基于MEC 的移動通信網絡傳輸信號增強方法

張潔

（中國移動通信集團云南有限公司，云南昆明 650228）

由于核心網關在服務需求量增加時，會給移動通信網絡和回傳鏈路造成壓力，降低終端用戶的使用感受，因此需要提高網絡傳輸能力，增強移動通信網絡傳輸信號。對此，文獻[1]提出基于密度聚類分析法的網絡微弱信號強化方案，但該方案花銷大，在經濟方面不符合我國用戶的要求。文獻[2]提出基于復值神經網絡的信號增強方法，但采用的神經網絡對移動通信系統會產生破壞，不適用于移動通信網絡的增強。為彌補傳統方法的不足，該文提出基于MEC 的移動通信網絡傳輸信號增強方法。

1 移動通信網絡傳輸信號分流

1.1 邊緣節點尋址

為實現對移動通信網絡傳輸信號的增強，需要尋找到邊緣節點的位置，用戶發送的內容請求可通過MEC 平臺中設置的規則直接分流至本地邊緣節點進行處理。邊緣節點的尋址可由式（1）表示：

其中，C為邊緣節點位置；x為本地邊緣節點數量；u為數據信息流大小；a為用戶請求數據。具體邊緣節點尋址步驟為：

第一步：在MEC 平臺中寫入自身地址，由平臺調度中心根據位置確定用戶位置。建立坐標軸，用戶距離中心點距離計算公式如式（2）所示：

其中，? 表示得到的用戶距離；x、y、z表示在x、y、z軸的坐標點。向系統報文中嵌入自己的接口位置信息或標識符、調度節點的地址、位置拓撲信息，進行節點配對并通過地址確定節點的所在位置。

第二步：通過區域調度與網絡地址交換轉換為地址段，調度中心根據用戶位置確定了用戶所在地，從本地分流至指定地址段，再將請求發送給調度中心，由調度中心管理轉換后的終端地址段、位置拓撲。

第三步：利用MEC 系統的DNS 域名系統服務，直接為用戶返回本地節點位置，用戶將發出的DNS申請發送給MEC 平臺內部DNS 服務，內部DNS 服務把本地節點的地址回復到端口，完成邊緣節點尋址[3-6]。

1.2 傳輸信號本地分流

在邊緣節點的尋址過程中，需要本地分流。在基于MEC 的本地分流中，通過平臺接口設置會話錨點，建立數據流過濾機制，實現對本地邊界數據流的識別與分配，信息識別過程如式（3）所示：

其中，?表示信息識別結果；n表示信息總數據；j表示信號樣本對應的符號；i表示得到的信號特征點；Aj表示聚類中心；Bi表示數據簇。

根據式（3）對本地邊界數據系統進行有效連接，完成對本地業務與應用內容的有效使用，并按照數據流過濾機制進行業務分流。分流過程如圖1所示。

圖1 信號分流過程

根據圖1 的信號分流過程在MEC 平臺的管理系統中建立數據監控的網絡接口，接入會話錨點系統。錨點分支點負責通過各種類型的前綴將各種類型的上游數據流分流至各個類型的人機會話錨點[7-8]，其過程如式（4）所示：

其中，E表示人機會話錨點數據流；f表示錨點數量；i表示網絡接口數量。MEC 平臺操控系統可根據從核心網得到的本地網絡消息和應用自身地址等消息，對本土應用的邊界節點進行訪問，完成移動通信網絡傳輸信號本地分流。

2 移動通信網絡傳輸信號增強

2.1 信號初始速率判定

標準的MEC 引入了慢啟動機制，所以必須對移動互聯網傳播信息的起始速度作出判斷。在多傳感器信息傳輸中，因為主、被動端的運動姿態實時發生變化，傳感器信息可以在到達最優的預測傳輸速率以前開始變化，慢啟動機制不會在短的通信時段內迅速地判斷正確網絡帶寬[9-10]。帶寬計算公式如下所示：

其中，T表示得到的帶寬結果，ki表示隨機閾值。為增加端與端之間的數據吞吐量，所有有線源節點都必須在正確網絡連接成立后，就選擇最優預期的速率進行信息傳遞，必須充分利用所有可用的無線寬帶，并選取一個適當的發送窗口建立無線連接，但同時發送窗口上所確定的傳輸速率也不能超過整個傳輸鏈路上的使用傳輸速度。同時應該防止窗口過大而使發送端的速率變化過快造成阻塞，使整個網絡系統的性能大大降低。

信號初始速率的判定由起始窗口決定，通過源節點層的數據信息傳遞，MEC 轉發端及時調整動態調節數據信息包的轉發頻率，以便接近無線網絡的有效寬度。MEC 可以通過四次握手方式傳輸一次數據包，由式（6）所示：

其中，V表示通信信號傳輸速率；N表示傳輸次數；t1、t2、t3、t4分別表示傳輸通信信號、接收通信信號、發送數據、輸入源節點這四個過程的時間。信號輸入過程如圖2 所示。

