dāng)3 種方法對該文設(shè)定的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量全部優(yōu)化后，結(jié)束實驗，采用專業(yè)的軟件對優(yōu)化后的3 個無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行吞吐量測試，作為實驗的重要數(shù)據(jù)。

非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化分析速率實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 實驗結(jié)果

根據(jù)以上的對比實驗操作可知，優(yōu)化后無線通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和通信速率大小的順序相同，由大到小的順序依次是基于非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)、基于正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法、基于協(xié)作頻譜接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法；另外完成網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的時間由短到長分別是基于正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法、基于非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)、基于協(xié)作頻譜接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法。根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)的基于基于協(xié)作頻譜接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法不是最優(yōu)的優(yōu)化方法，因為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化最優(yōu)的表現(xiàn)是無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信速度得到提高，相對于此影響因素，優(yōu)化的響應(yīng)時間不是最重要的表現(xiàn)因素，所以權(quán)衡以上與無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量相關(guān)的決定性因素，該文研究的基于非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法是最優(yōu)的方法，具有高效性和應(yīng)用性。

4 結(jié)束語

該文首先闡述了無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量的意義，然后根據(jù)無線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行原理和非正交多址接入方法，構(gòu)建基于非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量感知模型，最后通過感知模型分別對無線通信網(wǎng)絡(luò)的最大化節(jié)點間通信總吞吐量和最大化較差節(jié)點吞吐量進(jìn)行優(yōu)化處理。通過對比實驗驗證了該文研究的基于非正交多址接入方法的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法相對傳統(tǒng)方法更優(yōu)，達(dá)到了預(yù)期效果，有利于促進(jìn)無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的發(fā)展。