基于可靠性約束的5G 通信

尹建平，王 聰

（1.中國電信股份有限公司重慶分公司，重慶 401121；2.中通服咨詢設計研究院有限公司，重慶 401121）

0 引 言

作為5G 中一種十分重要的通信技術，設備到設備（Device to Device，D2D）通信技術在5G 通信頻段中包含3 種通信模式，即復用模式、專用模式以及蜂窩模式。為在專用模式中有效實現自適應選擇，需要采用專用通道完成通信功能。基于以往研究，技術人員將研究重點放在通信模式和全緩沖流量模型環節，很少關注5G 通信頻段的自適應選擇，造成5G 用戶無法在5G 通信頻段內通過專用信道通信，降低了資源利用效率，且不同模式下的信噪比不穩定，降低了頻譜利用率[2]。因此，本文提出基于可靠性約束的5G 通信頻段自適應選擇，以期能夠改善5G 通信網絡通信實驗與信號吞吐問題。

1 5G 通信頻段數學模型的創建

5G 用戶依照通信頻段的通信狀態，創建5G 通信頻段的數學模型，即5G 通信網絡創建于二維平面，通過有向連通圖對5G 通信網絡拓撲結構進行描述，公式為

式中：V為5G 通信節點集合；G為5G 通信網絡拓撲結構；K為5G 通信網絡頻段集合。

將5G 通信信號輸出節點設為x1，輸入節點設為x2，在2 節點同時使用相同頻段傳輸業務的情況下，必須滿足條件

式中：uw為通信信號發射功率；a為5G 通信信號干噪聲比；N為通信噪聲功率；ue為x2節點發射功率；i則為通信節點數量。必須符合式（2）的條件，x2才會接收x1的通信內容。

通信信號功率很容易受通信距離限制。也就是說，通信信號功率會由于通信距離的延長而衰竭。計算通信衰減系數的公式為

式中：ε為通信信號功率的衰減系數；a為參數；d為通信距離。a=2 時，為雙徑地面反射模型；a=4 時，為自由空間傳播模型[3]。

5G 通信頻段自適應選擇時，選擇依據主要為通信信號發射功率。5G 通信頻段模型中，信號節點發射功率由其接收功率決定，可描述通信信號接收功率為

式中：up(x1,x2)為5G 通信接收功率；F為x1到x2的通信頻段增益，一般為常數，包括天線增益、有效頻段增益以及干擾頻段增益[4]。

2 創設可靠性約束條件

在5G 通信網絡拓撲與可靠性要求相符合的前提下，綜合頻段干擾狀態自適應選擇通信頻段[5]。假設可靠性約束條件，對5G 通信頻段自適應選擇進行約束，可靠性約束條件為

式中：Os(x1,x2)為5G 通信頻段內i、j節點的拓撲可靠性歸一值；Wi,j(max)為5G 通信網絡聯通狀態下，頻段內i與j節點不相交路徑數；Wi,j為5G 通信頻段內i和j節點不相交路徑數。通過約束條件，對其頻段拓撲結構進行可靠性約束，還要約束5G 通信網絡拓撲結構，公式為

式中：A(x)為5G 通信網絡頻段拓撲可靠性值；H(s)為5G 通信頻段2 個節點路徑跳數值；e為5G 通信頻段跳數約束最大值。

3 5G 通信頻段自適應選擇

設5G 用戶選擇上行鏈路通信，通過網絡基站對5G 用戶與D2D 用戶進行資源分配，采用D2D 通信模式，將節點i發送到網絡接收端，該過程受節點j影響。選擇可靠性約束技術對節點i突發流量模型進行構建，計算公式為

式中：hi,j為節點i的傳輸功率；Pi為加性高斯白噪聲。為縮減端到端時延，必須進一步提升通信頻段的傳輸速率，縮減通信發送功率的時延Tj，上行鏈路的通信信道為Xk,n。在Xk,n=0 的情況下，采用D2D 用戶通信頻段，如果移動網絡基站對D2D 用戶的第n個端到端延遲進行計算，通信模式可采用服用模式。

在D2D 用戶占用專用通信頻段的情況下，D2D用戶j會對蜂窩模式下的5G 用戶產生影響，所以5G用戶具有較高的端到端延遲。為縮減5G 用戶端到端延遲，有必要加大D2D 用戶端到端延遲。基于該情況，D2D 用戶可通過專用模式通信，此時移動網絡基站會獲得5G 用戶端到端時延，縮減D2D 用戶端到端時延。該情況下的移動網絡基站可自適應選擇5G 用戶n模式。圖1 為5G 通信頻段自適應選擇流程。