圖2 信號輸入過程

通過上述過程即可從MEC 平臺估計可用的無線帶寬，將無線帶寬接入傳輸層中并反饋源節點，源節點根據收到反饋信號設定相應的初始速率。

2.2 信號增強

設定初始速率后，利用MEC 平臺調整信號傳輸中的移動通信網絡信息流傳輸速率對移動通信網絡傳輸信號進行增強[11-13]。通過MEC 平臺將信息反饋至發送端時，建立傳輸速率調整機制。由于無線信道的容量隨時間而不斷發生變化，包括信道條件、噪音以及干擾等因素也將改變移動通信網絡層的吞吐量，因此MEC 源結點在此時必須減慢其傳輸速度，以防止在通過瓶頸結點時產生擁堵，從而增加了信道數據的使用率。

對于移動通信網絡信息流數量M的確認，根據由前一段移動通信網絡鏈接數量的變化來確認，如式（7）所示：

無線鏈路上可用帶寬的確定可由式（8）得到：

其中，T表示總帶寬數量；A表示無效傳輸次數。

消耗帶寬的確定：在MEC 瓶頸節點處，由于移動通信網絡信息流的帶寬和其他數據流使用同一個帶寬，因此將移動通信網絡信息流的消耗帶寬標記，即為消耗帶寬的數量。在超過了無線網絡服務范圍內的端到端數據流完成傳輸之后，MEC 源節點利用所得到信息就能夠合理地進行速率調節[14-15]。由于動態通信環境變化也可以引起帶寬改變，較小的數據包碰撞可能會提高線路吞吐量，從而產生空緩沖區，所以，需要對運輸層速度做出改變，以充分利用無線信道空間。

通過上述方式完成了對移動通信網絡傳輸信號的增強，并大幅縮短了移動通信網絡傳輸信號增強所需要的期限。

2.3 信號緩存與調度

傳輸信號的緩存與調度可有效改善邊緣節點的信息狀態和承載狀態，防止傳輸信號增強后，移動通信網絡短時間無法適應快速增長的信息流[16]。該文基于MEC 的移動通信網絡采用智能緩存技術，中心節點儲存所有信息流，邊緣節點利用MEC 平臺提供的計算能力統計信息流，對信息流數據傳輸度高的進行緩存，確保傳輸內容命中率的同時充分利用邊緣節點的儲存資源。儲存資源的計算如式（9）所示：

其中，Q表示得到的儲存資源數量；?表示樣本抽中的概率；D表示儲存范圍。智能調度中心能夠即時監測邊緣節點的負荷情況，通過傳輸地址、位置IP 以及事先分配的負載均衡方案，將用戶申請分配到具備良好上網條件的邊緣節點，通過對傳輸信號的緩存與調度有效降低了在瓶頸節點數據信息擁堵的危險。

3 實驗研究

為了驗證該文提出的基于MEC 的移動通信網絡傳輸信號增強方法的實際應用效果，選用有線連接的方式將主控計算機與無線路由連接，設定鏈路帶寬為200 Mb，延時時間為2 ms，工作電壓為220 V，工作電流為150 A。實驗環境如圖3 所示。

設定主控計算機操控信息，通過網絡連接電源模塊和處理模塊，主動測量傳感器和被動測量傳感器連接數據點。選用稠密度聚類信號增強技術，基于復值卷積神經網絡樣本精選的信號增強方法作為對比實驗組。以通信網絡的TCP 作為實驗對象，隨機抽取10 條TCP 數據流分析吞吐量，得到的實驗結果如圖4 所示。

圖4 吞吐量實驗結果

根據圖4 可知，該文提出的增強方法吞吐量明顯高于傳統方法，該文提出的通信信號增強方法吞吐量始終在140 包/s 以上，而傳統的復值卷積神經網絡增強方法的通信效果最差，吞吐量始終低于90包/s。因此在增強傳輸信號過程中，該文提出的方法能夠更好地利用無線帶寬，調整傳輸速率，確保信號所經過的信道內部資源能夠得到很好的利用。

在確定數據的吞吐量后，分析數據丟包率，計算公式如下：

其中，P表示得到的數據丟包率；C表示丟包信息量；L表示全部的數據信息量。分析丟包率得到的實驗結果如圖5 所示。

圖5 丟包率實驗結果

根據圖5 可知，該文方法在傳輸過程中丟包率低于傳統方法，始終在0.20 以下。復值卷積神經網絡的丟包率在0.60～0.80 之間，稠密度聚類的丟包率在0.75～0.95 之間。由此可以證明該文提出的增強方法具有更好的實際操作性。

計算通過增強方法處理后的傳輸信號延時時間，得到的延時時間實驗結果如表1 所示。

表1 延時時間實驗結果

根據表1 可知，抽取的不同數據流對應的傳輸延時時間不同，該文方法傳輸延時時間始終低于0.010 s，信號傳輸過程的實時性能夠得到很好的保障。而傳統的兩種增強方法在增強過程中耗費了大量時間，導致傳輸時間過長，信號的實時性難以得到有效保障。

4 結束語

傳輸信號增強對于確保信息正常通信有重要意義。該文提出了一種基于MEC 的移動通信網絡傳輸信號增強方法，通過使用MEC 平臺對移動通信網絡傳輸信號進行邊緣尋址。利用本地分流完成尋址，作為對移動通信網絡傳輸信號增強的基礎，對初始速率進行判斷。調整信號傳輸中的移動通信網絡信息流傳輸速率對移動通信網絡傳輸信號進行增強。實驗結果表明，該文提出的增強方法能提升傳輸信號的緩存與調度能力。