有關(guān)無線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點資源的均衡配置方法研究

趙亮

關(guān)鍵詞：無線通信網(wǎng)絡(luò)；多節(jié)點資源；均衡配置

一、引言

隨著社會的不斷發(fā)展和進步，人們對信息服務(wù)的需求變得更加迫切。5G 技術(shù)作為一種先進的數(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)，還能推動人們加快更新信息傳播理念。它的出現(xiàn)開啟了無線通信的新時代。為了實現(xiàn)海量信息的順暢、及時傳輸，無線網(wǎng)絡(luò)通信需要借助完整的網(wǎng)絡(luò)體系、合理的節(jié)點布設(shè)以及先進的通信設(shè)施設(shè)備，以確保各類資源得到充分利用。無線通信網(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)點資源的數(shù)量和種類卻有所不同。在通信過程中，這些資源配置難以做到精準(zhǔn)、充分和合理，成為影響用戶滿意度的重要因素[1]。因此，有必要對無線通信網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點資源的配置進行優(yōu)化，以使整個無線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)更加合理。在科研學(xué)術(shù)領(lǐng)域，學(xué)者們長期深入研究和實踐，提出了一些解決方案。例如，有學(xué)者提出在新一代無線通信網(wǎng)絡(luò)中采用中繼節(jié)點（Relay Mode，RN） 方案，以減少基站的密集部署和降低成本，實現(xiàn)多種資源的一體化接入回傳。還有學(xué)者提出通過提高節(jié)點的頻譜效率來提升整個網(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)元功能的參考信號時域?qū)R，以及參考信號的正交化需求，同時也存在過度耗用資源的問題。[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、利用無線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點資源。

二、多節(jié)點增刪線性規(guī)劃

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

根據(jù)式（1）所列條件，采用四步計算來明確節(jié)點的數(shù)量和增刪位置，實施流程如下：

第一步：建立矩陣模型，需要建立網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)點數(shù)量，對狀態(tài)矢量進行初始化設(shè)置，再根據(jù)矢量來確定無線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量。

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

上式中各參數(shù)意義為：

Pj——多節(jié)點增刪線性規(guī)劃最優(yōu)矩陣

νjn——起點最優(yōu)路徑長度

νen——終點的最優(yōu)路徑長度

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

三、多節(jié)點需求資源的合理配置

完成上一步的處理工作后，意味著整個無線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點布置已經(jīng)初步形成。接下來需要對需求資源進行均衡配置。為保證配置效率和質(zhì)量，需要合理分配多節(jié)點對應(yīng)的資源量，并測算不同節(jié)點之間的最低傳輸距離耗時和路徑耗時[5]。無線通信網(wǎng)絡(luò)一般依靠助網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑對多個節(jié)點進行串聯(lián)，隨后利用MATLAB 軟件對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行增刪優(yōu)化。節(jié)點資源分配要遵循就近原則和均衡原則。無線通信網(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)進行排列，每個子網(wǎng)絡(luò)解耦中還設(shè)有一個基站，主要用于及時收發(fā)和處理相關(guān)信號資源[6]。

根據(jù)分布式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的特性，可知網(wǎng)絡(luò)的資源配置能力與節(jié)點數(shù)量成正比。然而，節(jié)點的增多會加劇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且節(jié)點的配置性能也存在一定差異。在通信網(wǎng)絡(luò)運行過程中，往往存在多個相同供應(yīng)節(jié)點同時為一個需求點提供服務(wù)的現(xiàn)象，這會造成節(jié)點利用不充分，資源分配不合理的問題。為了實現(xiàn)各節(jié)點對需求資源的均衡獲得，需要根據(jù)節(jié)點的實際需求量對節(jié)點的組合形式進行調(diào)整。例如，可以挑選具有較強配置能力的節(jié)點為多個需求節(jié)點提供服務(wù)，將配置能力較弱的節(jié)點整合在一起，共同服務(wù)一個需求節(jié)點，從而提升節(jié)點的利用率和資源配置能力[7]。

四、多節(jié)點布局優(yōu)化配置

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

五、實際應(yīng)用驗證

本文前三章提出了基于無線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點資源的均衡配置理論。為驗證該理論的可行性和實際效果，我們構(gòu)建了一個基于無線通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用D2D通信方式的多節(jié)點傳輸實驗環(huán)境。采用本文所述的配置方法，我們在蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中心位置布設(shè)基站節(jié)點，同時包含用戶需求端和D2D 發(fā)送端。D2D 接收端均勻布置在與D2D 發(fā)送端相對應(yīng)的圓形區(qū)域中[9]。為避免實驗操作對通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量帶來的不良影響，我們使用空閑頻譜資源來完成資源配置，相關(guān)實驗參數(shù)設(shè)置詳見表1。

在實驗中，我們引入表1 中的實驗參數(shù)來進行無線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點資源配置。我們認(rèn)真記錄了多節(jié)點間不同資源包到達率下的平均端到端延時情況，并以此作為評價配置方法有效性的重要指標(biāo)。多節(jié)點的平均端到端延時長短直接反映了節(jié)點資源的配置合理性，進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)中不同包達到率下的節(jié)點平均端到端延時情況。由圖可知，以包達到數(shù)0.4/S 為臨界點，平均端到端延時隨包到達率的變化呈現(xiàn)出先降而增的運動態(tài)勢。在包達到率為1.8 時平均端到端延時達到5.8S，盡管出現(xiàn)了較大幅度的增長變化，但根據(jù)無線通信網(wǎng)絡(luò)的運行特點，只要多節(jié)點傳輸間的平均端到端延時不超過10s，都能保證通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運行。由此可見，本配置方法具有較好的適用性，應(yīng)用于無線通信網(wǎng)絡(luò)中能夠有效提升多節(jié)點間的資源配置合理性，從而提高資源利用率，保證整個無線通信網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量。

六、結(jié)束語

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

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