無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)資源均衡配置方法

郭思遠(yuǎn)，張永貴

（山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

當(dāng)前現(xiàn)代城市的發(fā)展以及通信技術(shù)的不斷完善，使得人們逐漸將目標(biāo)轉(zhuǎn)移到對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的分配問題上。在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的順暢傳輸和全網(wǎng)多節(jié)點(diǎn)服務(wù)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的根本條件。在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的高效訪問以及資源的最大利用率是其運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。由于當(dāng)前大部分無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)采用分布式的結(jié)構(gòu)，因此其內(nèi)部連接十分復(fù)雜，并且各類網(wǎng)絡(luò)資源的分配存在嚴(yán)重不合理現(xiàn)象，進(jìn)而造成網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中常常出現(xiàn)資源分配不均衡的問題，影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效果[2]。

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的資源配置實(shí)質(zhì)上是對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在進(jìn)行資源分配的過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)具有較大的依賴性，因此使得網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)的資源均衡配置成為了關(guān)鍵[3]。當(dāng)前，該領(lǐng)域研究人員通過(guò)不斷研究，提出了多種針對(duì)多節(jié)點(diǎn)資源配置的問題，并且在實(shí)際應(yīng)用中基本實(shí)現(xiàn)了高可靠性和易擴(kuò)展性等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但同時(shí)，現(xiàn)有配置方法在應(yīng)用過(guò)程中也出現(xiàn)了資源過(guò)度消耗的問題，因此為了能夠進(jìn)一步提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中各類資源的利用率，本文開展無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)資源均衡配置方法設(shè)計(jì)研究。

1 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)資源均衡配置方法

1.1 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)增刪線性規(guī)劃

在一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，包含了一個(gè)節(jié)點(diǎn)集V，在V中又包含了一個(gè)需求點(diǎn)集和一個(gè)供應(yīng)點(diǎn)集，則節(jié)點(diǎn)集V的表達(dá)式為V={VA,VB}。在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系是無(wú)法隨意更改的，其主要原因是傳輸通道很難被重新建立，或重新建立的成本較高[4]。在通信網(wǎng)絡(luò)中，多節(jié)點(diǎn)之間的連接通常是以線材或無(wú)線電磁波頻率控制，由于本文主要針對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)開展研究，因此不考慮以線材連接的方式[5]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)多節(jié)點(diǎn)的合理規(guī)劃，首先需要明確其規(guī)劃約束條件為：

式中，C為線性規(guī)劃求解結(jié)果是兩約束優(yōu)化條件，為最小增刪供應(yīng)點(diǎn)數(shù)目，j為節(jié)點(diǎn)行數(shù)，N為供應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，Cj為j行的節(jié)點(diǎn)線性規(guī)劃數(shù)量結(jié)果。根據(jù)式（1）所示的約束條件，確定最小無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)增刪的位置以及數(shù)量，其具體計(jì)算流程如下。首先，構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)矩陣和權(quán)重矩陣，設(shè)置上述約束條件常量為k。其次，對(duì)狀態(tài)矢量進(jìn)行初始化設(shè)置，并通過(guò)矢量確定當(dāng)前無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)集中節(jié)點(diǎn)數(shù)量。其次，利用改進(jìn)后的Dijkstra算法求解節(jié)點(diǎn)集，計(jì)算該集合起點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)中所有需求節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，并構(gòu)建所有需求節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑矩陣，得到：

式中，Pj為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)增刪線性規(guī)劃最優(yōu)矩陣，ven為終點(diǎn)的最優(yōu)路徑長(zhǎng)度。最后，結(jié)合上述構(gòu)建的最優(yōu)矩陣，以無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)作為中心，通過(guò)確定的最優(yōu)路徑長(zhǎng)度確定其滿足的可達(dá)性需求點(diǎn)，將該點(diǎn)去除，并將剩余的需求節(jié)點(diǎn)放入到剩余集合中。以此時(shí)的供應(yīng)節(jié)點(diǎn)作為起點(diǎn)，判斷其是否滿足可達(dá)性，并根據(jù)需要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行增加或刪除，以此實(shí)現(xiàn)增刪線性規(guī)劃。

1.2 多節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)資源需求量均衡分配

根據(jù)本文上述論述，完成對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)增刪線性規(guī)劃后，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)路全局節(jié)點(diǎn)的部署。為進(jìn)一步提高均衡配置效率，還需要完成多節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)資源需求量均衡分配，確定多節(jié)點(diǎn)之間最小時(shí)間消耗以及相對(duì)應(yīng)的路徑耗時(shí)時(shí)間[6]。各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系可通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑連接獲得，利用MATLAB實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的增刪優(yōu)化[7]。

