基于最小流量的寬帶電子設(shè)備通信容量分配算法設(shè)計(jì)?

唐婧壹，唐 杰

(1.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，山西 長(zhǎng)治 046011；2.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026)

寬帶電子通信設(shè)備大部分處于比較復(fù)雜的環(huán)境中，復(fù)雜環(huán)境的多變性會(huì)影響通信性能。為了有效克服這一問題，需要在無線鏈路中合理分配通信容量，可在傳輸信息過程中，提高傳輸效率，準(zhǔn)確地均衡分配信道負(fù)載，具有十分重要的研究意義[1－2]。國內(nèi)外相關(guān)專家針對(duì)該方面的內(nèi)容展開了大量研究，例如魏勇等[3]主要利用拓展的動(dòng)態(tài)故障構(gòu)建系統(tǒng)模型，同時(shí)引入序貫蒙特卡洛方法對(duì)系統(tǒng)的通信容量展開計(jì)算處理，分配網(wǎng)絡(luò)資源。Ahani 等[4]將時(shí)間離散成時(shí)間碎片，將截止時(shí)間作為約束條件，限制通信數(shù)據(jù)流的調(diào)度，以此實(shí)現(xiàn)離散容量分配。馬瀟瀟等[5]優(yōu)先分析目前連續(xù)數(shù)據(jù)通信的主要實(shí)現(xiàn)方式，分別采用不同的測(cè)試集對(duì)各個(gè)方式的通信性能展開詳細(xì)的分析研究，進(jìn)而獲取最終的通信容量計(jì)算結(jié)果，合理分配網(wǎng)絡(luò)資源。

在以上幾種方法的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)并提出一種基于最小流量分配算法的寬帶電子通信容量分配方法。仿真分析結(jié)果表明，這種方法能夠有效減少誤包率以及處理時(shí)延，獲取更加滿意的通信容量分配結(jié)果。

1 方法設(shè)計(jì)

1.1 寬帶電子通信容量計(jì)算

在合理分配容量之前，需要計(jì)算通信容量。以最小流量為約束，即各通信信道中流量保持最小，通信信道數(shù)量最大，從而擴(kuò)大了整體的通信容量，避免少數(shù)的通信信道擁塞，但在通信容量計(jì)算時(shí)，通常是僅考慮了當(dāng)前通信情況，而未對(duì)通信信道狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，且考慮到信道仍具有可擴(kuò)展的特性，因此，引入多模自適應(yīng)通信終端控制技術(shù)，自適應(yīng)控制以及擴(kuò)頻處理通信信道，從而更為準(zhǔn)確地評(píng)估出通信容量，為后續(xù)容量分配提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

將帶寬電子通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)量一致的并行數(shù)據(jù)流，將全部數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列調(diào)制以及映射處理之后直接傳輸?shù)浇邮漳０迳?；再次展開轉(zhuǎn)換以及映射處理，獲取系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的映射關(guān)系。其中，對(duì)應(yīng)的信道模型可以表示為:

式中:y代表信道模型；n代表高斯噪聲矢量；H代表信道矩陣，對(duì)應(yīng)的表達(dá)形式如下:

信道矩陣中的元素hi，j主要用來描述不同信道的直流增益變化情況，通過式(3)可以計(jì)算兩個(gè)不同端點(diǎn)之間的信道增益:

式中:代表光電裝置的接收面積；代表發(fā)射端到接收端的面積；?ijk代表輻射角度；φijk代表光照強(qiáng)度；I代表接收端的入射角。

如果事先已知發(fā)射端和接收端的信道信息，則可以將寬帶電子通信信道轉(zhuǎn)換為多個(gè)獨(dú)立并行的單輸入輸出信道分析處理。

針對(duì)隨機(jī)一個(gè)信道矩陣而言，均可以采用奇異值分解處理，具體的表達(dá)式如下:

