5G通信中傳輸技術(shù)的應(yīng)用

張成娟

(青海建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，信息技術(shù)學(xué)院，青海 西寧 800001)

0 引言

伴隨著5G的迅速發(fā)展，語(yǔ)音、多媒體、實(shí)時(shí)互動(dòng)游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)療、應(yīng)急監(jiān)控等業(yè)務(wù)場(chǎng)景中的超實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。目前，網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)已成為業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

目前提出的傳輸技術(shù)在5G通信中應(yīng)用廣泛，相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了較為深刻的研究。文獻(xiàn)[1]提出了窄帶物聯(lián)網(wǎng)的傳輸技術(shù)，利用數(shù)據(jù)包提高傳輸速度；文獻(xiàn)[2]提出了無(wú)線(xiàn)空口沖突方法，從而提高傳輸速度；文獻(xiàn)[3]引入海量終端，彌補(bǔ)終端不足的問(wèn)題。

本文在傳統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，分析傳輸技術(shù)的應(yīng)用效果，并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了加入傳輸技術(shù)后，5G通信的傳輸速度是否更快。

1 5G通信中傳輸技術(shù)的應(yīng)用

在5G通信中應(yīng)用傳輸技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的控制、分配和預(yù)留，在提高通信效果、資源傳播速度，擴(kuò)大傳播資源量的同時(shí)，保證通信的穩(wěn)定和質(zhì)量，其具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括傳輸網(wǎng)絡(luò)資源控制、基于傳輸技術(shù)的資源分配、基于傳輸技術(shù)的資源預(yù)留[4-5]。

1.1 傳輸網(wǎng)絡(luò)資源控制

在5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常見(jiàn)的海量終端場(chǎng)景中，傳統(tǒng)資源控制終端的非接入層的控制層易出現(xiàn)時(shí)延現(xiàn)象，影響了網(wǎng)絡(luò)資源的控制效果[6]。目的在于加強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的控制管理，創(chuàng)建虛擬電路和其網(wǎng)絡(luò)資源傳播途徑，減少在接入鏈和輸出鏈出現(xiàn)的延遲效果。i.MX6ULL控制器的嵌入架構(gòu)如圖1所示。

圖1 i.MX6ULL控制器的嵌入架構(gòu)

從圖1可以看出，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠直接或間接連接到i.MX6ULL控制器，經(jīng)過(guò)i.MX6ULL控制器的統(tǒng)一調(diào)度和管理，能夠有效地管理網(wǎng)絡(luò)資源，傳輸技術(shù)的應(yīng)用也使其控制面和數(shù)據(jù)管理面更加靈活，并采用SDN接口加大資源傳輸量和傳輸速度，通過(guò)在控制面部署相應(yīng)模塊從而完成相應(yīng)功能，并可以更改網(wǎng)絡(luò)設(shè)備流表項(xiàng)實(shí)線(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制，無(wú)論是核心網(wǎng)還是其他業(yè)務(wù)流的網(wǎng)絡(luò)資源都通過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的分配和預(yù)留[7]。

1.2 基于傳輸技術(shù)的資源分配

5G網(wǎng)絡(luò)資源的分配定義在所提出的網(wǎng)絡(luò)資源控制架構(gòu)下。其主要目的是在滿(mǎn)足各級(jí)用戶(hù)資源需求的前提下，合理分配業(yè)務(wù)流資源，從而提高資源利用率。本文設(shè)計(jì)的基于傳輸技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)資源分配框架如圖2所示。

圖2 基于傳輸技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)資源分配框架

從圖2可以看出，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源分配和調(diào)度時(shí)，首先通過(guò)SDN接口向控制器發(fā)送資源分配的請(qǐng)求訪(fǎng)問(wèn)，控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源特性進(jìn)行資源分類(lèi)，然后根據(jù)用戶(hù)需求決定資源分配和調(diào)度，根據(jù)資源特征網(wǎng)絡(luò)資源大體可分為連續(xù)大寬帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流資源、離散大寬帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流資源、連續(xù)小寬帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流資源和離散小寬帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流資源，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)資源分類(lèi)

實(shí)現(xiàn)資源分類(lèi)后，在各個(gè)傳輸途徑的中繼設(shè)備上設(shè)置不同等級(jí)的調(diào)度策略，調(diào)度策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行計(jì)算，引入以下幾個(gè)定義。

