基于大數據的通信網優化研究

摘要：電信網、計算機網和有線電視網三大網絡通過技術改造，能夠提供包括語音、數據、圖像等綜合多媒體的通信業務，更好為人類服務。目前的通信網可隨需選擇網絡和終端，可用有線或無線接入完成通信、電視、上網等。三網融合后的通信網相互滲透、互相兼容、并逐步整合成為世界統一的信息通信網絡。目前無線通信占據主流，本文通過大數據的視角提出對通信網的優化。

關鍵詞：通信;大數據;優化

數據是對客觀事物性質和狀態的描述。有了數據，特別是大量數據時，可以對應用進行優化。在大數據時代，隨著網絡的普及，以及傳感器的廣泛使用，可以獲取海量的數據，甚至可以得到并處理某個事物的各個方面的數據。由于大數據的基礎建立在掌握大量的數據，要求數據盡可能多，大量的數據有助于正確地考察細節并進行預測。對于通信網，大數據可以提升其穩定性和可靠性[1]。當前通信網中不僅包含各類手機和計算機，還包含各種可通信的專用嵌入式電子電氣類產品[2]。

一、大數據的巨大作用

大數據的應用領域很多，包括商業、工業、農業、科學以及醫學等。沃爾瑪作為全球最大的超市，掌握著大量的銷售數據。巧妙地利用大量的銷售數據，幫助沃爾瑪在商業上獲得了巨大的成功。例如，通過統計大量的銷售數據發現每當季節性颶風來臨之前，手電筒和蛋撻的銷量都顯著增加了。所以當季節性暴風來臨前，沃爾瑪會把蛋撻放在颶風用品旁邊，以提高總體銷售額。此外，在沃爾瑪超市有一個有趣的現象：尿布和啤酒擺在一起。這是一個奇怪的組合，但卻使尿布和啤酒的銷量大增。這絕非笑話，而是沃爾瑪超市通過統計大量銷售數據得到的規律，并很好地利用了這個規律，一方面擴大了銷售量，另一方面方便了顧客，提高了顧客的滿意度。由于美國的太太們往往囑咐她們的丈夫下班后為孩子買尿布，而丈夫們在超市買尿布時經常順便會買自己喜歡的啤酒，因此尿布和啤酒放在一起會增加銷售量。大數據基于對大量數據的統計分析，完成對大量數據的相關分析會使人們發現更深層次和更廣范圍的關系，找出未被發現的規律。利用這些規律有時會帶來巨大的好處和利益，特別是在一些商業上的應用。

二、大數據對通信網的優化和提升

通信是人與人、人與物、物與物之間通過某種媒介進行信息傳遞的技術，目的是達到信息傳輸和資源共享。通信按照大類可以分為兩類：有線通信和無線通信，兩者各有利弊，通常在一個大型系統中往往既包含有線通信也包含無線通信。有線通信的優點是信號穩定以及保密性好，缺點是需要連接線移動不便;無線通信的優點是無需連接線設備移動方便，廣泛應用于各類可充電便攜式通信設備和嵌入式電子產品，缺點是信號穩定性差易受干擾以及保密性不好容易被截獲。目前的通信網絡錯綜復雜，人們的選擇余地較大，通信網絡呈現出異構化的特點。異構化對于兼容性或普適性提出了挑戰。目前的無線通信網絡是無線個域網（如藍牙）、無線局域網（如Wi-Fi）、無線城域網和公眾移動通信網（如4G、5G）等多種接入網共存的異構無線通信網絡。解決異構通信網絡的互連問題至關重要，網絡高效和可靠的實時通信也是當前通信網絡應用和研究的熱點。目前通信技術處于高速發展時期，提升通信的速度以及安全性吸引了眾多的公司。

組合優化問題本質是最優化問題。組合是一種廣泛使用的方法，例如中醫的藥方，復合調味品，團隊比賽，顏色的搭配，著裝的組合等等。組合意味著非單一化，單一化的缺點是明顯的，而這也突出了組合的互補優勢。通信中有多項通信技術和通信方式，信息的傳輸可以選擇不同通信技術和通信方式形成組合，通過組合可以克服或降低單一通信技術和通信方式的缺點，形成互補以保證信息傳輸任務的完成。不同的組合涉及到組合優化問題。通信網組合優化是指應用概率論與數理統計、最優化方法以及線性代數等相關數學理論和方法，根據通信網QoS、可靠性和安全性等要求，對通信網進行整合和優化。

無線通信利用電磁波而不通過線纜進行通信。無線通信應用范圍廣，無線通信主要依賴電磁波。電磁波的傳輸速度等于光速，即每秒30萬公里。因而無線通信表現出比較低的時延，特別是5G通信，可以數秒鐘下載一部高清電影。高的通信速度和低的時間延誤對于實時控制有著重要的作用。通信網中基站有著重要作用。通信基站是移動通信網絡中最關鍵的基礎設施。基站即公用移動通信基站，是移動設備接入互聯網的接口設備。基站關系到通信的覆蓋范圍和通信質量，此外通過基站還可以實現定位，雖然這種定位方式的精度并不高，定位精度比不上GPS定位，但由于大多數人隨身攜帶手機，可以實現對廣泛人群的大致位置定位。目前行程碼就是基于基站來進行定位以確定個人行程。高速的通信需要大量的高密度的基站，截至2021年3月底，我國已建成5G基站81.9萬個，占全世界70%以上。5G通信網以其極快的網速對制造、教育、購物、娛樂和醫療等行業的影響正與日俱增，更多應用正在不斷豐富與完善。