式中:U代表矩陣內(nèi)的元素類型；D代表對(duì)角矩陣；V代表帶寬取值范圍。

其中各個(gè)天線對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率Gxx可以表示為以下形式:

寬帶電子通信信道容量J的具體計(jì)算公式為:

式中:Blog 代表通信信道狀態(tài)信息；INx代表發(fā)射能量；σ代表信道矩陣對(duì)應(yīng)的秩。由于全部為線性變化，所以在接收信號(hào)以及發(fā)射信號(hào)的過程中系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)特征并沒有發(fā)生明顯的變化。

經(jīng)過上述分析，需要接入已經(jīng)構(gòu)建完成的信道模型[6－7]，同時(shí)引入邊緣計(jì)算方法，以計(jì)算結(jié)果為依據(jù)建立多通道自動(dòng)切換模型，具體的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多通道自動(dòng)切換模型

在上述操作的基礎(chǔ)上，通過多模自適應(yīng)通信終端控制技術(shù)對(duì)接入網(wǎng)展開自適應(yīng)控制以及擴(kuò)頻處理，進(jìn)而構(gòu)建寬帶電子通信容量計(jì)算模型。優(yōu)先通過信道多徑擴(kuò)展方法[8－9]對(duì)通信接入網(wǎng)的信道容量計(jì)算處理，進(jìn)而獲取對(duì)應(yīng)的信道參數(shù)測(cè)量模型Eri(t)，如式(7)所示:

式中:E(t)代表接入網(wǎng)信號(hào)的模糊度函數(shù)。通過通信容量的波特轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)方法對(duì)寬帶電子通信的去中心化信道參數(shù)展開自適應(yīng)計(jì)算，進(jìn)而獲取信道的調(diào)制輸出M(t)，如式(8)所示:

式中:q(t)代表網(wǎng)絡(luò)中斷自適應(yīng)項(xiàng)。以信道容量的閾值判決函數(shù)為依據(jù)，通過矢量正交頻分復(fù)用方法對(duì)BPSK 進(jìn)行調(diào)制處理，進(jìn)而構(gòu)建寬帶電子通信容量計(jì)算模型，通過模型獲取通信容量計(jì)算表達(dá)式:

式中:c(t)代表寬帶電子通信容量計(jì)算結(jié)果。

1.2 信道流量估計(jì)下容量分配

由于網(wǎng)絡(luò)空間比較復(fù)雜，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間存在明顯的差異，為準(zhǔn)確評(píng)估出網(wǎng)絡(luò)通信流量，在計(jì)算出通信容量的基礎(chǔ)上，主要通過圖論實(shí)現(xiàn)[10－11]，為了估計(jì)帶寬電子通信信道最小流量，需要引入有向圖，將信道通信流量模擬為帶有交叉口的隊(duì)列，通過有向圖解決了時(shí)隙交換隊(duì)列的查找問題，減少了等待時(shí)間，從而使流量快速通過信道，實(shí)現(xiàn)最小流量。設(shè)定有向圖為G＝(V，E)，V為全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的集合；E為鄰接節(jié)點(diǎn)之間通信鏈路的集合。鏈路集合可以表示為式(10)的形式:

式中:h＝(u，v)代表鏈路；u和v代表兩個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)；H(u)代表節(jié)點(diǎn)u上已知的鏈路集合總數(shù)；H0(u)和Hi(u)分別代表節(jié)點(diǎn)u上的輸出和輸入鏈路集合。

設(shè)備中的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)采用多條信道展開通信處理，所以在給定設(shè)備結(jié)構(gòu)以及節(jié)點(diǎn)通信容量的基礎(chǔ)上，需要將各個(gè)信道的流量合理估計(jì)[12－13]，進(jìn)而達(dá)到數(shù)據(jù)平均傳輸時(shí)延最小的目的。輸入通道對(duì)應(yīng)的概率方差G計(jì)算式如下:

