基于MEC 的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)增強(qiáng)方法

張潔

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)云南有限公司，云南昆明 650228）

由于核心網(wǎng)關(guān)在服務(wù)需求量增加時(shí)，會(huì)給移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和回傳鏈路造成壓力，降低終端用戶的使用感受，因此需要提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，增強(qiáng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)。對(duì)此，文獻(xiàn)[1]提出基于密度聚類分析法的網(wǎng)絡(luò)微弱信號(hào)強(qiáng)化方案，但該方案花銷大，在經(jīng)濟(jì)方面不符合我國(guó)用戶的要求。文獻(xiàn)[2]提出基于復(fù)值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)增強(qiáng)方法，但采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生破壞，不適用于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，該文提出基于MEC 的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)增強(qiáng)方法。

1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)分流

1.1 邊緣節(jié)點(diǎn)尋址

為實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)的增強(qiáng)，需要尋找到邊緣節(jié)點(diǎn)的位置，用戶發(fā)送的內(nèi)容請(qǐng)求可通過(guò)MEC 平臺(tái)中設(shè)置的規(guī)則直接分流至本地邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。邊緣節(jié)點(diǎn)的尋址可由式（1）表示：

其中，C為邊緣節(jié)點(diǎn)位置；x為本地邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)量；u為數(shù)據(jù)信息流大??；a為用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)。具體邊緣節(jié)點(diǎn)尋址步驟為：

第一步：在MEC 平臺(tái)中寫(xiě)入自身地址，由平臺(tái)調(diào)度中心根據(jù)位置確定用戶位置。建立坐標(biāo)軸，用戶距離中心點(diǎn)距離計(jì)算公式如式（2）所示：

其中，? 表示得到的用戶距離；x、y、z表示在x、y、z軸的坐標(biāo)點(diǎn)。向系統(tǒng)報(bào)文中嵌入自己的接口位置信息或標(biāo)識(shí)符、調(diào)度節(jié)點(diǎn)的地址、位置拓?fù)湫畔?，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配對(duì)并通過(guò)地址確定節(jié)點(diǎn)的所在位置。

第二步：通過(guò)區(qū)域調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)地址交換轉(zhuǎn)換為地址段，調(diào)度中心根據(jù)用戶位置確定了用戶所在地，從本地分流至指定地址段，再將請(qǐng)求發(fā)送給調(diào)度中心，由調(diào)度中心管理轉(zhuǎn)換后的終端地址段、位置拓?fù)洹?/p>

第三步：利用MEC 系統(tǒng)的DNS 域名系統(tǒng)服務(wù)，直接為用戶返回本地節(jié)點(diǎn)位置，用戶將發(fā)出的DNS申請(qǐng)發(fā)送給MEC 平臺(tái)內(nèi)部DNS 服務(wù)，內(nèi)部DNS 服務(wù)把本地節(jié)點(diǎn)的地址回復(fù)到端口，完成邊緣節(jié)點(diǎn)尋址[3-6]。

1.2 傳輸信號(hào)本地分流

在邊緣節(jié)點(diǎn)的尋址過(guò)程中，需要本地分流。在基于MEC 的本地分流中，通過(guò)平臺(tái)接口設(shè)置會(huì)話錨點(diǎn)，建立數(shù)據(jù)流過(guò)濾機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)本地邊界數(shù)據(jù)流的識(shí)別與分配，信息識(shí)別過(guò)程如式（3）所示：

其中，?表示信息識(shí)別結(jié)果；n表示信息總數(shù)據(jù)；j表示信號(hào)樣本對(duì)應(yīng)的符號(hào)；i表示得到的信號(hào)特征點(diǎn)；Aj表示聚類中心；Bi表示數(shù)據(jù)簇。

根據(jù)式（3）對(duì)本地邊界數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行有效連接，完成對(duì)本地業(yè)務(wù)與應(yīng)用內(nèi)容的有效使用，并按照數(shù)據(jù)流過(guò)濾機(jī)制進(jìn)行業(yè)務(wù)分流。分流過(guò)程如圖1所示。

圖1 信號(hào)分流過(guò)程

根據(jù)圖1 的信號(hào)分流過(guò)程在MEC 平臺(tái)的管理系統(tǒng)中建立數(shù)據(jù)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)接口，接入會(huì)話錨點(diǎn)系統(tǒng)。錨點(diǎn)分支點(diǎn)負(fù)責(zé)通過(guò)各種類型的前綴將各種類型的上游數(shù)據(jù)流分流至各個(gè)類型的人機(jī)會(huì)話錨點(diǎn)[7-8]，其過(guò)程如式（4）所示：

其中，E表示人機(jī)會(huì)話錨點(diǎn)數(shù)據(jù)流；f表示錨點(diǎn)數(shù)量；i表示網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)量。MEC 平臺(tái)操控系統(tǒng)可根據(jù)從核心網(wǎng)得到的本地網(wǎng)絡(luò)消息和應(yīng)用自身地址等消息，對(duì)本土應(yīng)用的邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問(wèn)，完成移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)本地分流。

