基于云計(jì)算與TD—SCDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)下載系統(tǒng)

隋國政

摘 要： 下載是無線通信網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重要功能，為了提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的下載性能，設(shè)計(jì)一種基于云計(jì)算與TD?SCDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)下載系統(tǒng)。首先對當(dāng)前無線通信網(wǎng)絡(luò)下載研究進(jìn)行分析，指出它們存在的一些局限性，然后將云計(jì)算的分布式處理功能融入到TD?SCDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)下載系統(tǒng)，改善無線通信網(wǎng)絡(luò)下載系統(tǒng)的性能，并對具體實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行闡述，最后采用仿真實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)提升了無線通信系統(tǒng)的下載速度，減少了數(shù)據(jù)下載的誤碼率，具有較高的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 無線通信技術(shù)； 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)； 云計(jì)算； 下載系統(tǒng)； 誤碼率

中圖分類號： TN929.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）15?0037?04

Abstract： The downloading is an important function of wireless communication network. In order to improve the downloading performance of wireless communication network， a cloud computing and TD?SCDMA based downloading system of wireless communication network was designed. The downloading research of the wireless communication network is analyzed to point out its limitations. The distributed processing function of cloud computing is integrated into the TD?SCDMA based downloading system of wireless communication network to improve the performance of downloading system of the wireless communication network. The specific realization process of the system is described. The simulation experiments were carried out to test the system performance. The experimental results show that the system can improve the downloading speed of the wireless communication system， reduce the bit error rate of data downloading， and has high experimental application value.

Keywords： wireless communication technology； network system； cloud computing； downloading system； bit error rate

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，尤其是無線通信技術(shù)幾乎無處不在，給人們生活、工作、交流帶來了巨大方便。隨著無線移動(dòng)客戶數(shù)量的猛增，通信網(wǎng)絡(luò)的壓力越來越大，網(wǎng)絡(luò)擁塞的頻率越來越高。海量的數(shù)據(jù)無時(shí)無刻在無線通信系統(tǒng)中傳輸，其中數(shù)據(jù)下載是客戶一個(gè)重要應(yīng)用方向，因此數(shù)據(jù)下載的優(yōu)化是無線通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要應(yīng)用方向[1?3]。

時(shí)分同步碼分多址（TD?SCDMA）是第三代無線通信系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其具有較強(qiáng)的抗干擾能力，而且頻譜利用率十分高，在無線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[4?5]。數(shù)據(jù)下載目前主要采用單機(jī)方式進(jìn)行下載，對于小規(guī)模的數(shù)據(jù)來說，該方法工作效率高，下載速度快，當(dāng)同時(shí)有多個(gè)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)下載時(shí)，此時(shí)數(shù)據(jù)以海量的形式存放，這樣導(dǎo)致下載速度急劇下降，無法滿足無線通信系統(tǒng)的實(shí)際要求[6?7]。云計(jì)算包括分布式處理和并行處理的優(yōu)點(diǎn)，可以將一個(gè)大任務(wù)分配劃分為多個(gè)子任務(wù)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)任務(wù)運(yùn)行，可以減少任務(wù)的完成時(shí)間，而數(shù)據(jù)下載可以看作是一個(gè)大任務(wù)，通過云計(jì)算平臺進(jìn)行并行處理[8?10]。

為了提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的下載性能，設(shè)計(jì)了一種基于云計(jì)算與TD?SCDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)下載系統(tǒng)。首先將TD?SCDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)下載任務(wù)送到云計(jì)算系統(tǒng)中，云計(jì)算系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)的大小進(jìn)行合理的劃分，然后采用改進(jìn)蟻群算法分配相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，改善無線通信網(wǎng)絡(luò)下載系統(tǒng)的性能，最后采用仿真實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)提升了無線通信系統(tǒng)的下載速度，減少了數(shù)據(jù)下載的誤碼率，具有較高的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用價(jià)值。

1 TD?SCDMA和云計(jì)算

1.1 TD?SCDMA

TD?SCDMA在數(shù)據(jù)傳輸過程中通常采用ATM協(xié)議實(shí)現(xiàn)，不僅可以保證面向連接的特性，同時(shí)可以獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量，還能夠發(fā)揮ATM優(yōu)勢。TD?SCDMA網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接口是RNC與Node B之間的邏輯接口，它們之間的數(shù)據(jù)通過SDH傳輸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，Node B側(cè)鏈路接入TD?SCDMA系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示[11]。

1.2 云計(jì)算系統(tǒng)