圖1 5G 通信頻段自適應選擇流程

4 實驗研究

4.1 實驗準備

為檢驗基于可靠性約束的5G 通信頻段自適應選擇可行性和可靠性，將某5G 通信網絡作為對象。這一網絡主要由8 根天線和1 個基站組成。基站和信號接收終端路損為154.46 dB，信號接收終端的路損為186.36 dB。2 個用戶節點直接通信數量為14 對、寬帶為148 kHz 時，使用設計技術對5G 通信頻段進行自適應選擇。為了確保實驗數據和實驗結果的可靠性和解釋性，比較基于強化學習（記為傳統技術1）和基于深度學習（記為傳統技術2）2 種常規技術，并進行一組比較實驗。建立5G 通信頻帶的數學模型，設置通信頻帶的總體可靠性衡量數值為5，自適應算法的迭代數為200，并隨機選取5 個5G 通信樣本，對其進行詳細的頻帶自適應選擇，見表1。

表1 5G 通信頻段自適應選擇

分析表1 可知，設計技術所選頻段干擾大多不超過-100 dBm/Hz，且可靠度都在5 以上，可見設計技術能夠達到5G 通信頻段自適應選擇目標。

4.2 實驗結果和討論

該實驗采用5G 通信網絡的吞吐率評定3 種技術的性能。5G 通信網絡的吞吐能力能夠體現5G 通信網絡的吞吐能力。當對通信頻率進行適應性調整時，它的吞吐率會更高。5G 通信網的吞吐量能力愈強，其對通信波帶的適應性愈佳。將5G 通信網絡節點數目作為一個變量，從50 個節點數目起，利用電子表格，統計節點數目為50 ～140 個時3 種技術應用下5G 通信網絡的吞吐量，如表2 所示。通過分析可以看出，在設計方法應用下，5G 通信網絡的吞吐量比較高。盡管3 種技術應用下5G 通信網絡的吞吐量都會隨著網絡節點數目的增加而增加，但設計方法的吞吐量增長所占比重很大。在網絡節點數目為140 個時，5G 通信網絡的吞吐量能夠達到896.65 b/s。但是，在2 種傳統技術的應用下，5G 通信網絡吞吐量會出現輕微增加。在網絡節點數量達到140 個時，傳統技術1 應用下的5G 通信網絡吞吐量只有286.41 b/s，傳統技術2 應用下的5G 通信網絡吞吐量只有247.51 b/s，比設計技術要低很多。這表明在設計技術應用下，5G 通信網絡吞吐性能可以得到有效改善，所選擇的通信頻段比較合理。

表2 不同技術下的5G 通信網絡吞吐量比較

為進一步驗證設計的實用性，比較3 種技術的5G 通信時延。實驗變量為通信流量，通過GHFA 軟件對不同流量下的5G 通信時延進行測算，依照記錄的實驗數據，繪制3 種技術的通信時延比較結果，見圖2。

圖2 3 種技術下的通信實驗對比

分析圖2 可知，設計技術應用下，5G 通信時延相對較短。盡管在3 種技術應用下5G 的通信時延都會隨著網絡流量的增大而持續增長，但設計技術的網絡時延增長所占比重較低。當通信流量為12 000 Byte 時，5G 的網絡時延為1.24 ms，因此可以將網絡時延控制在2 ms 之內。但是，2 種常規技術的通信時延會因為通信流量的增大而顯著增加，在通信流量為12 000 Byte 時，常規技術1 和常規技術2的通信時延分別為4.12 ms 和4.38 ms，比設計技術的通信時延大得多。此次實驗表明，與2 種傳統技術相比，設計技術更適于5G 通信頻帶自適應選擇。

5 結 論

5G 通信網絡運營過程中，通信頻段選擇是不可或缺的步驟。以有關文獻資料為依據，針對目前5G通信頻段自適應選擇技術存在的缺點和不足，考慮可靠性約束因素，提出一種新技術，并用實驗驗證了技術的可行性和可靠性。結果顯示，5G 網絡的傳輸速率和吞吐能力得到了極大提升，達到了對現有技術的優化與創新目的。本次實驗的開展將為5G 網絡中帶寬的自動選取奠定基礎，提升5G 網絡中帶寬的自動選取技術水平，具有較強的學術意義和實際應用價值。