2 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)增強(qiáng)

2.1 信號(hào)初始速率判定

標(biāo)準(zhǔn)的MEC 引入了慢啟動(dòng)機(jī)制，所以必須對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)傳播信息的起始速度作出判斷。在多傳感器信息傳輸中，因?yàn)橹鳌⒈粍?dòng)端的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)生變化，傳感器信息可以在到達(dá)最優(yōu)的預(yù)測(cè)傳輸速率以前開(kāi)始變化，慢啟動(dòng)機(jī)制不會(huì)在短的通信時(shí)段內(nèi)迅速地判斷正確網(wǎng)絡(luò)帶寬[9-10]。帶寬計(jì)算公式如下所示：

其中，T表示得到的帶寬結(jié)果，ki表示隨機(jī)閾值。為增加端與端之間的數(shù)據(jù)吞吐量，所有有線源節(jié)點(diǎn)都必須在正確網(wǎng)絡(luò)連接成立后，就選擇最優(yōu)預(yù)期的速率進(jìn)行信息傳遞，必須充分利用所有可用的無(wú)線寬帶，并選取一個(gè)適當(dāng)?shù)陌l(fā)送窗口建立無(wú)線連接，但同時(shí)發(fā)送窗口上所確定的傳輸速率也不能超過(guò)整個(gè)傳輸鏈路上的使用傳輸速度。同時(shí)應(yīng)該防止窗口過(guò)大而使發(fā)送端的速率變化過(guò)快造成阻塞，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能大大降低。

信號(hào)初始速率的判定由起始窗口決定，通過(guò)源節(jié)點(diǎn)層的數(shù)據(jù)信息傳遞，MEC 轉(zhuǎn)發(fā)端及時(shí)調(diào)整動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)信息包的轉(zhuǎn)發(fā)頻率，以便接近無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的有效寬度。MEC 可以通過(guò)四次握手方式傳輸一次數(shù)據(jù)包，由式（6）所示：

其中，V表示通信信號(hào)傳輸速率；N表示傳輸次數(shù)；t1、t2、t3、t4分別表示傳輸通信信號(hào)、接收通信信號(hào)、發(fā)送數(shù)據(jù)、輸入源節(jié)點(diǎn)這四個(gè)過(guò)程的時(shí)間。信號(hào)輸入過(guò)程如圖2 所示。

圖2 信號(hào)輸入過(guò)程

通過(guò)上述過(guò)程即可從MEC 平臺(tái)估計(jì)可用的無(wú)線帶寬，將無(wú)線帶寬接入傳輸層中并反饋源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到反饋信號(hào)設(shè)定相應(yīng)的初始速率。

2.2 信號(hào)增強(qiáng)

設(shè)定初始速率后，利用MEC 平臺(tái)調(diào)整信號(hào)傳輸中的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信息流傳輸速率對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)[11-13]。通過(guò)MEC 平臺(tái)將信息反饋至發(fā)送端時(shí)，建立傳輸速率調(diào)整機(jī)制。由于無(wú)線信道的容量隨時(shí)間而不斷發(fā)生變化，包括信道條件、噪音以及干擾等因素也將改變移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)層的吞吐量，因此MEC 源結(jié)點(diǎn)在此時(shí)必須減慢其傳輸速度，以防止在通過(guò)瓶頸結(jié)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生擁堵，從而增加了信道數(shù)據(jù)的使用率。

對(duì)于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信息流數(shù)量M的確認(rèn)，根據(jù)由前一段移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)鏈接數(shù)量的變化來(lái)確認(rèn)，如式（7）所示：

無(wú)線鏈路上可用帶寬的確定可由式（8）得到：

其中，T表示總帶寬數(shù)量；A表示無(wú)效傳輸次數(shù)。

消耗帶寬的確定：在MEC 瓶頸節(jié)點(diǎn)處，由于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信息流的帶寬和其他數(shù)據(jù)流使用同一個(gè)帶寬，因此將移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信息流的消耗帶寬標(biāo)記，即為消耗帶寬的數(shù)量。在超過(guò)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍內(nèi)的端到端數(shù)據(jù)流完成傳輸之后，MEC 源節(jié)點(diǎn)利用所得到信息就能夠合理地進(jìn)行速率調(diào)節(jié)[14-15]。由于動(dòng)態(tài)通信環(huán)境變化也可以引起帶寬改變，較小的數(shù)據(jù)包碰撞可能會(huì)提高線路吞吐量，從而產(chǎn)生空緩沖區(qū)，所以，需要對(duì)運(yùn)輸層速度做出改變，以充分利用無(wú)線信道空間。

