移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)下通信最優(yōu)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇方法研究

鄧滿(mǎn)蘭

摘 要： 現(xiàn)有通信最優(yōu)節(jié)點(diǎn)的選擇方法，不能在保證誤碼率的前提下完成節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇。為了解決上述問(wèn)題，通過(guò)LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、統(tǒng)一核心網(wǎng)絡(luò)，從根本上降低因用戶(hù)移動(dòng)而造成數(shù)據(jù)分組丟失可能性，完成移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建；應(yīng)用通信誤碼率的計(jì)算與最優(yōu)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)選擇，搭建基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的EBCPS通信最優(yōu)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇方法。模擬應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EBCPS通信最優(yōu)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇方法，既能在保證誤碼率的前提下，完成節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇，也能提高最小剩余量，縮短競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)間。

關(guān)鍵詞： 移動(dòng)通信； LTE網(wǎng)絡(luò)； 誤碼率； 最優(yōu)節(jié)點(diǎn)； 自動(dòng)選擇； EBCPS

中圖分類(lèi)號(hào)： TN925?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）04?0169?03

Abstract： The automatic node selection cannot be accomplished on the premise of guaranteeing the error rate in the current selection method of optimal communication nodes. To solve the above problem， the core network is unified by using the LTE network architecture to fundamentally reduce the possibility of data packet loss due to users′ mobility and complete the establishment of mobile communication network environment. The calculation of communication error rate and the automatic selection of optimal nodes are adopted to establish the automatic EBCPS optimal communication node selection method based on mobile network. The application environment was simulated to design the contrast test. The results show that the automatic EBCPS optimal communication node selection method can not only accomplish the automatic node selection on the premise of guaranteeing the error rate， but also improve the minimum residual amount and shorten the competitive access time.

Keywords： mobile communication； LTE network； error rate； optimal node； automatic selection； EBCPS

0 引 言

不同于傳統(tǒng)的模擬、數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有移動(dòng)通信以4G網(wǎng)絡(luò)為主，摒棄了原有的GMS，CDMA/WCDMA等形式，開(kāi)始著重在LTE方面進(jìn)行研究。這種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)形式，因應(yīng)用多入口接入形式，造成了整體通信架構(gòu)的管理復(fù)雜性。通信最優(yōu)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇充分利用了空間的分集增益，不僅不占用過(guò)多的系統(tǒng)帶寬，也不會(huì)造成通信時(shí)間的增加，提高了系統(tǒng)吞吐總量[1]。但這種構(gòu)建方式因設(shè)備自身尺寸等方面的問(wèn)題，造成各個(gè)設(shè)備之間距離過(guò)近，影響了傳輸誤碼率。本文通過(guò)LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、統(tǒng)一核心網(wǎng)絡(luò)，完成移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建；應(yīng)用通信誤碼率計(jì)算，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)選擇。為了證明EBCPS選擇方法的實(shí)用性?xún)r(jià)值，模擬應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能在保證誤碼率前提下，完成節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇，提高最小剩余量，縮短競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)間。

1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建

1.1 LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由Evolved Packet Core和Evolved UTRAN組成。其中Evolved UTRAN負(fù)責(zé)將多個(gè)eNode與X2接口進(jìn)行連接；Evolved Packet Core則是由SGW，PCRF等多部分組成，其主要功能是負(fù)責(zé)將Evolved UTRAN完成的內(nèi)部連接[2]，與S1接口進(jìn)行外部連接。與傳統(tǒng)的UMTS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)既實(shí)現(xiàn)了SGSN與GGSN功能，也做到了將用戶(hù)界面與控制界面進(jìn)行分離，通過(guò)MME完成對(duì)控制界面的操作功能，通過(guò)SWG完成對(duì)用戶(hù)界面的操作功能[3]。且LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，不再具有復(fù)雜的RNC網(wǎng)元，其功能也被分配到了eNodeB，MME，SGW等多個(gè)實(shí)體，通過(guò)eNodeB與X2接口的連接，以及Mesh工作方式的應(yīng)用，從根本上降低因用戶(hù)移動(dòng)而造成數(shù)據(jù)分組丟失可能性[4]。以HSS作為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，既方便了對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，也使得各數(shù)據(jù)層次的協(xié)議得到具體規(guī)劃。

1.2 統(tǒng)一核心網(wǎng)絡(luò)

核心網(wǎng)絡(luò)是在LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上幫助4G數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，統(tǒng)一核心網(wǎng)絡(luò)即是為了IMS核心網(wǎng)主的VoIP業(yè)務(wù)能夠順利實(shí)現(xiàn)，也使系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)一的SR VC.C業(yè)務(wù)，來(lái)保證語(yǔ)音的連續(xù)傳輸[5]。為了核心網(wǎng)絡(luò)的順利統(tǒng)一，首先應(yīng)該保證數(shù)據(jù)庫(kù)與應(yīng)用平臺(tái)的統(tǒng)一，應(yīng)用IMS技術(shù)保證Parlay/OSA業(yè)務(wù)框架的順利搭建，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一。

2 通信最優(yōu)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇方法的改進(jìn)