云計(jì)算系統(tǒng)是一種分布式處理方式，通過種種能力不同的節(jié)點(diǎn)對不同規(guī)模任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行，而且任務(wù)與節(jié)點(diǎn)間是一種動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)的變化關(guān)系，常采用Map/Reduce方式執(zhí)行任務(wù)，云計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[12]。

1.3 任務(wù)分配的數(shù)學(xué)模型

Map/Reduce的工作模式是將一個(gè)大任務(wù)劃分為多個(gè)不同規(guī)模的小任務(wù)，每一個(gè)小任務(wù)在云計(jì)算系統(tǒng)中可以描述為作業(yè)，每個(gè)作業(yè)根據(jù)其自身特點(diǎn)分配不同的節(jié)點(diǎn)資源，具體原理如圖3所示。

對于TD?SCDMA無線通信系統(tǒng)來說，用戶共申請了個(gè)任務(wù)，其中第個(gè)任務(wù)劃分為不同大小的個(gè)子任務(wù)，它們分配給個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，那么任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間計(jì)算公式具體為：

一個(gè)大型任務(wù)完成的目標(biāo)為總執(zhí)行時(shí)間和平均執(zhí)行時(shí)間都最小化，而且完成任務(wù)質(zhì)量要滿足客戶的要求，和的計(jì)算公式具體如下：

綜上可知，一個(gè)大型的TD?SCDMA無線通信系統(tǒng)下任務(wù)完成的數(shù)學(xué)模型可以描述為：

為了能夠較好地完成TD?SCDMA無線通信系統(tǒng)下載任務(wù)，采用改進(jìn)蟻群算法對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，找到TD?SCDMA無線通信系統(tǒng)下載的最優(yōu)方案。

2 無線通信系統(tǒng)下載的任務(wù)完成算法

2.1 改進(jìn)蟻群算法

單個(gè)螞蟻的能力有限，但是一群螞蟻可以通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成十分復(fù)雜的任務(wù)，受到該方式的啟發(fā)，有學(xué)者提出蟻群算法。第一個(gè)螞蟻釋放信息素，螞蟻之間通過該信息素進(jìn)行交流與溝通，并根據(jù)信息素的濃度決定移動(dòng)的方向，最后找到一條蟻穴與食物源間的最短路徑[13]。對于一個(gè)待優(yōu)化問題，其最優(yōu)解為多個(gè)節(jié)點(diǎn)排成的隊(duì)列使它們的長度最小，則有：

當(dāng)一個(gè)螞蟻搜索完全部節(jié)點(diǎn)后，就要對各路徑上的信息素濃度進(jìn)行更新，具體為：

利用標(biāo)準(zhǔn)蟻群算法可以對TD?SCDMA無線通信系統(tǒng)下載任務(wù)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，但是存在一些不足，如求解效率低，易早熟等。為此，本文對其進(jìn)行改進(jìn)，具體如下：

（1） 信息素更新策略的改進(jìn)

對信息素進(jìn)行混合更新，具體更新規(guī)則如下：

式中：為最優(yōu)解。

為了避免出現(xiàn)局部最優(yōu)解，將信息素限定在一定范圍內(nèi)，全部信息素都要滿足條件：，如果那么有如果則有。

信息素動(dòng)態(tài)更新的具體步驟為：

① 在初始狀態(tài)下，信息素還沒有更新時(shí)，根據(jù)式（10）估計(jì)其可能更新的范圍：

式中為全局最優(yōu)解。

② 信息素更新后，用式（11）來確定：

（2） 啟發(fā)因子的改進(jìn)

啟發(fā)函數(shù)為，其值為表示節(jié)點(diǎn)與間的距離，啟發(fā)函數(shù)可以使螞蟻以更大的概率選擇較短路徑。由于表示兩節(jié)點(diǎn)的距離關(guān)系，無法描述節(jié)點(diǎn)與出發(fā)點(diǎn)之間的關(guān)系，找到全局最優(yōu)解的效率低，為此啟發(fā)函數(shù)為：

式中為原點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)間的距離。

（3） 搜索熱區(qū)的引入

搜索熱區(qū)表示原點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間的一個(gè)對角矩形區(qū)域，最優(yōu)解在熱區(qū)內(nèi)的概率最大，這樣可以先判斷當(dāng)前路徑是否在熱區(qū)內(nèi)，然后根據(jù)判斷結(jié)果確定選擇該路徑的權(quán)重，這樣蟻群轉(zhuǎn)移概率變?yōu)椋?/p>