由于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，從某一節(jié)點(diǎn)出發(fā)到各個(gè)需求節(jié)點(diǎn)需要秉著就近分配的原則，因此可將無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)看作一個(gè)被劃分為若干個(gè)子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且在每一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)解耦中都對(duì)應(yīng)一個(gè)基站控制，以此將無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)看作一個(gè)分布式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多則表示分布式網(wǎng)絡(luò)的配置能力越強(qiáng)。若仍然采用相同的供應(yīng)節(jié)點(diǎn)服務(wù)需求節(jié)點(diǎn)，不僅會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行壓力增加，同時(shí)還會(huì)造成資源的浪費(fèi)[8]。因此，為實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)資源需求量的均衡分配，針對(duì)配置能力強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)，可將其作為多個(gè)需求節(jié)點(diǎn)的服務(wù)節(jié)點(diǎn)，針對(duì)配置能力弱的節(jié)點(diǎn)，可將多個(gè)能力均較弱的供應(yīng)節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)需求節(jié)點(diǎn)服務(wù)，以此根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際需求量實(shí)現(xiàn)均衡分配。

1.3 基于資源需求量的多節(jié)點(diǎn)布局優(yōu)化重配置

在基于上述資源需求量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)多節(jié)點(diǎn)布局優(yōu)化的重新配置，需要明確供應(yīng)節(jié)點(diǎn)固定不變的是其標(biāo)準(zhǔn)要求。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的布局優(yōu)化，只能夠?qū)π枨蠊?jié)點(diǎn)重分配，并優(yōu)化連接[9]。根據(jù)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)際背景，劃分重新配置問題，一類為對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)使用的資源有限，另一類為在滿足全網(wǎng)資源合理配備的基礎(chǔ)上，考慮資源的消耗[10]。解決第一類問題時(shí)需在資源固定的條件下將需求節(jié)點(diǎn)被服務(wù)的數(shù)量作為目標(biāo)，在最大成本內(nèi)盡可能地確保單次資源配置的質(zhì)量。滿足上述約束條件后，保證每一個(gè)需求節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)供應(yīng)節(jié)點(diǎn)，以此完成對(duì)多節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化重配置。解決第二類問題時(shí)需在供應(yīng)節(jié)點(diǎn)固定的條件下將成本最低作為目標(biāo)，在確保成本為最低的條件下，保證一個(gè)供應(yīng)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)多個(gè)需求節(jié)點(diǎn)，以此完成對(duì)多節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化重配置。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

結(jié)合本文上述論述內(nèi)容，從3個(gè)基本操作實(shí)現(xiàn)了對(duì)多節(jié)點(diǎn)資源均衡配置方法的理論設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證該方法的實(shí)際應(yīng)用效果，選擇在蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中以D2D通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)哪M，并在這一過(guò)程中引入本文提出的配置方法。將無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)基站節(jié)點(diǎn)設(shè)置在蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中央，將蜂窩用戶x與D2D發(fā)送端S一同分布在該蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，再利用D2D接收端R統(tǒng)一地分布在相應(yīng)的D2D發(fā)送端（以r為半徑的圓形區(qū)域中）。為了確保實(shí)驗(yàn)不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源造成影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分配的資源均為空閑頻譜資源，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置表

在表1中實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，對(duì)引入本文配置方法后無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)的平均端到端延時(shí)進(jìn)行記錄，并將其作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。平均端到端延時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)，則說(shuō)明多節(jié)點(diǎn)當(dāng)中資源均衡配置越不合理，分配效率越低；反之平均端到端延時(shí)時(shí)間越短，則說(shuō)明多節(jié)點(diǎn)當(dāng)中資源均衡配置越合理，分配效率越高。根據(jù)上述論述，記錄無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在不同包達(dá)到率條件下的平均端到端延時(shí)數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 引入本文配置方法無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)平均端到端延時(shí)

從圖1中記錄的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)平均端到端延時(shí)變化曲線可以看出，在0～0.4區(qū)間內(nèi)，隨著包到達(dá)率的不斷提高，平均端到端延時(shí)呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)；在0.4～1.8區(qū)間內(nèi)，隨著包到達(dá)率的不斷提高，平均端到端延時(shí)呈現(xiàn)出明顯遞增的趨勢(shì)，盡管平均端到端延時(shí)的變化幅度較大，但仍然沒有超過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行規(guī)定平均端到端延時(shí)小于10 s的要求標(biāo)準(zhǔn)。因此，通過(guò)上述實(shí)例證明，本文提出的配置方法應(yīng)用到真實(shí)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可針對(duì)多節(jié)點(diǎn)為其提供更加均衡且合理的配置資源，確保資源的有效利用，并在一定程度上為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行提供條件。

3 結(jié) 論

當(dāng)前通信傳輸模式越來(lái)越豐富，通信的過(guò)程也逐漸簡(jiǎn)單，在網(wǎng)絡(luò)終端上各類節(jié)點(diǎn)都依賴于通信技術(shù)的保障。為了進(jìn)一步提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行條件和質(zhì)量，本文開展對(duì)其資源均衡配置方法的設(shè)計(jì)研究，并結(jié)合實(shí)例應(yīng)用證明了該方法的應(yīng)用可行性。同時(shí)，本文提出的配置方法能夠應(yīng)用于對(duì)各類最小資源消耗以及全局服務(wù)等多種約束條件下的多節(jié)點(diǎn)資源配置，但當(dāng)前無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的資源配置優(yōu)化仍然存在較大的研究空間，針對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的分布式結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行更加深入的研究和探索，從而提高本文配置方法的適用性。