基于信息時(shí)效性的通信和計(jì)算融合機(jī)理研究

汪 超

（1.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450000；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行股份有限公司河南省分行，河南 鄭州 450000）

0 引 言

在信息時(shí)代，數(shù)據(jù)的傳輸和處理要求更加迅捷高效。通信和計(jì)算是實(shí)現(xiàn)信息傳遞和處理的2個(gè)重要方面，然而傳統(tǒng)的通信和計(jì)算系統(tǒng)往往存在時(shí)延大、帶寬瓶頸和能耗高等問(wèn)題。將通信和計(jì)算相互融合，可以實(shí)現(xiàn)更高效、更快速的數(shù)據(jù)傳輸和處理，滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)時(shí)效性的要求。因此，開(kāi)展基于信息時(shí)效性的通信和計(jì)算融合機(jī)理研究具有重要意義，對(duì)于推動(dòng)通信和計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用具有積極影響。

1 通信和計(jì)算融合研究背景

1.1 基于信息時(shí)效性的通信和計(jì)算融合的意義和目標(biāo)

在大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的推動(dòng)下，人們的工作和生活節(jié)奏加快，對(duì)信息的需求日益增長(zhǎng)，因此加快信息傳播的速度和保護(hù)信息安全迫在眉睫[1]。將計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合，能夠有效提升通信技術(shù)的安全性，避免信息傳輸中的泄露或中斷問(wèn)題。將加密技術(shù)應(yīng)用于通信技術(shù)可以保障信息傳輸?shù)陌踩瑸榫用窈推髽I(yè)的隱私提供保護(hù)。

1.2 研究問(wèn)題的引出和研究動(dòng)機(jī)

在當(dāng)前信息技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)代背景下，通信和計(jì)算技術(shù)成為人們獲取、傳播和處理信息的重要手段。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)上信息類型的增多和數(shù)量的激增，傳統(tǒng)的通信和計(jì)算系統(tǒng)面臨諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。時(shí)延大、帶寬瓶頸、能耗高等問(wèn)題限制了信息的快速傳播和處理，如果不能及時(shí)提升信息傳播速率，將對(duì)個(gè)人和企業(yè)的后續(xù)發(fā)展產(chǎn)生消極影響。因此，提高通信和計(jì)算系統(tǒng)的性能和效率，滿足信息時(shí)代快速傳輸和處理的需求迫在眉睫。

2 研究方法與數(shù)據(jù)收集

2.1 案例分析的應(yīng)用與選擇

為解決當(dāng)前信息技術(shù)存在問(wèn)題，某市開(kāi)發(fā)了一種基于算網(wǎng)融合新興技術(shù)，將通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施與異構(gòu)計(jì)算設(shè)施融合發(fā)展，統(tǒng)一編排管控?cái)?shù)據(jù)、計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)等多種資源，達(dá)到提高信息傳播速度和效率的目的[2]。在全棧專屬云中，通信與計(jì)算的融合可以整合不同來(lái)源的數(shù)據(jù)，快速傳輸和處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)。例如，通過(guò)全棧專屬云對(duì)用戶的移動(dòng)數(shù)據(jù)、社交媒體數(shù)據(jù)、設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)等進(jìn)行匯集和分析，快速提供數(shù)據(jù)處理結(jié)果，幫助企業(yè)和個(gè)人更好地把握市場(chǎng)動(dòng)態(tài)和需求。

2.2 仿真模擬方法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證基于算網(wǎng)融合新興技術(shù)在解決信息技術(shù)問(wèn)題中的有效性，采用仿真模擬方法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。仿真過(guò)程包括模擬通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、異構(gòu)計(jì)算設(shè)施和數(shù)據(jù)來(lái)源等，并設(shè)定相關(guān)參數(shù)和規(guī)則，如傳輸速率、數(shù)據(jù)量和處理能力等。

數(shù)據(jù)傳輸速率計(jì)算公式為

式中：T為一個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)的寬度(全寬碼)或重復(fù)周期(歸零碼)，s；N為一個(gè)碼元所取的離散值個(gè)數(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，通常使用二進(jìn)制信息來(lái)表示和傳輸數(shù)據(jù)。為確定數(shù)據(jù)傳輸速率，需要考慮2個(gè)重要因素，即位數(shù)和碼元脈沖。位數(shù)反映了數(shù)據(jù)的復(fù)雜度和可表示的離散值數(shù)量。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)，位數(shù)可以用K表示，而離散值的數(shù)量可以用N表示。根據(jù)定義，存在一定的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：N等于2的K次方，即K是以2為底N的對(duì)數(shù)（log2N）。當(dāng)考慮N=2時(shí)，即二進(jìn)制數(shù)據(jù)的情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率與重復(fù)頻率之間存在一個(gè)特殊的關(guān)系。