式中:hx，y，d代表輸入通信緩沖區(qū)為滿的概率；～h代表通道內(nèi)的數(shù)據(jù)包總數(shù)；R代表節(jié)點(diǎn)通道總數(shù)。

以最小流量為最低限定條件，在給定信道容量下寬帶電子通信信道流量傳輸通道配置過程可以表示為:

①已有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、使用的路由算法以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信流量。

②設(shè)定約束條件以及資源總數(shù)。

③設(shè)定目標(biāo)函數(shù)。

分析排隊(duì)理論可知，路由節(jié)點(diǎn)分別由四個(gè)方向的輸入通道組成，以此為依據(jù)構(gòu)建的隊(duì)列模型可以表示為圖2 的形式。

圖2 路由節(jié)點(diǎn)隊(duì)列模型

結(jié)合排隊(duì)論模型，可以獲取以下形式的計(jì)算式:

式中:fx，y，E代表目標(biāo)通信范圍的使用效率；rx，y，E代表通信信道的總長(zhǎng)度；βx，y，E代表通信信道內(nèi)數(shù)據(jù)包的傳輸速率。

其中，通信信道的數(shù)據(jù)包到達(dá)率?x，y，E可以表示為式(13)的形式:

式中:αx，y，E代表通信信道數(shù)據(jù)發(fā)送成功的概率；κx，y，E代表路由函數(shù)。

結(jié)合相關(guān)理論分析可知，從E方向傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)分別可以轉(zhuǎn)發(fā)至多個(gè)不同的方向，并且還有對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)服務(wù)。其中隊(duì)列等待時(shí)間主要是利用下游緩沖區(qū)所提供的服務(wù)率獲取的，通過式(14)給出服務(wù)率的計(jì)算式:

從通道(x，y，E)的角度考慮，可以獲取數(shù)據(jù)包在隊(duì)列的等待時(shí)間Wx，y－1，E，具體的計(jì)算式為:

在上述分析的基礎(chǔ)上，確定了通信數(shù)據(jù)流量的傳輸節(jié)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，估算網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)中各個(gè)輸入通道的負(fù)載大小，同時(shí)引入模擬退火算法[14－15]完成容量分配處理，詳細(xì)的操作步驟如下所示:

①設(shè)定初始數(shù)據(jù)以及初始解空間，通過各個(gè)通信信道的緩沖區(qū)長(zhǎng)度組建三維數(shù)據(jù)[16－18]，且數(shù)據(jù)中的各個(gè)數(shù)據(jù)都是隨機(jī)產(chǎn)生的。

②形成全新的解空間。

③計(jì)算增量，假設(shè)獲取的增量小于0，則此新解控制為當(dāng)前解；反之，則通過概率接受解空間將其作為全新的解。

④判斷算法是否滿足終止條件，假設(shè)滿足，則直接輸出最優(yōu)寬帶電子通信信道容量分配方案；反之，則返回步驟②重新操作。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)在TinyOS2.02 進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，TinyOS 使用Linux 系統(tǒng)平臺(tái)。本文采用Tinyos 平臺(tái)，此平臺(tái)在虛擬機(jī)上安裝實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)界面及編程界面如圖3 所示。

圖3 TinyOS 平臺(tái)界面及編程界面

表1 給出具體的仿真參數(shù)和取值范圍。

表1 參數(shù)以及取值

設(shè)置通信環(huán)境為單蜂窩小區(qū)，V＝[5，10]MHz，U＝6，R＝8。

2.2 分配功能測(cè)試

通過圖4 可以看出，在設(shè)備未完成容量合理分配之前，流量產(chǎn)生了明顯的堆積，需要依靠時(shí)間機(jī)制，不斷地消化堆積的容量。采用本文方法進(jìn)行容量合理分配后的結(jié)果，如圖5 所示。

