基于云計(jì)算平臺(tái)的光通信網(wǎng)絡(luò)信道均衡方法研究

李 俊

(陜西郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信工程學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引言

隨著光通信技術(shù)的發(fā)展,其在許多領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用,如數(shù)據(jù)高速傳輸、數(shù)據(jù)實(shí)量分析等。在光通信系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中,每個(gè)數(shù)據(jù)都要通過(guò)相應(yīng)信道進(jìn)行傳輸。不同信道數(shù)據(jù)傳輸能力不同。因此,為光通信數(shù)據(jù)傳輸分配最優(yōu)信道,以保證信道分配均衡、提高光通信系統(tǒng)信道利用率十分關(guān)鍵。在光通信系統(tǒng)工作過(guò)程中,由于各方面原因,可能會(huì)出現(xiàn)信道分配不均衡現(xiàn)象,導(dǎo)致能量開銷較大。因此,必須優(yōu)化光通信的效果、節(jié)約通信能量,以實(shí)現(xiàn)信道均衡[1-2]。光通信網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)傳輸海量數(shù)據(jù),因此信道均衡是優(yōu)化光通信效果的關(guān)鍵[3]。

為此,一些學(xué)者對(duì)光通信信道均衡進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高速信道自適應(yīng)均衡器,并基于現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理結(jié)構(gòu)、針對(duì)高速信道,設(shè)計(jì)了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信道均衡方法。文獻(xiàn)[5]將預(yù)均衡技術(shù)應(yīng)用于基于直流偏置光正交頻分復(fù)用調(diào)制的光通信系統(tǒng)中,并根據(jù)光傳輸特性,基于先驗(yàn)信息設(shè)計(jì)通信信道預(yù)均衡方法。但以上方法未利用節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)接發(fā)控制信道,無(wú)法有效減少通信能量開銷,導(dǎo)致信道均衡效果未達(dá)到最佳。

云計(jì)算平臺(tái)可有效實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的傳輸和處理,為光通信優(yōu)化奠定準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[6]。為此,本文提出了基于云計(jì)算平臺(tái)的光通信網(wǎng)絡(luò)信道均衡方法,并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 光通信網(wǎng)絡(luò)信道均衡方法

1.1 光通信系統(tǒng)的分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)

在光通信網(wǎng)絡(luò)信道均衡方法的云計(jì)算平臺(tái)中,如何快速、高效地處理通信數(shù)據(jù)十分重要。因此,數(shù)據(jù)中心是云計(jì)算平臺(tái)的核心模塊。本文結(jié)合光通信網(wǎng)絡(luò)信道均衡的特點(diǎn),利用云計(jì)算平臺(tái)的分布式處理節(jié)點(diǎn),設(shè)計(jì)了光通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。光通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)總體框架如圖1所示。

圖1 光通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)總體框架

由圖1可知,光通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)集成了光通信技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù),可以為光通信網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理提供技術(shù)支撐,更好地解決光通信過(guò)程中的信道分配不均衡問(wèn)題。

1.2 光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗模型

光通信系統(tǒng)由許多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。多個(gè)節(jié)點(diǎn)相連,即組成一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺馈榱丝朔?dāng)前光通信系統(tǒng)中存在的信道不均衡問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)光通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)能耗模型。光通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)接收和傳輸數(shù)據(jù)需要消耗一定的能量ε。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x為e時(shí),光通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)能耗模型為:

M0=θeR+ε

(1)

式中:θ為系數(shù),其值直接與光通信系統(tǒng)調(diào)制方式相關(guān);R為進(jìn)行信道選擇時(shí)所消耗的能量,kJ。

本文設(shè)光通信系統(tǒng)的第i個(gè)信道為ti、光通信系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為f,則光通信系統(tǒng)信道容量計(jì)算式為:

(2)

式中:c為信道的帶寬,MHz;n0為噪聲對(duì)光通信系統(tǒng)的通信干擾程度。

光通信節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信時(shí),信道同樣要消耗一定的能量。第i個(gè)信道所消耗能量的最小值為:

(3)

(4)

式中:v為信道傳輸數(shù)據(jù)的速度,bit/s。

(5)

式中:n為信道數(shù);T為數(shù)據(jù)傳輸周期;s為數(shù)據(jù)包大小,MB。

光通信系統(tǒng)信道的總能耗計(jì)算式為:

(6)

光通信系統(tǒng)的能量消耗可以用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)信道均衡情況。因此,可以對(duì)光通信系統(tǒng)的能量消耗進(jìn)行有效控制,從而間接解決信道均衡問(wèn)題。這有利于保證信道之間的均衡。

1.3 光通信網(wǎng)絡(luò)信道均衡方法實(shí)現(xiàn)步驟

根據(jù)已經(jīng)建立的光通信系統(tǒng)的能量消耗模型,云計(jì)算平臺(tái)通過(guò)智能方式對(duì)信道均衡性進(jìn)行調(diào)節(jié)[7-8]。對(duì)于云計(jì)算平臺(tái)而言,其包括普通節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。云計(jì)算平臺(tái)中,計(jì)算和管理節(jié)點(diǎn)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 計(jì)算和管理節(jié)點(diǎn)的關(guān)系示意圖

由圖2可知,信道均衡的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

①能量衰減程度修正值。

(7)

②構(gòu)建信道均衡控制模型。

本文將光通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源劃分為多個(gè)子集,構(gòu)建信道均衡控制模型。其計(jì)算式為:

(8)