每個基站根據所連接的天線情況，可以包含有一個或多個扇區。根據不同的傳輸方向，天線也可分為有向天線和全向天線。有向天線常用于公路和鐵路道路、海岸線等條狀或帶狀區域的無線通信。一個基站的覆蓋范圍大概在幾百米到幾十千米之間。大多數數據通信量是由通信網絡中的少數基站完成，而并非大多數基站。因此基站的部署和規劃與通信量密切相關。

基站的部署和規劃是一項組合優化技術，需要從多個方案中尋找一個最優方案，而最優方案需要結合不同的應用場景和需求。合理的基站部署和規劃可以提高通信速度和通信質量。優化組合在很多領域都具有廣泛的應用，例如通信技術領域的路由問題、通信網架設等。優化組合有的涉及到成本，有的涉及到時間，往往需要找到某種平衡，在不同的應用場景或應用需求中，最優方案也是不同的。合理的基站部署和規劃節約能耗的同時減小了時延。可以從圖論的角度進行分析得出優化的數據傳輸路徑，最大限度地減小了通信網絡的平均跳數，較好地減小通信網絡的能耗和時延。

通信速度和通信質量的保證需要好的接收信號強度（RSSI），可以根據RSSI的擾動進行定位或者對事物的狀態進行感知和識別。通過真實場景下的實驗證明干擾下的RSSI具有正弦（或余弦）波動的特點，并且沿發送信號和接收信號的節點的中點對稱，相同干擾源在中點位置所形成的干擾對RSSI的擾動最小。在沒有干擾的情況下，RSSI是平穩的;如果遇到干擾，RSSI會呈現一定的擾動。RSSI也受節點所在環境、天線方向和電壓等因素的影響。根據RSSI擾動的特征，可以實現某種程度上的感知，區分不同的事物或狀態。例如在對斑馬群的監測中，斑馬從一個區域到另一個區域遷徙，監測區域邊緣入口的一些節點在工作狀態，監測區域以內的其它節點在休眠狀態。當區域邊緣的節點通過RSSI的變化判斷出一個斑馬進入了監測區域，隨即喚醒監測區域內其它節點來監測斑馬群。從而不必使區域內所有的節點長時間處于工作狀態，減少了節點能耗，增加了通信網生存時間。現代通信系統多數以無線的方式傳輸信號，因而RSSI值的相關應用廣泛存在，需要加以特別注意。不同事物和不同動作所造成的RSSI值變化不同，因而可以根據RSSI值的變化特點區分不同的事物和不同的動作。要識別和判斷不同的事物和不同的動作，需要尋找事物和動作的特征。以事物的特征為基礎來判斷、識別和感知事物，從而可以高效地感知事物。以RSSI值的擾動作為特征可以對事物進行感知和識別，此外事物可視為干擾源，事物所在不同的位置對RSSI的擾動是有區別的，因為還可以根據RSSI值進行定位。當干擾源位于兩個節點中點時，RSSI最大。RSSI的波動曲線呈現正弦（或余弦）變化的特征，并且其變化曲線呈現明正弦（或余弦）變化的特征。在實際應用中，首先需要進行實驗標定。通過實驗得到RSSI擾動的范圍和特點，然后應用到相應的智能系統中實現準確和可靠的對事物的自動區分和辨別。

企業要在激烈的市場競爭中勝出，需要了解市場，要了解市場，需要進行廣泛和深入的市場調查，取得大量的數據，并對這些數據從統計學和概率論的角度進行科學的深入的分析，得出準確的規律作為生產和經營的依據，這些都需要以海量數據和大數據技術作為基礎。通信運營商希望得到更多的客戶，需要為客戶提供更好的通信質量和更快的通信速度，這就要求加大基站投資，而加大基站方面的投資需要以大數據作為支撐，以了解不用區域的用戶密度和通信需求量。

三、結束語

當前的通信網可完成通信、娛樂、購物等眾多方面的應用，而手機在其中發揮著重要作用，而手機的通信和上網都需要依賴網絡。本文通過大數據的視角提出對通信網的優化，了解不用區域的用戶通信需求，優化通信基站的設立、部署和升級，一方面為客戶提供更好的通信質量和更快的通信速度，另一方面提升通信運營商的投資收益。

作者單位：馬朋飛" " 中國船舶工業系統工程研究院

參" 考" 文" 獻

[1]張德君.4G無線網絡站址規劃質量評估體系優化的探討[J].中國新通信，2017，19（09）：38.

[2]戚建聰.嵌入式網絡通信技術探討[J].通訊世界， 2017（12）：43-44.