基于大數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)優(yōu)化研究

摘要：電信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)和有線(xiàn)電視網(wǎng)三大網(wǎng)絡(luò)通過(guò)技術(shù)改造，能夠提供包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等綜合多媒體的通信業(yè)務(wù)，更好為人類(lèi)服務(wù)。目前的通信網(wǎng)可隨需選擇網(wǎng)絡(luò)和終端，可用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)接入完成通信、電視、上網(wǎng)等。三網(wǎng)融合后的通信網(wǎng)相互滲透、互相兼容、并逐步整合成為世界統(tǒng)一的信息通信網(wǎng)絡(luò)。目前無(wú)線(xiàn)通信占據(jù)主流，本文通過(guò)大數(shù)據(jù)的視角提出對(duì)通信網(wǎng)的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：通信;大數(shù)據(jù);優(yōu)化

數(shù)據(jù)是對(duì)客觀事物性質(zhì)和狀態(tài)的描述。有了數(shù)據(jù)，特別是大量數(shù)據(jù)時(shí)，可以對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，以及傳感器的廣泛使用，可以獲取海量的數(shù)據(jù)，甚至可以得到并處理某個(gè)事物的各個(gè)方面的數(shù)據(jù)。由于大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)建立在掌握大量的數(shù)據(jù)，要求數(shù)據(jù)盡可能多，大量的數(shù)據(jù)有助于正確地考察細(xì)節(jié)并進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)于通信網(wǎng)，大數(shù)據(jù)可以提升其穩(wěn)定性和可靠性[1]。當(dāng)前通信網(wǎng)中不僅包含各類(lèi)手機(jī)和計(jì)算機(jī)，還包含各種可通信的專(zhuān)用嵌入式電子電氣類(lèi)產(chǎn)品[2]。

一、大數(shù)據(jù)的巨大作用

大數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域很多，包括商業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)以及醫(yī)學(xué)等。沃爾瑪作為全球最大的超市，掌握著大量的銷(xiāo)售數(shù)據(jù)。巧妙地利用大量的銷(xiāo)售數(shù)據(jù)，幫助沃爾瑪在商業(yè)上獲得了巨大的成功。例如，通過(guò)統(tǒng)計(jì)大量的銷(xiāo)售數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)每當(dāng)季節(jié)性颶風(fēng)來(lái)臨之前，手電筒和蛋撻的銷(xiāo)量都顯著增加了。所以當(dāng)季節(jié)性暴風(fēng)來(lái)臨前，沃爾瑪會(huì)把蛋撻放在颶風(fēng)用品旁邊，以提高總體銷(xiāo)售額。此外，在沃爾瑪超市有一個(gè)有趣的現(xiàn)象：尿布和啤酒擺在一起。這是一個(gè)奇怪的組合，但卻使尿布和啤酒的銷(xiāo)量大增。這絕非笑話(huà)，而是沃爾瑪超市通過(guò)統(tǒng)計(jì)大量銷(xiāo)售數(shù)據(jù)得到的規(guī)律，并很好地利用了這個(gè)規(guī)律，一方面擴(kuò)大了銷(xiāo)售量，另一方面方便了顧客，提高了顧客的滿(mǎn)意度。由于美國(guó)的太太們往往囑咐她們的丈夫下班后為孩子買(mǎi)尿布，而丈夫們?cè)诔匈I(mǎi)尿布時(shí)經(jīng)常順便會(huì)買(mǎi)自己喜歡的啤酒，因此尿布和啤酒放在一起會(huì)增加銷(xiāo)售量。大數(shù)據(jù)基于對(duì)大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，完成對(duì)大量數(shù)據(jù)的相關(guān)分析會(huì)使人們發(fā)現(xiàn)更深層次和更廣范圍的關(guān)系，找出未被發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。利用這些規(guī)律有時(shí)會(huì)帶來(lái)巨大的好處和利益，特別是在一些商業(yè)上的應(yīng)用。

二、大數(shù)據(jù)對(duì)通信網(wǎng)的優(yōu)化和提升

通信是人與人、人與物、物與物之間通過(guò)某種媒介進(jìn)行信息傳遞的技術(shù)，目的是達(dá)到信息傳輸和資源共享。通信按照大類(lèi)可以分為兩類(lèi)：有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信，兩者各有利弊，通常在一個(gè)大型系統(tǒng)中往往既包含有線(xiàn)通信也包含無(wú)線(xiàn)通信。有線(xiàn)通信的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)穩(wěn)定以及保密性好，缺點(diǎn)是需要連接線(xiàn)移動(dòng)不便;無(wú)線(xiàn)通信的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需連接線(xiàn)設(shè)備移動(dòng)方便，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)可充電便攜式通信設(shè)備和嵌入式電子產(chǎn)品，缺點(diǎn)是信號(hào)穩(wěn)定性差易受干擾以及保密性不好容易被截獲。目前的通信網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，人們的選擇余地較大，通信網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出異構(gòu)化的特點(diǎn)。異構(gòu)化對(duì)于兼容性或普適性提出了挑戰(zhàn)。目前的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)（如藍(lán)牙）、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（如Wi-Fi）、無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)和公眾移動(dòng)通信網(wǎng)（如4G、5G）等多種接入網(wǎng)共存的異構(gòu)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)。解決異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的互連問(wèn)題至關(guān)重要，網(wǎng)絡(luò)高效和可靠的實(shí)時(shí)通信也是當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。目前通信技術(shù)處于高速發(fā)展時(shí)期，提升通信的速度以及安全性吸引了眾多的公司。