通過(guò)上述方式完成了對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)的增強(qiáng)，并大幅縮短了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)增強(qiáng)所需要的期限。

2.3 信號(hào)緩存與調(diào)度

傳輸信號(hào)的緩存與調(diào)度可有效改善邊緣節(jié)點(diǎn)的信息狀態(tài)和承載狀態(tài)，防止傳輸信號(hào)增強(qiáng)后，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)短時(shí)間無(wú)法適應(yīng)快速增長(zhǎng)的信息流[16]。該文基于MEC 的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用智能緩存技術(shù)，中心節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存所有信息流，邊緣節(jié)點(diǎn)利用MEC 平臺(tái)提供的計(jì)算能力統(tǒng)計(jì)信息流，對(duì)信息流數(shù)據(jù)傳輸度高的進(jìn)行緩存，確保傳輸內(nèi)容命中率的同時(shí)充分利用邊緣節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)存資源。儲(chǔ)存資源的計(jì)算如式（9）所示：

其中，Q表示得到的儲(chǔ)存資源數(shù)量；?表示樣本抽中的概率；D表示儲(chǔ)存范圍。智能調(diào)度中心能夠即時(shí)監(jiān)測(cè)邊緣節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷情況，通過(guò)傳輸?shù)刂贰⑽恢肐P 以及事先分配的負(fù)載均衡方案，將用戶申請(qǐng)分配到具備良好上網(wǎng)條件的邊緣節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)傳輸信號(hào)的緩存與調(diào)度有效降低了在瓶頸節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息擁堵的危險(xiǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文提出的基于MEC 的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)增強(qiáng)方法的實(shí)際應(yīng)用效果，選用有線連接的方式將主控計(jì)算機(jī)與無(wú)線路由連接，設(shè)定鏈路帶寬為200 Mb，延時(shí)時(shí)間為2 ms，工作電壓為220 V，工作電流為150 A。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖3 所示。

設(shè)定主控計(jì)算機(jī)操控信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接電源模塊和處理模塊，主動(dòng)測(cè)量傳感器和被動(dòng)測(cè)量傳感器連接數(shù)據(jù)點(diǎn)。選用稠密度聚類信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)，基于復(fù)值卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本精選的信號(hào)增強(qiáng)方法作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)組。以通信網(wǎng)絡(luò)的TCP 作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，隨機(jī)抽取10 條TCP 數(shù)據(jù)流分析吞吐量，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 吞吐量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖4 可知，該文提出的增強(qiáng)方法吞吐量明顯高于傳統(tǒng)方法，該文提出的通信信號(hào)增強(qiáng)方法吞吐量始終在140 包/s 以上，而傳統(tǒng)的復(fù)值卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)方法的通信效果最差，吞吐量始終低于90包/s。因此在增強(qiáng)傳輸信號(hào)過(guò)程中，該文提出的方法能夠更好地利用無(wú)線帶寬，調(diào)整傳輸速率，確保信號(hào)所經(jīng)過(guò)的信道內(nèi)部資源能夠得到很好的利用。

在確定數(shù)據(jù)的吞吐量后，分析數(shù)據(jù)丟包率，計(jì)算公式如下：

其中，P表示得到的數(shù)據(jù)丟包率；C表示丟包信息量；L表示全部的數(shù)據(jù)信息量。分析丟包率得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 丟包率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖5 可知，該文方法在傳輸過(guò)程中丟包率低于傳統(tǒng)方法，始終在0.20 以下。復(fù)值卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的丟包率在0.60～0.80 之間，稠密度聚類的丟包率在0.75～0.95 之間。由此可以證明該文提出的增強(qiáng)方法具有更好的實(shí)際操作性。

計(jì)算通過(guò)增強(qiáng)方法處理后的傳輸信號(hào)延時(shí)時(shí)間，得到的延時(shí)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 延時(shí)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1 可知，抽取的不同數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)的傳輸延時(shí)時(shí)間不同，該文方法傳輸延時(shí)時(shí)間始終低于0.010 s，信號(hào)傳輸過(guò)程的實(shí)時(shí)性能夠得到很好的保障。而傳統(tǒng)的兩種增強(qiáng)方法在增強(qiáng)過(guò)程中耗費(fèi)了大量時(shí)間，導(dǎo)致傳輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，信號(hào)的實(shí)時(shí)性難以得到有效保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳輸信號(hào)增強(qiáng)對(duì)于確保信息正常通信有重要意義。該文提出了一種基于MEC 的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)增強(qiáng)方法，通過(guò)使用MEC 平臺(tái)對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)進(jìn)行邊緣尋址。利用本地分流完成尋址，作為對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)增強(qiáng)的基礎(chǔ)，對(duì)初始速率進(jìn)行判斷。調(diào)整信號(hào)傳輸中的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信息流傳輸速率對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該文提出的增強(qiáng)方法能提升傳輸信號(hào)的緩存與調(diào)度能力。