定義1 到達(dá)函數(shù)。構(gòu)建一個(gè)平穩(wěn)的廣義函數(shù)增長(zhǎng)模型，規(guī)定傳輸時(shí)間t小于1 s，則認(rèn)為傳輸資源量R限定在a數(shù)量?jī)?nèi)，且當(dāng)實(shí)際傳輸時(shí)間T小于1 s，模型構(gòu)建如式(1)：

R(t)-R(t)≤a(T-t)

(1)

若滿(mǎn)足式(1)，則a是R的到達(dá)函數(shù)模型。

定義2 服務(wù)函數(shù)。假設(shè)系統(tǒng)f和經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)的資源流F，進(jìn)入該資源流F的B和輸出資源流b，我們則認(rèn)為F提供了一個(gè)服務(wù)函數(shù)給系統(tǒng)f。

定義3 帶寬計(jì)算。在遵循到達(dá)函數(shù)和服務(wù)函數(shù)的前提下，假設(shè)在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)f的資源流F中存在一個(gè)確定的延時(shí)D，我們定義該延時(shí)帶寬Df的計(jì)算方式如式(2)：

e(Df)=sup{a(f)l(f+D)}

(2)

并根據(jù)傳輸技術(shù)特性和算數(shù)理論可證明，該資源流F的帶寬計(jì)算方式如式(3)：

(3)

2 基于傳輸技術(shù)的資源預(yù)留

無(wú)線(xiàn)空口和核心網(wǎng)作為資源預(yù)留的重要組成部分，其傳輸時(shí)延現(xiàn)象的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了資源業(yè)務(wù)服務(wù)，為減少?gòu)馁Y源端到用戶(hù)終端的時(shí)延現(xiàn)象，本文以傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，采用核心網(wǎng)資源預(yù)留和空口資源預(yù)留2種預(yù)留方法，對(duì)資源端到用戶(hù)終端的業(yè)務(wù)流資源進(jìn)行預(yù)留，在用戶(hù)申請(qǐng)通過(guò)的情況下，可以直接使用預(yù)留資源，能夠有效減少傳輸時(shí)延現(xiàn)象[8-9]。

2.1 核心網(wǎng)資源預(yù)留

完整的核心網(wǎng)資源預(yù)留過(guò)程包括資源注冊(cè)、資源預(yù)留和資源輸出3個(gè)過(guò)程。首先由終端UE向控制器發(fā)送連接請(qǐng)求，在連接通路建立后，由控制器識(shí)別和標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)，終端UE根據(jù)標(biāo)識(shí)和識(shí)別結(jié)果確定需預(yù)留資源；然后采用靜態(tài)資源預(yù)留方法和動(dòng)態(tài)資源預(yù)留方法結(jié)合的預(yù)留方法，在規(guī)定的數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)留相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源；最后根據(jù)用戶(hù)的申請(qǐng)需求輸出預(yù)留資源[10]。核心網(wǎng)的資源分配和資源傳輸流程如圖4所示。

圖4 核心網(wǎng)的資源分配和資源傳輸流程

2.2 空口資源預(yù)留

空口資源的預(yù)留方法與核心網(wǎng)的預(yù)留方法相似，空口資源預(yù)留方法也分為資源注冊(cè)、空口資源預(yù)留和空口資源輸出3個(gè)步驟。

資源注冊(cè)。首先通過(guò)空口終端向BS基站發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，并判斷此資源是否已經(jīng)在基站注冊(cè)過(guò)，若已注冊(cè)過(guò)，可直接跳到下一步，否則需注冊(cè)資源信息。

空口資源預(yù)留。由空口終端向BS基站發(fā)送預(yù)留請(qǐng)求，判斷此類(lèi)資源是否在基站已經(jīng)預(yù)留，若預(yù)留可直接使用，否則將根據(jù)資源的帶寬大小，采用相應(yīng)的帶寬計(jì)算方式預(yù)留與之相應(yīng)的資源，并標(biāo)識(shí)資源和預(yù)留位置。

空口預(yù)留資源的輸出。根據(jù)預(yù)留資源的特有標(biāo)識(shí)和預(yù)留位置，用戶(hù)可隨時(shí)從基站中提取空口預(yù)留資源，并不需向控制器等其他設(shè)備發(fā)送資源申請(qǐng)請(qǐng)求。