具體而言，當(dāng)N=2時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率等于碼元脈沖的重復(fù)頻率，也就是每秒發(fā)送的碼元脈沖數(shù)量。假設(shè)一個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)的寬度為0.1 s，每個(gè)碼元有8個(gè)離散值（N=8），即每個(gè)碼元可以編碼8位二進(jìn)制信息（K=log28=3），在當(dāng)前情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率S為30 b/s。

信號(hào)傳輸速率計(jì)算公式為

式中：B為信號(hào)傳輸速率，Baud；Q為信號(hào)碼元的寬度，s。

假設(shè)一個(gè)信號(hào)碼元的寬度為0.02 s，那么B為50 Baud。這些計(jì)算涉及數(shù)字脈沖信號(hào)的寬度、離散值數(shù)量、碼元脈沖的重復(fù)頻率等技術(shù)性概念。通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸速率和信號(hào)傳輸速率，可以評(píng)估和優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率，并確保信息在通信過(guò)程中的正確性和穩(wěn)定性。

3 通信和計(jì)算融合的機(jī)理研究

3.1 通信和計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí)與理論介紹

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 通信系統(tǒng)模型

無(wú)線信道往往存在大尺度衰落和小尺度衰落的現(xiàn)象。大尺度衰落描述了在長(zhǎng)距離（數(shù)百米或數(shù)千米）或長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的變化[3]。這種衰落速度較慢且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，主要受傳播路徑的影響。在全棧專屬云中，通信與計(jì)算的融合是該技術(shù)的核心特點(diǎn)。通過(guò)將來(lái)自不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，全棧專屬云能夠快速傳輸和處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)。例如，對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，全棧專屬云可以匯集用戶的移動(dòng)數(shù)據(jù)、社交媒體數(shù)據(jù)以及設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)源，然后集中分析和處理這些數(shù)據(jù)。這樣，無(wú)論是企業(yè)還是個(gè)人用戶，都能夠及時(shí)獲取快速而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

3.2 基于信息時(shí)效性的通信和計(jì)算融合機(jī)理的詳細(xì)闡述

為了加快數(shù)據(jù)的傳輸速度，在全棧專屬云通信中，會(huì)利用調(diào)制技術(shù)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸。根據(jù)香農(nóng)定理，信道的最大傳輸速率為

式中：C為無(wú)噪聲條件下信道的容量。SNR為信號(hào)與噪聲的比值。

考慮計(jì)算處理的效率。計(jì)算任務(wù)的處理時(shí)間可以表達(dá)為

式中：M為任務(wù)的規(guī)模，如要處理的數(shù)據(jù)量或要執(zhí)行的操作數(shù)量；Rcompute為計(jì)算資源的效率。

將通信與計(jì)算相融合，可得到整體的信息傳播時(shí)間，公式為

式中：Ttransmission為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，指數(shù)據(jù)從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩怂璧臅r(shí)間。

然而，通信和計(jì)算并行進(jìn)行，因此整體的傳播時(shí)間取決于傳輸速度和計(jì)算效率中的通信時(shí)長(zhǎng)。為達(dá)到更高的信息時(shí)效性，采用更高的信號(hào)帶寬和更低的信噪比，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和信道容量。此外，利用并行計(jì)算資源，同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，以提高計(jì)算效率。

4 研究結(jié)果與討論

4.1 基于信息時(shí)效性的通信和計(jì)算融合對(duì)系統(tǒng)性能的改善效果

通過(guò)將通信和計(jì)算進(jìn)行信息時(shí)效性融合，可以改善系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)輕資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，并提供基礎(chǔ)設(shè)施代維服務(wù)，讓用戶能夠?qū)Ｗ⒂隗w驗(yàn)上層智能應(yīng)用和關(guān)注算力性能指標(biāo)[4]。通過(guò)將通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和異構(gòu)計(jì)算設(shè)施融合發(fā)展，統(tǒng)一編排管控?cái)?shù)據(jù)、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)等多種資源，實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算處理。

業(yè)務(wù)本地化部署滿足數(shù)據(jù)安全合規(guī)監(jiān)管要求。通過(guò)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算等關(guān)鍵環(huán)節(jié)放置于本地，能夠更好地保護(hù)敏感數(shù)據(jù)和滿足國(guó)家的法律法規(guī)要求。這樣，企業(yè)和用戶在享受云服務(wù)帶來(lái)的高效便利的同時(shí)，能夠保護(hù)自己的數(shù)據(jù)安全和符合相關(guān)合規(guī)性要求。