組合優(yōu)化問(wèn)題本質(zhì)是最優(yōu)化問(wèn)題。組合是一種廣泛使用的方法，例如中醫(yī)的藥方，復(fù)合調(diào)味品，團(tuán)隊(duì)比賽，顏色的搭配，著裝的組合等等。組合意味著非單一化，單一化的缺點(diǎn)是明顯的，而這也突出了組合的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。通信中有多項(xiàng)通信技術(shù)和通信方式，信息的傳輸可以選擇不同通信技術(shù)和通信方式形成組合，通過(guò)組合可以克服或降低單一通信技術(shù)和通信方式的缺點(diǎn)，形成互補(bǔ)以保證信息傳輸任務(wù)的完成。不同的組合涉及到組合優(yōu)化問(wèn)題。通信網(wǎng)組合優(yōu)化是指應(yīng)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、最優(yōu)化方法以及線(xiàn)性代數(shù)等相關(guān)數(shù)學(xué)理論和方法，根據(jù)通信網(wǎng)QoS、可靠性和安全性等要求，對(duì)通信網(wǎng)進(jìn)行整合和優(yōu)化。

無(wú)線(xiàn)通信利用電磁波而不通過(guò)線(xiàn)纜進(jìn)行通信。無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用范圍廣，無(wú)線(xiàn)通信主要依賴(lài)電磁波。電磁波的傳輸速度等于光速，即每秒30萬(wàn)公里。因而無(wú)線(xiàn)通信表現(xiàn)出比較低的時(shí)延，特別是5G通信，可以數(shù)秒鐘下載一部高清電影。高的通信速度和低的時(shí)間延誤對(duì)于實(shí)時(shí)控制有著重要的作用。通信網(wǎng)中基站有著重要作用。通信基站是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施?；炯垂靡苿?dòng)通信基站，是移動(dòng)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的接口設(shè)備?；娟P(guān)系到通信的覆蓋范圍和通信質(zhì)量，此外通過(guò)基站還可以實(shí)現(xiàn)定位，雖然這種定位方式的精度并不高，定位精度比不上GPS定位，但由于大多數(shù)人隨身攜帶手機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廣泛人群的大致位置定位。目前行程碼就是基于基站來(lái)進(jìn)行定位以確定個(gè)人行程。高速的通信需要大量的高密度的基站，截至2021年3月底，我國(guó)已建成5G基站81.9萬(wàn)個(gè)，占全世界70%以上。5G通信網(wǎng)以其極快的網(wǎng)速對(duì)制造、教育、購(gòu)物、娛樂(lè)和醫(yī)療等行業(yè)的影響正與日俱增，更多應(yīng)用正在不斷豐富與完善。

每個(gè)基站根據(jù)所連接的天線(xiàn)情況，可以包含有一個(gè)或多個(gè)扇區(qū)。根據(jù)不同的傳輸方向，天線(xiàn)也可分為有向天線(xiàn)和全向天線(xiàn)。有向天線(xiàn)常用于公路和鐵路道路、海岸線(xiàn)等條狀或帶狀區(qū)域的無(wú)線(xiàn)通信。一個(gè)基站的覆蓋范圍大概在幾百米到幾十千米之間。大多數(shù)數(shù)據(jù)通信量是由通信網(wǎng)絡(luò)中的少數(shù)基站完成，而并非大多數(shù)基站。因此基站的部署和規(guī)劃與通信量密切相關(guān)。

基站的部署和規(guī)劃是一項(xiàng)組合優(yōu)化技術(shù)，需要從多個(gè)方案中尋找一個(gè)最優(yōu)方案，而最優(yōu)方案需要結(jié)合不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。合理的基站部署和規(guī)劃可以提高通信速度和通信質(zhì)量。優(yōu)化組合在很多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用，例如通信技術(shù)領(lǐng)域的路由問(wèn)題、通信網(wǎng)架設(shè)等。優(yōu)化組合有的涉及到成本，有的涉及到時(shí)間，往往需要找到某種平衡，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景或應(yīng)用需求中，最優(yōu)方案也是不同的。合理的基站部署和規(guī)劃節(jié)約能耗的同時(shí)減小了時(shí)延?？梢詮膱D論的角度進(jìn)行分析得出優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸路徑，最大限度地減小了通信網(wǎng)絡(luò)的平均跳數(shù)，較好地減小通信網(wǎng)絡(luò)的能耗和時(shí)延。