3 實(shí)驗(yàn)與研究

經(jīng)過(guò)上述應(yīng)用研究分析，為有效驗(yàn)證本文5G通信中傳輸技術(shù)的應(yīng)用對(duì)5G通信技術(shù)的影響效果，將本文應(yīng)用研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)技術(shù)在5G通信中的應(yīng)用研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，并設(shè)置實(shí)驗(yàn)對(duì)比檢驗(yàn)指標(biāo)：

(1) 通信過(guò)程中可承載的超實(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)量；

(2) 預(yù)留平均時(shí)延。

本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬資源選擇空間，確保仿真環(huán)境的幀數(shù)為10 ms，設(shè)置相同數(shù)量的子幀數(shù)據(jù)，將終端的數(shù)量控制在0至220之間，利用內(nèi)部等量的子幀數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)檢驗(yàn)子幀數(shù)據(jù)內(nèi)部的矛盾數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整矛盾數(shù)據(jù)狀態(tài)，并管理內(nèi)部傳輸空間，匹配相應(yīng)的外部數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，并設(shè)置實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)表，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)1

根據(jù)表1模擬外側(cè)數(shù)據(jù)傳輸通道數(shù)據(jù)，并隨機(jī)分配傳輸操作任務(wù)，設(shè)置子幀操作時(shí)間間隔為1 ms，在內(nèi)部基站添加子幀數(shù)據(jù)，控制子幀數(shù)據(jù)處于系統(tǒng)傳輸平衡狀態(tài)。同時(shí)調(diào)試實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模擬如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模擬圖

根據(jù)圖5實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景緩解內(nèi)部終端操作壓力，并按照內(nèi)部操作方式簡(jiǎn)化傳輸步驟，降低實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的困難程度。

一個(gè)子幀內(nèi)部的多個(gè)用戶(hù)同時(shí)發(fā)出相同的傳輸指令，需對(duì)5G通信中的傳輸系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，防止傳輸數(shù)據(jù)的外泄。由于子幀在操作過(guò)程中將產(chǎn)生數(shù)據(jù)排斥現(xiàn)象，需不斷調(diào)節(jié)子幀狀態(tài)，檢驗(yàn)子幀傳輸次數(shù)是否超出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。設(shè)置此時(shí)的傳輸幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。

在圖6中，將子幀內(nèi)容數(shù)據(jù)保留至關(guān)聯(lián)終端，管理5G通信通道中的數(shù)據(jù)流狀態(tài)。標(biāo)定預(yù)留數(shù)據(jù)數(shù)量，控制數(shù)據(jù)數(shù)量處于一定的可操作范圍內(nèi)，由此確保內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)的平衡。檢驗(yàn)此時(shí)的通信用戶(hù)狀況，將通信過(guò)程中可承載的超實(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)量錄入實(shí)驗(yàn)對(duì)比系統(tǒng)中等待實(shí)驗(yàn)對(duì)比操作，并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)對(duì)比，如圖7所示。

圖6 傳輸幀結(jié)構(gòu)圖

圖7 實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

從圖7可以看出，本文5G通信中傳輸技術(shù)的應(yīng)用的可承載超實(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)量均多于其他2種傳統(tǒng)應(yīng)用研究，通信效果最優(yōu)；傳統(tǒng)5G通信中的智能天線(xiàn)的應(yīng)用的可承載超實(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)量較多，通信效果較好；傳統(tǒng)5G通信中的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的應(yīng)用的可承載超實(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)量較少，通信效果較差。由于本文在研究過(guò)程中利用傳輸技術(shù)溝通通信通道，快速傳輸通信數(shù)據(jù)，方便用戶(hù)通信與使用，同時(shí)配置保護(hù)裝置，確保用戶(hù)信息時(shí)刻處于安全狀態(tài)。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)審核內(nèi)部數(shù)據(jù)，并按照通信標(biāo)準(zhǔn)管理通信信息，具有良好的通信性能，可強(qiáng)化用戶(hù)的承載力，可承載的超實(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)量較多，通信效果良好。傳統(tǒng)5G通信中的智能天線(xiàn)的應(yīng)用利用智能天線(xiàn)增強(qiáng)5G信號(hào)的覆蓋范圍，擴(kuò)展通信的傳輸通道，增強(qiáng)信號(hào)障礙物的穿透能力。增強(qiáng)信號(hào)的頻譜復(fù)用率，并不斷轉(zhuǎn)化外部交流空間，提高用戶(hù)的使用效率，增加可承載的超實(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)量，通信效果較優(yōu)。傳統(tǒng)5G通信中的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的應(yīng)用雖利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)整合通信信息數(shù)據(jù)，但在操作過(guò)程中存在通信數(shù)據(jù)偏離問(wèn)題，對(duì)于內(nèi)部數(shù)據(jù)的操控力度較小，無(wú)法達(dá)到通信的標(biāo)準(zhǔn)需求，且基站建設(shè)消耗較大，導(dǎo)致其可承載的超實(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)量較少，通信效果較差。