圖4 未完成容量分配前的設(shè)備流量模擬

圖5 采用容量分配后的流量結(jié)果

通過圖5 可以看出，通過本文方法進(jìn)行容量合理分配后，信道資源得到了充分的利用，不再出現(xiàn)流量堆積的情況，說明本文方法有效。

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 信道總?cè)萘?/p>

當(dāng)總用戶恒定的情況下，隨著接入通信網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量的增加，通信設(shè)備信道總?cè)萘侩S著接入用戶數(shù)的變化情況如圖6 所示。分析圖6 可知，隨著接入用戶數(shù)量的增多，通信設(shè)備信道總?cè)萘恳苍诓粩嗌仙?。所提方法的總?cè)萘勘３州^高，且最接近標(biāo)準(zhǔn)值。其中，標(biāo)準(zhǔn)值是利用計(jì)算機(jī)經(jīng)過大量的計(jì)算，遍歷所有的分配情況得到的最優(yōu)值。而文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]方法對(duì)信道容量的分配不足，難以利用足夠的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信流量傳輸。這是因?yàn)樗岱椒ㄒ月酚晒?jié)點(diǎn)流量最小為目標(biāo)，同時(shí)注重節(jié)點(diǎn)公平性，分配的節(jié)點(diǎn)通信容量總值較大，可以有效避免流量堆積。

圖6 不同方法的總?cè)萘拷Y(jié)果對(duì)比

2.3.2 帶寬利用率

以帶寬利用率為指標(biāo)，帶寬利用率越高，使用的通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，則通信容量越高，通信效率越好。設(shè)置用戶數(shù)恒定為80，持續(xù)向通信網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，對(duì)比不同方法下的帶寬利用率，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法的帶寬利用率結(jié)果對(duì)比

分析圖7 可知，采用所提方法進(jìn)行通信容量分配時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)中的帶寬利用率高達(dá)82%，而文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]方法的帶寬利用率最高僅為63%和49%。表明所提方法通過對(duì)節(jié)點(diǎn)流量的準(zhǔn)確估算，可以選擇多條傳輸鏈路，均衡地分配通信容量，提高通信網(wǎng)絡(luò)利用率。

2.3.3 響應(yīng)時(shí)間

在上述分析的基礎(chǔ)上，選取響應(yīng)時(shí)間作為測(cè)試結(jié)果，分析不同用戶的通信容量分配響應(yīng)時(shí)間情況，詳細(xì)的測(cè)試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同方法的響應(yīng)時(shí)間結(jié)果對(duì)比

當(dāng)用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率較高時(shí)，表示單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的通信流量較大，不同方法的響應(yīng)時(shí)間隨著用戶發(fā)射功率的增高而增多。但是與另外兩種方法相比，所提方法的響應(yīng)時(shí)間明顯更低一些，主要是因?yàn)樗岱椒ㄔ谟?jì)算通信容量的過程中，加入了最小流量分配算法，由于在電子通信流量中存在大量的信道，且容量計(jì)算過程復(fù)雜且多變，各種干擾因素也經(jīng)常存在，通過流量分配處理可以有效均衡各個(gè)通信信道的容量，進(jìn)而簡(jiǎn)化計(jì)算過程，促使獲取計(jì)算結(jié)果的過程更加快速，相應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間也會(huì)得到明顯降低，可以以更快的速度完成計(jì)算工作。

3 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)通信容量計(jì)算方法存在的不足，設(shè)計(jì)并提出一種基于最小流量的寬帶電子設(shè)備通信容量分配方法。仿真分析結(jié)果表明，所提方法可以有效分配通信容量，提高帶寬利用率，減少響應(yīng)時(shí)間，獲取更加滿意的計(jì)算結(jié)果。

由于研究時(shí)間有限，所提方法現(xiàn)階段仍然存在一定的不足和缺陷，后續(xù)將對(duì)其展開更加深入的研究，全面提升所提方法整體的優(yōu)越性和有效性。