2.1 通信誤碼率的計(jì)算endprint

為了方便計(jì)算，設(shè)[E]代表發(fā)射結(jié)點(diǎn)的成功發(fā)射功率，[α1，θ1]和[α2，θ2]分別代表兩個(gè)接收端所接收到的噪聲，且[α1]和[α2]均為高斯白噪聲，也就是方差為[N]均值[6]為0。規(guī)定[S]為衰減系數(shù)，[θ1]與[θ2]之間的歐氏距離用[X]表示，且如下部分涉及到的計(jì)算步驟，均在半雙工通信狀態(tài)下進(jìn)行。假定[θ1]與[θ2]均能一次將信息正確譯碼，則此時(shí)可得如下公式：

式中：[PS]為總通信誤碼率；[S1]為[θ1]接收端的衰減系數(shù)；[S2]為[θ2]點(diǎn)的衰減系數(shù)。式（1）在半雙工狀態(tài)下[θ1]與[θ2]接收端完成信息正確譯碼時(shí)的通信誤碼率。

2.2 最優(yōu)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)選擇

根據(jù)式（1）可得到傳輸?shù)耐ㄐ耪`碼率。在對(duì)最優(yōu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)選擇的過(guò)程中，可在通信誤碼率的基礎(chǔ)上，選擇剩余能量大的節(jié)點(diǎn)作為最優(yōu)節(jié)點(diǎn)。但如果僅應(yīng)用這種選擇方法，極容易造成所選擇的信噪比，不能保證[θ1]與[θ2]的傳輸誤碼率同時(shí)滿(mǎn)足系統(tǒng)要求[7?8]。

為了改變此問(wèn)題，引入了EBCPS選擇算法。EBCPS選擇算法，首先應(yīng)用式（1）推導(dǎo)通信誤碼率，其次該算法可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的相對(duì)剩余能量設(shè)置相應(yīng)的延遲時(shí)間。其最大優(yōu)點(diǎn)是使延遲時(shí)間不隨能量減少而逐漸增加，可以說(shuō)是節(jié)約剩余能源與延遲時(shí)間的有效手段。EBCPS算法最優(yōu)節(jié)點(diǎn)具體選擇過(guò)程如圖1所示。

2.3 EBCPS選擇方法的實(shí)現(xiàn)

為了保證EBCPS選擇算法運(yùn)行準(zhǔn)確性，在運(yùn)用上述誤碼率推導(dǎo)公式基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中剩余能量額估計(jì)，為系統(tǒng)設(shè)置整體延遲時(shí)間，并從根本上保證延遲時(shí)間不會(huì)隨著剩余能量減少而逐漸增加[9?10]。引入效益函數(shù)，并通過(guò)該值，來(lái)保證算法順利運(yùn)行，其具體運(yùn)算公式如下：

式中：[B]為效益函數(shù)；[ξ]為系統(tǒng)中的剩余能量；[M]為由[θ1]與[θ2]發(fā)起的中繼協(xié)作；[η1（ξ）]為[θ1]能量表示；[S2（ξ）]為[θ2]的能量標(biāo)識(shí)，通常情況下[η1>η2]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)上述過(guò)程，完成了EBCPS選擇算法的搭建與實(shí)現(xiàn)，為了證明該算法與普通算法相比。具有更高的實(shí)用性?xún)r(jià)值，選用4臺(tái)配置相同的計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，隨機(jī)選取2臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)組，另2臺(tái)作為對(duì)照組，并在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)4臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的配置。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為了公平起見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組參數(shù)均相同。其中ACT為衰減系數(shù)，且該系數(shù)與103成正比，EDD代歐氏距離，該項(xiàng)數(shù)值單位為m，RDE代表剩余能量，單位為kJ，DLT為延遲時(shí)間，單位為s，數(shù)值本身與10-5成正比，RLC為中繼協(xié)作，在本次實(shí)驗(yàn)中規(guī)定，4臺(tái)計(jì)算機(jī)中繼協(xié)作均為0。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.2 誤碼率對(duì)比

在完成實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置之后，令4臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)傳遞一段相同的指令，指令詳情如下：

其中實(shí)驗(yàn)組的2臺(tái)計(jì)算機(jī)應(yīng)用EBCPS選擇算法進(jìn)行傳遞，對(duì)照組的2臺(tái)計(jì)算機(jī)應(yīng)用普通算法進(jìn)行傳遞，并對(duì)傳遞過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，根據(jù)記錄結(jié)果繪制圖2。

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用普通算法傳輸指令，誤碼率的范圍較小，不能提供大范圍的容錯(cuò)，也就不能保證節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)選擇；而運(yùn)用EBCPS選擇算法傳輸指令，誤碼率范圍較廣，可以提供加大范圍的容錯(cuò)，保證節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇。

3.3 競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)間對(duì)比

在完成誤碼率后，保留記錄數(shù)據(jù)，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，運(yùn)用普通算法傳輸指令，所需競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)間更長(zhǎng)，故不能提高最小剩余量；運(yùn)用EBCPS選擇算法傳輸指令，所需競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)間較短，故可以提高最小剩余量。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了在保證誤碼率的前提下完成節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇，通過(guò)LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、統(tǒng)一核心網(wǎng)絡(luò)，完成了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建；應(yīng)用通信誤碼率的計(jì)算與最優(yōu)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)選擇，搭建基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的EBCPS通信最優(yōu)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇方法。為了證明該方法的真實(shí)有效性，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，EBCPS通信最優(yōu)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇方法，既能保證誤碼率，完成節(jié)點(diǎn)自動(dòng)選擇，也能提高最小剩余量，縮短競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)間。

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