基于QoS的5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法

王 琦

（廣東郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，廣東 廣州 510630）

0 引 言

5G無線網(wǎng)絡(luò)作為一種分組交換技術(shù)的實際應(yīng)用，理論上是能夠支持180 kb/s的通信數(shù)據(jù)傳輸，以此為更多的網(wǎng)絡(luò)用戶提供數(shù)據(jù)、視頻以及語音等多媒體資源[1]。但當(dāng)前5G無線網(wǎng)絡(luò)也存在十分明顯的缺陷問題，其傳輸能力會受到周圍外界環(huán)境和內(nèi)部對數(shù)據(jù)處理能力等因素的嚴(yán)重制約，進而造成5G無線網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生較大的延遲，并且很難對其進行控制[2]。針對5G無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行的規(guī)劃方法主要是采用人工修改QoS參數(shù)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)延遲的降低，該方法在實際應(yīng)用中存在一定局限性，只能確保在有限的時間內(nèi)完成，無法結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的實際流量進行調(diào)節(jié)和規(guī)劃[3]。由于5G無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)具有極大的隨意性特點，因此通過這種相對靜態(tài)的規(guī)劃方法很難實現(xiàn)對5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃控制效果的預(yù)期。

1 5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法設(shè)計

1.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量估算

通常情況下，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量隨著時間的變化而變化，并且流量的變化特征符合指數(shù)規(guī)律。因此，5G無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的特征參數(shù)可表示為：

式中，y表示為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的特征參數(shù)；k表示為網(wǎng)絡(luò)流量特征指數(shù)；Yo表示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量數(shù)；t表示數(shù)據(jù)流量變化的時間。由于5G無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)具有一定的隨機性，數(shù)據(jù)流量會受到影響產(chǎn)生波動，因此可通過對待估計參數(shù)值計算的方式預(yù)測數(shù)據(jù)流量[4]。

由于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的非線性預(yù)測特點，因此本文采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對5G無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量進行動態(tài)估算。上述待估計參數(shù)均可根據(jù)Fuzzy得出，并且其取值可在[A-,A+]區(qū)間范圍內(nèi)自由選擇。根據(jù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出Fuzzy參數(shù)的隸屬參數(shù)表達式為：

式中，當(dāng)A的取值在[A-,A+]區(qū)間范圍內(nèi)時，則進行第一種計算；當(dāng)A的取值不屬于[A-,A+]區(qū)間范圍時，則A的取值為0。再經(jīng)過線性化處理后，可通過最小二乘法的方式得到含有待估計參數(shù)的數(shù)值，表達式為：

式中，Sl(k)表示為通過最小二乘法得出的含有待估計參數(shù)的數(shù)值；k表示為數(shù)據(jù)流量特征指數(shù)。

1.2 多場景5G無線網(wǎng)絡(luò)線路路徑規(guī)劃

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量估算結(jié)果規(guī)劃其線路路徑。5G無線網(wǎng)絡(luò)主要由線路終端、網(wǎng)絡(luò)單元以及分配網(wǎng)絡(luò)組成，其中分配網(wǎng)絡(luò)通常會被線路終端和用戶的接入點劃分為兩個不同的分區(qū)[5]。針對這一現(xiàn)象，本文采用啟發(fā)式方法，隨機形成滿足條數(shù)約束條件的規(guī)劃邊，連通整個5G無線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可表示為：

式中，A表示為網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)矩陣；i和j分別表示為兩個網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)上的節(jié)點。若節(jié)點i和節(jié)點j之間存在一條規(guī)劃路徑連接，則此時aij取值為1。由于網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣屬于無向圖連接屬性，因此說明網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)矩陣A為對稱矩陣，因此進一步得出：

通過式（5）可知，在對多場景下網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，只用鄰接矩陣的上半部分即可，以此能夠更加直觀的表示5G無線網(wǎng)絡(luò)線路。由于5G無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此可能存在線路交叉的問題。出現(xiàn)交叉后，無線網(wǎng)路線路可能無法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳輸，對此需要利用Ford-Fulkerson檢驗兩個需要進行連接的規(guī)劃點間的連通性[6-8]。

1.3 基于QoS的突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級保障

對于不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)級別的內(nèi)容，應(yīng)當(dāng)進行優(yōu)先級仲裁，確保級別更高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能夠獲得優(yōu)先服務(wù)[9]。基于此，本文引入一種有限服務(wù)狀態(tài)機制，實現(xiàn)優(yōu)先級仲裁。在有限狀態(tài)機制當(dāng)中包含了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的事件、狀態(tài)以及轉(zhuǎn)換等內(nèi)容，能夠清晰地反映輸入符號與當(dāng)前5G無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)到效益狀態(tài)的實際情況。當(dāng)輸入符號串時，有限狀態(tài)機制開始運行，并進入到起始狀態(tài)，利用連接和箭頭指向的方式對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行描述。箭頭所指方向為狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方向，箭頭線主要用于對狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件和優(yōu)先級進行標(biāo)注。圖1為基于Qos的5G無線網(wǎng)絡(luò)有限狀態(tài)機制。