通信速度和通信質(zhì)量的保證需要好的接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI），可以根據(jù)RSSI的擾動(dòng)進(jìn)行定位或者對(duì)事物的狀態(tài)進(jìn)行感知和識(shí)別。通過(guò)真實(shí)場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)證明干擾下的RSSI具有正弦（或余弦）波動(dòng)的特點(diǎn)，并且沿發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)的節(jié)點(diǎn)的中點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，相同干擾源在中點(diǎn)位置所形成的干擾對(duì)RSSI的擾動(dòng)最小。在沒(méi)有干擾的情況下，RSSI是平穩(wěn)的;如果遇到干擾，RSSI會(huì)呈現(xiàn)一定的擾動(dòng)。RSSI也受節(jié)點(diǎn)所在環(huán)境、天線(xiàn)方向和電壓等因素的影響。根據(jù)RSSI擾動(dòng)的特征，可以實(shí)現(xiàn)某種程度上的感知，區(qū)分不同的事物或狀態(tài)。例如在對(duì)斑馬群的監(jiān)測(cè)中，斑馬從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域遷徙，監(jiān)測(cè)區(qū)域邊緣入口的一些節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)區(qū)域以?xún)?nèi)的其它節(jié)點(diǎn)在休眠狀態(tài)。當(dāng)區(qū)域邊緣的節(jié)點(diǎn)通過(guò)RSSI的變化判斷出一個(gè)斑馬進(jìn)入了監(jiān)測(cè)區(qū)域，隨即喚醒監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)斑馬群。從而不必使區(qū)域內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)，減少了節(jié)點(diǎn)能耗，增加了通信網(wǎng)生存時(shí)間?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)多數(shù)以無(wú)線(xiàn)的方式傳輸信號(hào)，因而RSSI值的相關(guān)應(yīng)用廣泛存在，需要加以特別注意。不同事物和不同動(dòng)作所造成的RSSI值變化不同，因而可以根據(jù)RSSI值的變化特點(diǎn)區(qū)分不同的事物和不同的動(dòng)作。要識(shí)別和判斷不同的事物和不同的動(dòng)作，需要尋找事物和動(dòng)作的特征。以事物的特征為基礎(chǔ)來(lái)判斷、識(shí)別和感知事物，從而可以高效地感知事物。以RSSI值的擾動(dòng)作為特征可以對(duì)事物進(jìn)行感知和識(shí)別，此外事物可視為干擾源，事物所在不同的位置對(duì)RSSI的擾動(dòng)是有區(qū)別的，因?yàn)檫€可以根據(jù)RSSI值進(jìn)行定位。當(dāng)干擾源位于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中點(diǎn)時(shí)，RSSI最大。RSSI的波動(dòng)曲線(xiàn)呈現(xiàn)正弦（或余弦）變化的特征，并且其變化曲線(xiàn)呈現(xiàn)明正弦（或余弦）變化的特征。在實(shí)際應(yīng)用中，首先需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到RSSI擾動(dòng)的范圍和特點(diǎn)，然后應(yīng)用到相應(yīng)的智能系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和可靠的對(duì)事物的自動(dòng)區(qū)分和辨別。

企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中勝出，需要了解市場(chǎng)，要了解市場(chǎng)，需要進(jìn)行廣泛和深入的市場(chǎng)調(diào)查，取得大量的數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)從統(tǒng)計(jì)學(xué)和概率論的角度進(jìn)行科學(xué)的深入的分析，得出準(zhǔn)確的規(guī)律作為生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)的依據(jù)，這些都需要以海量數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)作為基礎(chǔ)。通信運(yùn)營(yíng)商希望得到更多的客戶(hù)，需要為客戶(hù)提供更好的通信質(zhì)量和更快的通信速度，這就要求加大基站投資，而加大基站方面的投資需要以大數(shù)據(jù)作為支撐，以了解不用區(qū)域的用戶(hù)密度和通信需求量。

三、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前的通信網(wǎng)可完成通信、娛樂(lè)、購(gòu)物等眾多方面的應(yīng)用，而手機(jī)在其中發(fā)揮著重要作用，而手機(jī)的通信和上網(wǎng)都需要依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)。本文通過(guò)大數(shù)據(jù)的視角提出對(duì)通信網(wǎng)的優(yōu)化，了解不用區(qū)域的用戶(hù)通信需求，優(yōu)化通信基站的設(shè)立、部署和升級(jí)，一方面為客戶(hù)提供更好的通信質(zhì)量和更快的通信速度，另一方面提升通信運(yùn)營(yíng)商的投資收益。

作者單位：馬朋飛" " 中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院

參" 考" 文" 獻(xiàn)

[1]張德君.4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)站址規(guī)劃質(zhì)量評(píng)估體系優(yōu)化的探討[J].中國(guó)新通信，2017，19（09）：38.

[2]戚建聰.嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)探討[J].通訊世界， 2017（12）：43-44.