4.2 降低通信時(shí)延、提高帶寬利用率的試驗(yàn)結(jié)果分析

縮短通信時(shí)延和提高帶寬利用率的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。通信時(shí)延和帶寬利用率是描述數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的重要指標(biāo)。通信時(shí)延表示從發(fā)送到接收所需時(shí)間的長(zhǎng)短，單位通常是ms；帶寬利用率表示實(shí)際使用的帶寬所占的比例，以%表示。A、B、C、D為既定條件，主要是通信試驗(yàn)的基礎(chǔ)場(chǎng)景，無(wú)單位表示，包含通信時(shí)延和帶寬利用率2種數(shù)據(jù)傳輸指標(biāo)。

圖2 降低通信時(shí)延和提高帶寬利用率的試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖2降低通信時(shí)延和提高帶寬利用率的試驗(yàn)結(jié)果如下：條件D是給出的4種情況中最優(yōu)的，通信時(shí)延最短且?guī)捓寐首罡?，說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸效率最高，在給定的帶寬中幾乎沒(méi)有空閑時(shí)間。降低通信時(shí)延和提高帶寬利用率的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 降低通信時(shí)延和提高帶寬利用率的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表格

通過(guò)比較不同試驗(yàn)條件下的通信時(shí)延和帶寬利用率，觀察到在試驗(yàn)條件D下，系統(tǒng)能夠更快地完成數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了較低的通信時(shí)延，即通信時(shí)延不超過(guò)10ms。同時(shí)，在該試驗(yàn)條件下，系統(tǒng)能夠更好地利用可用的帶寬資源，提高了帶寬利用率，即帶寬利用率≥80%這表明經(jīng)過(guò)信息時(shí)效性的通信與計(jì)算融合改善后，系統(tǒng)的性能顯著提升。較短的通信時(shí)延意味著數(shù)據(jù)傳輸速度更快，能夠更及時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和處理。而較長(zhǎng)的帶寬利用率表示系統(tǒng)能夠更充分地利用可用的帶寬資源，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

4.3 減少系統(tǒng)能耗的成果及其影響因素

全棧專屬云通過(guò)有效的資源調(diào)度和智能優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等資源的綜合管理，以最小化能耗為目標(biāo)[5]。通過(guò)動(dòng)態(tài)識(shí)別系統(tǒng)負(fù)載、資源利用率和用戶需求等因素，全棧專屬云能夠按需分配資源，并在不需要的時(shí)候進(jìn)行部分休眠或降頻處理，從而降低系統(tǒng)能耗。服務(wù)器的功率模式和頻率狀況如表2所示。

表2 服務(wù)器的功率模式和頻率狀況

全棧專屬云采用動(dòng)態(tài)功率管理技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)載和能耗情況，智能調(diào)整服務(wù)器的功率模式和頻率，以適應(yīng)不同工作負(fù)載下的能源需求。需要注意的是，具體的功率模式和頻率調(diào)整策略會(huì)因服務(wù)器的能效特性、工作負(fù)載和任務(wù)需求等因素而有所不同。綜合考慮資源需求、性能要求和能源消耗等方面的因素，全棧專屬云可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控來(lái)智能選擇合適的功率模式和頻率，以達(dá)到最佳的能耗效果。

全棧專屬云通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)、資源管理和冷卻技術(shù)等多方面因素，能夠顯著減少系統(tǒng)能耗。這不僅對(duì)降低企業(yè)的能源成本有益，也符合環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求。通過(guò)全棧專屬云的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)更高能源效率和更低碳排放，為構(gòu)建綠色、可持續(xù)發(fā)展的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施做出貢獻(xiàn)。

5 結(jié) 論

基于信息時(shí)效性的通信和計(jì)算融合機(jī)理可以顯著改善系統(tǒng)的性能，縮短通信時(shí)延，提高帶寬利用率，并減少系統(tǒng)的能耗。通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、協(xié)議設(shè)計(jì)和資源分配策略，有效提升數(shù)據(jù)傳輸速度和計(jì)算處理能力，滿足用戶對(duì)信息時(shí)效性的需求，為通信與計(jì)算領(lǐng)域的相關(guān)人員提供有價(jià)值的參考和指導(dǎo)，并為進(jìn)一步推動(dòng)通信和計(jì)算的融合發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。