基于非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化

黃宗偉

（廣東郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 530630）

目前，無線通信網(wǎng)絡(luò)不僅將各個(gè)領(lǐng)域連接起來，而且將許多用戶連接起來，無線通信網(wǎng)絡(luò)維持正常的日常通信，主要涉及信號編碼、差錯(cuò)校驗(yàn)、信號傳輸、衛(wèi)星定位技術(shù)等，因?yàn)闊o線通信網(wǎng)絡(luò)的功能較多，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中每秒都會生成數(shù)量巨大的網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)，影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，所以有效地優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量成為目前無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的主要問題。

無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量指無線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部運(yùn)行數(shù)據(jù)在沒有丟失的情況下，系統(tǒng)可以運(yùn)行的最大速度，因此保證無線通信網(wǎng)絡(luò)的暢通性，就必須保證網(wǎng)絡(luò)吞吐量的標(biāo)準(zhǔn)。無線通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)很大的整體，由許多的數(shù)據(jù)包組成，該文根據(jù)無線通信網(wǎng)絡(luò)的非正交多址接入方法，建立無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量產(chǎn)生的感知模型，對影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量的因素進(jìn)行優(yōu)化。

1 吞吐量感知模型

非正交多址接入方法是目前提高網(wǎng)絡(luò)頻譜和傳送速度效果最明顯的一項(xiàng)通信技術(shù)，從現(xiàn)在非正交多址接入技術(shù)的研究成果來看，此技術(shù)將會在5G 無線通信中占有舉足輕重的地位，非正交多址接入方法也被稱為NOMA 技術(shù)。非正交多址接入技術(shù)最大的特點(diǎn)是可以將同一區(qū)域內(nèi)的多個(gè)主機(jī)地址連接在同一個(gè)頻率信道內(nèi)，并且保證所有地址內(nèi)的用戶無線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速度達(dá)到要求，此時(shí)所有地址主機(jī)的頻譜、傳輸時(shí)延、吞吐量都會比傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)高。NOMA 技術(shù)的原理是利用相同的信道、相同的網(wǎng)絡(luò)碼域集成一個(gè)復(fù)用功率域的通信技術(shù)。

非正交多址接入方法具有極大的靈活性，其可以通過其他技術(shù)提升本身的應(yīng)用效果，也可以通過技術(shù)促進(jìn)其他領(lǐng)域的發(fā)展，但是就目前NOMA 技術(shù)的發(fā)展來看，應(yīng)用效果最明顯的是無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。該文研究的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化分析，綜合考慮了多種外界環(huán)境的干擾。非正交多址接入方法優(yōu)化的方法主要通過分析無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量的形成途徑并進(jìn)行感知，使無線通信網(wǎng)絡(luò)可以在不同網(wǎng)絡(luò)模式下完成信息的發(fā)送與接收。

無線通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量都是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男诺李l譜進(jìn)行感知，通過信道頻譜的運(yùn)行狀態(tài)維持網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，經(jīng)過長期的研究，專業(yè)人員將無線通信網(wǎng)絡(luò)的信道頻譜感知狀態(tài)設(shè)定為一個(gè)模型，在模型內(nèi)代入相應(yīng)的變量，從而計(jì)算出無線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，模型如下：

其中，t表示數(shù)據(jù)包長度；n表示每個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包采樣對應(yīng)的時(shí)間；W表示感知的網(wǎng)絡(luò)通信帶寬；q表示無線通信網(wǎng)絡(luò)的接收信號頻段；h表示網(wǎng)絡(luò)的信道增益大小。為了保證網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的精確度，該文設(shè)定增益為一個(gè)常數(shù)定值；s(t)表示無線網(wǎng)絡(luò)的信息發(fā)送速度；n(t)表示網(wǎng)絡(luò)信道的高斯白噪聲；H1表示感知的無線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行處于占用狀態(tài)；H0表示感知的無線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行處于空閑狀態(tài)。