圖1 5G無線網(wǎng)絡(luò)有限狀態(tài)機制

根據(jù)不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級劃分結(jié)果，當(dāng)出現(xiàn)低優(yōu)先級數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用5G無線網(wǎng)絡(luò)處理資源的情況時，在設(shè)置相應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件后，優(yōu)先級更高的網(wǎng)絡(luò)用戶能夠優(yōu)先獲得服務(wù)，以此提高5G無線網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量[10]。通過本文上述論述，完成對5G無線網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃。

2 對比實驗

2.1 實驗準(zhǔn)備

結(jié)合本文上述理論論述內(nèi)容，驗證基于QoS的5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法的實際應(yīng)用效果，為確保實驗具有可對比性，本文將選用傳統(tǒng)規(guī)劃方法和新的規(guī)劃方法共同針對統(tǒng)一5G無線網(wǎng)絡(luò)進行規(guī)劃。利用C++語言完成對兩種規(guī)劃方法的對比實驗，選擇某容量選項為K=（15,30,45,60）的5G無線網(wǎng)絡(luò)，其鏈路結(jié)構(gòu)的最大使用率為0.85。在該5G無線網(wǎng)絡(luò)上，隨機選擇6個節(jié)點作為本文實驗案例，其每個節(jié)點相互之間的邊連通。

為確保實驗過程與實際5G無線網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)相符，本文采用隨機方式產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)中流量矩陣。同時在實驗過程中對最大網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量和最小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量進行規(guī)定，不同節(jié)點之間的流量需要分別通過最大網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量和最小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量要求范圍以內(nèi)隨機產(chǎn)生，其數(shù)值取值為整數(shù)。考慮到5G無線網(wǎng)絡(luò)的鏈路流量分配要求，規(guī)定本文實驗中的5G無線網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。

將5G無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，分別利用本文規(guī)劃方法和傳統(tǒng)規(guī)劃方法對網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點進行規(guī)劃，分別得到5個不同網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，將完成規(guī)劃后的5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率作為實驗對比指標(biāo)。5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的計算為：

式中，P表示為通過本文或傳統(tǒng)規(guī)劃方法得到的5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率；n表示為網(wǎng)絡(luò)最大連通網(wǎng)絡(luò)的元數(shù)據(jù)數(shù)量；S表示網(wǎng)絡(luò)中包含的元數(shù)據(jù)數(shù)量。

2.2 實驗結(jié)果及分析

實驗選擇網(wǎng)絡(luò)分區(qū)標(biāo)號作為實驗對象，并結(jié)合本文上述實驗準(zhǔn)備及式（6）計算得出兩種不同規(guī)劃方法的5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，并對其進行記錄，繪制成如表1所示的實驗結(jié)果對比表。

表1 兩種規(guī)劃方法實驗結(jié)果對比表

從表1中實驗結(jié)果可以看出，通過本文規(guī)劃方法得到的5個網(wǎng)絡(luò)分區(qū)與通過傳統(tǒng)規(guī)劃方法得到的5個網(wǎng)絡(luò)分區(qū)相比覆蓋率明顯更高，均達到了95.00%以上，而傳統(tǒng)規(guī)劃方法的覆蓋率僅在60.00%～80.00%。因此，通過對比實驗證明，本文設(shè)計的基于QoS的5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法在應(yīng)用于實際5G無線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中時，能夠?qū)崿F(xiàn)對元數(shù)據(jù)的高覆蓋率，實現(xiàn)高資源利用率、低運算復(fù)雜度的5G無線網(wǎng)絡(luò)運行模式。

3 結(jié) 論

本文基于Qos服務(wù)質(zhì)量對5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法進行設(shè)計，在充分考慮到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要的情況下提出一種全新的規(guī)劃方法，并通過實驗證明了該方法的應(yīng)用優(yōu)勢。但由于研究能力有限，本文在對規(guī)劃方法設(shè)計過程中并未考慮到不同領(lǐng)域中5G無線網(wǎng)絡(luò)的運行性能，因此針對部分網(wǎng)絡(luò)可能存在消息冗余度增加的問題。針對這一問題，在后續(xù)的研究中還將進行更加深入地研究，從而設(shè)計一種更加完善的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法。