式中值會(huì)根據(jù)是否落在熱區(qū)進(jìn)行確定。

2.2 改進(jìn)蟻群算法的TD?SCDMA無線通信系統(tǒng)下載任務(wù)求解步驟

（1） 根據(jù)TD?SCDMA無線通信系統(tǒng)下載任務(wù)設(shè)置初始參數(shù)。設(shè)迭代次數(shù)，信息素濃度，且；螞蟻放置到初始節(jié)點(diǎn)上。

（2） 迭代次數(shù)增加。

（3） 將螞蟻禁忌表的索引號設(shè)為

（4） 判斷路徑是否在搜索熱區(qū)內(nèi)，得到螞蟻移動(dòng)概率，并實(shí)現(xiàn)螞蟻的移動(dòng)。

（5） 對螞蟻經(jīng)過路徑上的信息素進(jìn)行更新，同時(shí)修改禁忌表。

（6） 不斷重復(fù)上述步驟，當(dāng)螞蟻均找到一條包含全部節(jié)點(diǎn)的路徑為止。

（7） 找到本次迭代的最優(yōu)路徑。

（8） 對信息素進(jìn)行全局更新。

（9） 當(dāng)達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，輸出TD?SCDMA無線通信系統(tǒng)下載任務(wù)的最優(yōu)解。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了測試本文提出方法的性能，將該方法融合到具體的TD?SCDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)的下載系統(tǒng)中，在Matlab平臺下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，采用傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)下載系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。不同下載規(guī)模，兩種系統(tǒng)的下載速度如圖4所示。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)下載系統(tǒng)，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)下載速度明顯加快，這主要是由于本文系統(tǒng)結(jié)合了云計(jì)算對大規(guī)模任務(wù)處理的優(yōu)勢，將任務(wù)分配到不同節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)采用蟻群算法對任務(wù)的最優(yōu)調(diào)度方案進(jìn)行求解，提高了下載系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

不同規(guī)模下載數(shù)據(jù)，兩種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸誤碼率如圖5所示。對圖5進(jìn)行對比分析可以看出，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸誤碼率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)下載系統(tǒng)，這表明本文系統(tǒng)提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，獲得了更加理想的通信效果。

4 結(jié) 語

下載是無線通信網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重要功能，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，針對當(dāng)前系統(tǒng)存在的不足，為了提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的下載性能，提出基于云計(jì)算與TD?SCDMA的無線通信網(wǎng)絡(luò)下載系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)加快了無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)下載速度，減少了數(shù)據(jù)下載的誤碼率，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 李世鶴.TD?SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民郵電出版社，2003：1?100.

[2] 謝顯中.TD?SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)與實(shí)現(xiàn)[J].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3] 張炎炎，孟繁麗，張新程，等.TD?LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)評估方法研究及預(yù)規(guī)劃分析[C]//中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院第19屆新技術(shù)論壇論文集.北京：中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院，2013：37?42.

[4] 魯艷玲，吳偉陵.智能天線在CDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化中的應(yīng)用[J].無線通信技術(shù)，2003（1）：36?38.

[5] 肖瑩，張新程.WCDMA系統(tǒng)的傳播模型校準(zhǔn)[J].電信科學(xué)，2005（3）：78?81.

[6] 張曉曉，黃杰.基于FPGA的3G數(shù)據(jù)包過濾算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2010，32（8）：29?31.

[7] 王工，劉寧.TD?LTE與TD?SCDMA共天線協(xié)同優(yōu)化的方案[J].山東通信技術(shù)，2014，34（1）：5?9.

[8] KOUTSOPOULOS L， LOSIFIDIS G. A framework for distributed bandwidth allocation in peer?to?peer networks [J]. Performance evaluation， 2010， 67（4）： 285?298.

[9] GREENBERG A. The cost of a cloud： research problems in data center networks [J]. SIGCOMM computer communication review， 2008， 39（1）， 68?73.

[10] 李昶，張建斌，安靜.TD?LTE與TD?SCDMA協(xié)同網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略[J].電信科學(xué)，2015（8）：147?154.

[11] 劉瑋，董江波，李楠，等.共天饋條件下TD?LTE與TD?CDMA協(xié)同優(yōu)化方法研究[J].移動(dòng)通信，2013（19）：25?30.

[12] DUAN Q， YAN Y H， VASILAKOS A V. A survey on service oriented network virtualization toward convergence of networking and cloud computing [J]. IEEE transactions on network and service management， 2012， 9（4）： 373?392.

[13] 華夏渝，鄭駿，胡文心.基于云計(jì)算環(huán)境的蟻群優(yōu)化計(jì)算資源分配算法[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（1）：127?134.