無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的吞吐量是由數(shù)據(jù)幀形成過程決定的，數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)越多，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的吞吐量越低，為了保證無線通信網(wǎng)絡(luò)的功能性，對于數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)是沒有限制的。數(shù)據(jù)幀單次轉(zhuǎn)發(fā)主要由數(shù)據(jù)幀帶寬預(yù)測、協(xié)作以及執(zhí)行3 個(gè)步驟構(gòu)成，每個(gè)步驟都會產(chǎn)生系統(tǒng)冗余數(shù)據(jù)，影響數(shù)據(jù)幀的吞吐量。綜上所述，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的吞吐量計(jì)算公式如下：

其中，V表示數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)男旁氡龋籛k表示無線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用于協(xié)作的頻譜感知帶寬域。

在無線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量是由數(shù)據(jù)幀吞吐量以及其他額外的吞吐量均衡形成的。正是因?yàn)橄到y(tǒng)吞吐量的復(fù)雜程度，該文在感知系統(tǒng)吞吐量的同時(shí)要借助非正交多址接入技術(shù)，提高感知的準(zhǔn)確率。計(jì)算無線通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量首先要計(jì)算系統(tǒng)在工作過程中空閑信道的概率，然后根據(jù)非正交多址接入技術(shù)判斷出系統(tǒng)內(nèi)空閑信道所持續(xù)的時(shí)間，最后綜合計(jì)算出系統(tǒng)空閑狀態(tài)的吞吐量。網(wǎng)絡(luò)吞吐量感知模型如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)吞吐量感知模型

空閑信道的概率和持續(xù)時(shí)間計(jì)算公式如下：

其中，N表示信道個(gè)數(shù)；k表示空閑信道的個(gè)數(shù)；L表示無線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作的用戶數(shù)量；b表示授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)信道數(shù)量；t表示數(shù)據(jù)包長度；c0表示數(shù)據(jù)幀吞吐量。

最終擬合無線通信網(wǎng)空閑狀態(tài)的吞吐量和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)吞吐量計(jì)算公式，得出感知模型如下：

2 吞吐量優(yōu)化分析

每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)段都有一個(gè)其自身運(yùn)轉(zhuǎn)吞吐量的供需標(biāo)準(zhǔn)，只有達(dá)到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)吞吐量，才能保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，具體約束條件如下：

將約束公式進(jìn)行一階求導(dǎo)和二階求導(dǎo)后，可以證明約束條件是一個(gè)凹函數(shù)，正是因?yàn)榇颂匦裕瑢⒆畲蠊?jié)點(diǎn)間通信總吞吐量優(yōu)化問題進(jìn)行簡化。為了保證每個(gè)空閑信道的吞吐量達(dá)到需求，只需要根據(jù)凹函數(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行制約，促使系統(tǒng)的總吞吐量達(dá)到運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。R(τ)關(guān)于τ的曲線如圖2 所示。

圖2 R(τ)關(guān)于τ 的曲線

因?yàn)闊o線通信網(wǎng)絡(luò)存在特殊性，約束條件在計(jì)算的過程中會出現(xiàn)永真解，即可讓不等式在一定情況下進(jìn)行無限循環(huán)，不存在制約性質(zhì)，為此該文選擇拉格朗日公式進(jìn)行約束優(yōu)化，具體公式如下：

其中，τ表示與約束相關(guān)的拉格朗日參數(shù)，這樣就可以對得到的最大化節(jié)點(diǎn)間通信總吞吐量進(jìn)行優(yōu)化；R表示無線通信網(wǎng)絡(luò)的流量值。