式中:k為脈沖帶寬數(shù);m為輸出控制參數(shù);x為信道分簇單元集合,x=(x1,x2,…,xn);F(x)為聯(lián)合時(shí)間-尺度函數(shù);Q為終端調(diào)度關(guān)聯(lián)屬性集的數(shù)量。

③通過(guò)建立信道可信度集合,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

光通信系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)一定轉(zhuǎn)換后再保存。本文設(shè)光通信系統(tǒng)同時(shí)發(fā)送多個(gè)信號(hào)。信號(hào)傳輸需要遵循一定的規(guī)則,即通信協(xié)議。信道可信度集合為H=[h1,h2,…,hj]。其中:hj=0;j=1,2,…,p。

④優(yōu)化和控制節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)模型。

光通信系統(tǒng)工作過(guò)程中,信道之間可能會(huì)產(chǎn)生一定的干擾,同時(shí)節(jié)點(diǎn)之間也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的干擾。因此,需要采集光通信系統(tǒng)的多徑信號(hào)。本文根據(jù)多徑信號(hào)的數(shù)量p對(duì)節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化和控制。

minF(x)=[f1(x),f2(x),…,fm(x)]Q

(9)

⑤實(shí)現(xiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)傳輸。

光通信系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)通常只在其工作周期內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,其他時(shí)間則處于睡眠狀態(tài)。這樣可以節(jié)約能量。因此,在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前,需要明確相鄰節(jié)點(diǎn)工作周期的時(shí)隙。不同節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的光通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)次數(shù)應(yīng)該滿足以下條件:

(10)

通過(guò)光通信網(wǎng)絡(luò)信道控制方法,可以保證光通信系統(tǒng)具有高效的性能,包括最大化信道利用率,以及快速和高成功率的數(shù)據(jù)傳輸。

2 仿真測(cè)試與分析

為了分析基于云計(jì)算平臺(tái)的光通信網(wǎng)絡(luò)信道均衡方法的實(shí)際效果,本文對(duì)其數(shù)據(jù)傳輸成功率、能量開銷、時(shí)延以及丟包率進(jìn)行測(cè)試。

2.1 仿真測(cè)試環(huán)境

仿真測(cè)試環(huán)境為:4核 3.02 GHz CPU;16 GB RAM;Windows操作系統(tǒng)。光通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置為:覆蓋區(qū)域100 km×100 km;傳輸信息節(jié)點(diǎn)總量450 Jbit;節(jié)點(diǎn)原始能量45 pJbit;數(shù)據(jù)包0.32 pJ/(bit·m4)。

2.2 能量開銷測(cè)試

為了體現(xiàn)基于云計(jì)算平臺(tái)的光通信網(wǎng)絡(luò)信道均衡方法的優(yōu)越性,在相同試驗(yàn)環(huán)境下,本文選擇文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

不同方法的能量開銷如表1所示。

表1 不同方法的能量開銷

分析表1可知,當(dāng)節(jié)點(diǎn)比較少時(shí),三種方法的能量開銷數(shù)值相差不大;隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加,三種方法的能量開銷增加,但是本文方法的能量開銷增加幅度明顯低于另外兩種方法。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸成功率測(cè)試

不同方法的光通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸成功率如表2所示。由表2可知,采用本文方法后,數(shù)據(jù)傳輸成功率高,并呈不斷上升的趨勢(shì);采用其他兩種對(duì)比方法,數(shù)據(jù)傳輸成功率同樣呈上升趨勢(shì),但是最大成功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本文方法。因此,本文方法具有明顯的優(yōu)勢(shì),能較好地解決當(dāng)前光通信網(wǎng)絡(luò)存在的一些問(wèn)題,具有更高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

表2 不同方法的光通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸成功率

2.4 時(shí)延測(cè)試

時(shí)延直接關(guān)系到光通信數(shù)據(jù)傳輸效率。時(shí)延越小,則代表數(shù)據(jù)傳輸效率越高。不同方法的光通信時(shí)延測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 不同方法的光通信時(shí)延測(cè)試結(jié)果

由表3可知:本文方法的光通信時(shí)延低于對(duì)比方法;隨著光通信節(jié)點(diǎn)的增加,光通信時(shí)延波動(dòng)不大,具有較強(qiáng)的魯棒性。這主要是因?yàn)樵朴?jì)算平臺(tái)可以找到最優(yōu)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,從而改善光通信系統(tǒng)的工作效率。

2.5 光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸丟包率分析

不同方法的傳輸丟包率如表4所示。由表4可知,本文方法的平均丟包率低于對(duì)比方法。這表明本文方法具有丟包率低的優(yōu)勢(shì),有利于提高光通信網(wǎng)絡(luò)信道均衡的準(zhǔn)確度。

表4 不同方法的傳輸丟包率

3 結(jié)論

為了有效節(jié)約光通信的能量開銷,本文提出基于云計(jì)算平臺(tái)的光通信網(wǎng)絡(luò)信道均衡方法。為減少通信能量消耗,本文基于云平臺(tái)構(gòu)建通信節(jié)點(diǎn)能量消耗模型。本文利用節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)接收和發(fā)送方法,根據(jù)傳輸帶寬合理配置信號(hào)通道,以控制信道均衡性。測(cè)試結(jié)果證明,本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)通信信道的均衡分配,既降低了能量開銷,又提高了信道分配效率和信道均衡準(zhǔn)確度。該方法為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)快速傳輸提供了有效的解決方案。