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)本文應(yīng)用研究進(jìn)行二次性能檢驗(yàn)操作，利用終端注冊(cè)用戶(hù)信息，并降低數(shù)據(jù)通信的重復(fù)率，避免因數(shù)據(jù)重復(fù)導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)操作失誤，及時(shí)調(diào)整內(nèi)部通信管理信息，根據(jù)信息基礎(chǔ)設(shè)置實(shí)驗(yàn)研究參數(shù)。

利用表1參數(shù)結(jié)合模擬場(chǎng)景分析中心通信通道，將終端數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)于內(nèi)部控制空間中等待實(shí)驗(yàn)控制操作。下達(dá)傳輸信令，管理信令內(nèi)容，并轉(zhuǎn)變信令傳達(dá)方式，設(shè)置信令傳達(dá)，如圖8所示。

圖8 傳輸信令傳達(dá)圖

在完成信令傳達(dá)后，將接收信令管理的數(shù)據(jù)傳輸至實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)部，選用相應(yīng)的傳輸結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比通信過(guò)程中的預(yù)留平均時(shí)延，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表如表2～表4所示。

表2 本文應(yīng)用研究預(yù)留平均時(shí)延結(jié)果

表3 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化應(yīng)用研究預(yù)留平均時(shí)延結(jié)果

表4 傳統(tǒng)智能天線(xiàn)應(yīng)用研究預(yù)留平均時(shí)延結(jié)果

根據(jù)表2～表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，傳統(tǒng)5G通信中的智能天線(xiàn)的應(yīng)用方法的預(yù)留平均時(shí)延較長(zhǎng)，傳統(tǒng)5G通信中的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的應(yīng)用方法的預(yù)留平均時(shí)延略小于智能天線(xiàn)的應(yīng)用方法，而本文5G通信中傳輸技術(shù)的應(yīng)用方法的預(yù)留平均時(shí)延均明顯短于另2種方法。

造成此種差異的原因在于本文應(yīng)用研究管理了不同狀態(tài)的通信數(shù)據(jù)信息，在數(shù)據(jù)信息通信傳輸?shù)耐瑫r(shí)，整合相應(yīng)的數(shù)據(jù)狀態(tài)，并強(qiáng)化內(nèi)部數(shù)據(jù)管理操作；增強(qiáng)了通信的防御性能，防止外界干擾信號(hào)的侵入，具有良好的可操作性，保證內(nèi)部數(shù)據(jù)的安全；獲取的通信數(shù)據(jù)預(yù)留平均時(shí)延較短。傳統(tǒng)5G通信中的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的應(yīng)用利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接功能調(diào)整通信的信號(hào)頻率，強(qiáng)化數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸性能，增加傳輸方式，提升數(shù)據(jù)通信的效率，縮短預(yù)留平均時(shí)延。傳統(tǒng)5G通信中的智能天線(xiàn)的應(yīng)用雖擴(kuò)展了5G通信的信號(hào)覆蓋面，但在操作過(guò)程中對(duì)于信號(hào)的監(jiān)管力度較小，部分隱藏?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)控性能較弱，產(chǎn)生了部分?jǐn)?shù)據(jù)流失現(xiàn)象，導(dǎo)致其最終的預(yù)留平均時(shí)延較長(zhǎng)。

4 總結(jié)

5G通信中傳輸技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)速度有重要意義。本文針對(duì)5G通信進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，應(yīng)用傳輸技術(shù)后5G通信具有較強(qiáng)的通信性能，可在不同的環(huán)境下進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)通信，提高通信速率，方便用戶(hù)使用，具有較為廣闊的發(fā)展空間。