非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化分析過程如圖3 所示。

圖3 非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化分析過程

通過優(yōu)化最大化較差節(jié)點(diǎn)吞吐量來完成無線通信網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)數(shù)據(jù)幀的吞吐量優(yōu)化分析，利用以上的分析得知網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀吞吐量的本質(zhì)是由最大化較差節(jié)點(diǎn)的吞吐量決定的，所以就可以平衡任意兩個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)幀節(jié)點(diǎn)的吞吐量的差異情況，使節(jié)點(diǎn)的吞吐量近似相等，增加公平性。通過加入輔助引用變量y，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化計(jì)算公式，如下：

在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的最大化較差節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，都存在最優(yōu)分配時(shí)間和最差分配時(shí)間，然而最優(yōu)分配時(shí)間是決定數(shù)據(jù)幀吞吐量大小的因素，所以需要精確地判斷出最優(yōu)分配時(shí)間段，該文采用黃金割分法求出最優(yōu)分配時(shí)間和最差分配時(shí)間。黃金割分曲線是一個(gè)對稱的拋物線，曲線可以根據(jù)無線通信網(wǎng)絡(luò)的地址量數(shù)合理地分配區(qū)域，曲線的極值點(diǎn)是最優(yōu)分配時(shí)間和最差分配時(shí)間，然后根據(jù)數(shù)值計(jì)算出最大化較差節(jié)點(diǎn)吞吐量，從而對得到的最大化較差節(jié)點(diǎn)吞吐量進(jìn)行優(yōu)化。

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過以上的論述，該文完成了基于非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量的優(yōu)化分析，為了檢驗(yàn)該文分析的網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法是否具有意義，是否達(dá)到預(yù)期的效果，進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)分析，采用基于協(xié)作頻譜接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法和基于正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法作為對比的傳統(tǒng)方法，共同完成實(shí)驗(yàn)測試。

該文的測試環(huán)境是按照無線通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11 進(jìn)行設(shè)定的，具體無線通信網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)定如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在對無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行吞吐量優(yōu)化時(shí)確定運(yùn)行用戶數(shù)量，并且為了保證數(shù)據(jù)的可信度和可計(jì)算性，該文實(shí)驗(yàn)參照有效數(shù)據(jù)只考慮確定信道內(nèi)的吞吐量，不考慮虛擬信道的吞吐量。同一時(shí)間觸發(fā)3 種無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法，測試過程中數(shù)據(jù)分析器記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)，當(dāng)3 種方法對該文設(shè)定的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量全部優(yōu)化后，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，采用專業(yè)的軟件對優(yōu)化后的3 個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行吞吐量測試，作為實(shí)驗(yàn)的重要數(shù)據(jù)。

非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化分析速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上的對比實(shí)驗(yàn)操作可知，優(yōu)化后無線通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和通信速率大小的順序相同，由大到小的順序依次是基于非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)、基于正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法、基于協(xié)作頻譜接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法；另外完成網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的時(shí)間由短到長分別是基于正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法、基于非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)、基于協(xié)作頻譜接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法。根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)的基于基于協(xié)作頻譜接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法不是最優(yōu)的優(yōu)化方法，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)優(yōu)化最優(yōu)的表現(xiàn)是無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信速度得到提高，相對于此影響因素，優(yōu)化的響應(yīng)時(shí)間不是最重要的表現(xiàn)因素，所以權(quán)衡以上與無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量相關(guān)的決定性因素，該文研究的基于非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法是最優(yōu)的方法，具有高效性和應(yīng)用性。

4 結(jié)束語

該文首先闡述了無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量的意義，然后根據(jù)無線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行原理和非正交多址接入方法，構(gòu)建基于非正交多址接入的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量感知模型，最后通過感知模型分別對無線通信網(wǎng)絡(luò)的最大化節(jié)點(diǎn)間通信總吞吐量和最大化較差節(jié)點(diǎn)吞吐量進(jìn)行優(yōu)化處理。通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該文研究的基于非正交多址接入方法的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)化方法相對傳統(tǒng)方法更優(yōu)，達(dá)到了預(yù)期效果，有利于促進(jìn)無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的發(fā)展。