基于最小流量的寬帶電子設備通信容量分配算法設計?

唐婧壹，唐 杰

(1.山西機電職業技術學院信息工程系，山西 長治 046011；2.吉林大學通信工程學院，吉林 長春 130026)

寬帶電子通信設備大部分處于比較復雜的環境中，復雜環境的多變性會影響通信性能。為了有效克服這一問題，需要在無線鏈路中合理分配通信容量，可在傳輸信息過程中，提高傳輸效率，準確地均衡分配信道負載，具有十分重要的研究意義[1－2]。國內外相關專家針對該方面的內容展開了大量研究，例如魏勇等[3]主要利用拓展的動態故障構建系統模型，同時引入序貫蒙特卡洛方法對系統的通信容量展開計算處理，分配網絡資源。Ahani 等[4]將時間離散成時間碎片，將截止時間作為約束條件，限制通信數據流的調度，以此實現離散容量分配。馬瀟瀟等[5]優先分析目前連續數據通信的主要實現方式，分別采用不同的測試集對各個方式的通信性能展開詳細的分析研究，進而獲取最終的通信容量計算結果，合理分配網絡資源。

在以上幾種方法的基礎上，本文設計并提出一種基于最小流量分配算法的寬帶電子通信容量分配方法。仿真分析結果表明，這種方法能夠有效減少誤包率以及處理時延，獲取更加滿意的通信容量分配結果。

1 方法設計

1.1 寬帶電子通信容量計算

在合理分配容量之前，需要計算通信容量。以最小流量為約束，即各通信信道中流量保持最小，通信信道數量最大，從而擴大了整體的通信容量，避免少數的通信信道擁塞，但在通信容量計算時，通常是僅考慮了當前通信情況，而未對通信信道狀態進行自適應調節，且考慮到信道仍具有可擴展的特性，因此，引入多模自適應通信終端控制技術，自適應控制以及擴頻處理通信信道，從而更為準確地評估出通信容量，為后續容量分配提供數據基礎。

將帶寬電子通信數據轉換為數量一致的并行數據流，將全部數據經過一系列調制以及映射處理之后直接傳輸到接收模板上；再次展開轉換以及映射處理，獲取系統發射端和接收端的映射關系。其中，對應的信道模型可以表示為:

式中:y代表信道模型；n代表高斯噪聲矢量；H代表信道矩陣，對應的表達形式如下:

信道矩陣中的元素hi，j主要用來描述不同信道的直流增益變化情況，通過式(3)可以計算兩個不同端點之間的信道增益:

式中:代表光電裝置的接收面積；代表發射端到接收端的面積；?ijk代表輻射角度；φijk代表光照強度；I代表接收端的入射角。

如果事先已知發射端和接收端的信道信息，則可以將寬帶電子通信信道轉換為多個獨立并行的單輸入輸出信道分析處理。

針對隨機一個信道矩陣而言，均可以采用奇異值分解處理，具體的表達式如下:

式中:U代表矩陣內的元素類型；D代表對角矩陣；V代表帶寬取值范圍。

其中各個天線對應的發射功率Gxx可以表示為以下形式:

寬帶電子通信信道容量J的具體計算公式為:

式中:Blog 代表通信信道狀態信息；INx代表發射能量；σ代表信道矩陣對應的秩。由于全部為線性變化，所以在接收信號以及發射信號的過程中系統統計特征并沒有發生明顯的變化。

經過上述分析，需要接入已經構建完成的信道模型[6－7]，同時引入邊緣計算方法，以計算結果為依據建立多通道自動切換模型，具體的組成結構如圖1所示。

圖1 多通道自動切換模型

在上述操作的基礎上，通過多模自適應通信終端控制技術對接入網展開自適應控制以及擴頻處理，進而構建寬帶電子通信容量計算模型。優先通過信道多徑擴展方法[8－9]對通信接入網的信道容量計算處理，進而獲取對應的信道參數測量模型Eri(t)，如式(7)所示:

式中:E(t)代表接入網信號的模糊度函數。通過通信容量的波特轉換調節方法對寬帶電子通信的去中心化信道參數展開自適應計算，進而獲取信道的調制輸出M(t)，如式(8)所示:

式中:q(t)代表網絡中斷自適應項。以信道容量的閾值判決函數為依據，通過矢量正交頻分復用方法對BPSK 進行調制處理，進而構建寬帶電子通信容量計算模型，通過模型獲取通信容量計算表達式:

式中:c(t)代表寬帶電子通信容量計算結果。

1.2 信道流量估計下容量分配

由于網絡空間比較復雜，各個網絡之間存在明顯的差異，為準確評估出網絡通信流量，在計算出通信容量的基礎上，主要通過圖論實現[10－11]，為了估計帶寬電子通信信道最小流量，需要引入有向圖，將信道通信流量模擬為帶有交叉口的隊列，通過有向圖解決了時隙交換隊列的查找問題，減少了等待時間，從而使流量快速通過信道，實現最小流量。設定有向圖為G＝(V，E)，V為全部網絡節點的集合；E為鄰接節點之間通信鏈路的集合。鏈路集合可以表示為式(10)的形式:

式中:h＝(u，v)代表鏈路；u和v代表兩個不同的節點；H(u)代表節點u上已知的鏈路集合總數；H0(u)和Hi(u)分別代表節點u上的輸出和輸入鏈路集合。

設備中的節點可以同時采用多條信道展開通信處理，所以在給定設備結構以及節點通信容量的基礎上，需要將各個信道的流量合理估計[12－13]，進而達到數據平均傳輸時延最小的目的。輸入通道對應的概率方差G計算式如下:

式中:hx，y，d代表輸入通信緩沖區為滿的概率；～h代表通道內的數據包總數；R代表節點通道總數。

以最小流量為最低限定條件，在給定信道容量下寬帶電子通信信道流量傳輸通道配置過程可以表示為:

①已有網絡結構、使用的路由算法以及各個節點之間的通信流量。

②設定約束條件以及資源總數。

③設定目標函數。

分析排隊理論可知，路由節點分別由四個方向的輸入通道組成，以此為依據構建的隊列模型可以表示為圖2 的形式。

圖2 路由節點隊列模型

結合排隊論模型，可以獲取以下形式的計算式:

式中:fx，y，E代表目標通信范圍的使用效率；rx，y，E代表通信信道的總長度；βx，y，E代表通信信道內數據包的傳輸速率。

其中，通信信道的數據包到達率?x，y，E可以表示為式(13)的形式:

式中:αx，y，E代表通信信道數據發送成功的概率；κx，y，E代表路由函數。

結合相關理論分析可知，從E方向傳輸進來的數據分別可以轉發至多個不同的方向，并且還有對應的節點服務。其中隊列等待時間主要是利用下游緩沖區所提供的服務率獲取的，通過式(14)給出服務率的計算式:

從通道(x，y，E)的角度考慮，可以獲取數據包在隊列的等待時間Wx，y－1，E，具體的計算式為:

在上述分析的基礎上，確定了通信數據流量的傳輸節點。在此基礎上，估算網絡通信節點中各個輸入通道的負載大小，同時引入模擬退火算法[14－15]完成容量分配處理，詳細的操作步驟如下所示:

①設定初始數據以及初始解空間，通過各個通信信道的緩沖區長度組建三維數據[16－18]，且數據中的各個數據都是隨機產生的。

②形成全新的解空間。

③計算增量，假設獲取的增量小于0，則此新解控制為當前解；反之，則通過概率接受解空間將其作為全新的解。

④判斷算法是否滿足終止條件，假設滿足，則直接輸出最優寬帶電子通信信道容量分配方案；反之，則返回步驟②重新操作。

2 仿真結果與分析

2.1 參數設置

系統在TinyOS2.02 進行編程實現，TinyOS 使用Linux 系統平臺。本文采用Tinyos 平臺，此平臺在虛擬機上安裝實現。平臺界面及編程界面如圖3 所示。

圖3 TinyOS 平臺界面及編程界面

表1 給出具體的仿真參數和取值范圍。

表1 參數以及取值

設置通信環境為單蜂窩小區，V＝[5，10]MHz，U＝6，R＝8。

2.2 分配功能測試

通過圖4 可以看出，在設備未完成容量合理分配之前，流量產生了明顯的堆積，需要依靠時間機制，不斷地消化堆積的容量。采用本文方法進行容量合理分配后的結果，如圖5 所示。

圖4 未完成容量分配前的設備流量模擬

圖5 采用容量分配后的流量結果

通過圖5 可以看出，通過本文方法進行容量合理分配后，信道資源得到了充分的利用，不再出現流量堆積的情況，說明本文方法有效。

2.3 仿真結果分析

2.3.1 信道總容量

當總用戶恒定的情況下，隨著接入通信網絡的用戶數量的增加，通信設備信道總容量隨著接入用戶數的變化情況如圖6 所示。分析圖6 可知，隨著接入用戶數量的增多，通信設備信道總容量也在不斷上升。所提方法的總容量保持較高，且最接近標準值。其中，標準值是利用計算機經過大量的計算，遍歷所有的分配情況得到的最優值。而文獻[3]和文獻[4]方法對信道容量的分配不足，難以利用足夠的節點進行通信流量傳輸。這是因為所提方法以路由節點流量最小為目標，同時注重節點公平性，分配的節點通信容量總值較大，可以有效避免流量堆積。

圖6 不同方法的總容量結果對比

2.3.2 帶寬利用率

以帶寬利用率為指標，帶寬利用率越高，使用的通信節點數量越多，則通信容量越高，通信效率越好。設置用戶數恒定為80，持續向通信網絡傳輸流量，對比不同方法下的帶寬利用率，結果如圖7所示。

圖7 不同方法的帶寬利用率結果對比

分析圖7 可知，采用所提方法進行通信容量分配時，通信網絡中的帶寬利用率高達82%，而文獻[3]和文獻[4]方法的帶寬利用率最高僅為63%和49%。表明所提方法通過對節點流量的準確估算，可以選擇多條傳輸鏈路，均衡地分配通信容量，提高通信網絡利用率。

2.3.3 響應時間

在上述分析的基礎上，選取響應時間作為測試結果，分析不同用戶的通信容量分配響應時間情況，詳細的測試結果如圖8 所示。

圖8 不同方法的響應時間結果對比

當用戶節點發射功率較高時，表示單位時間內發送的通信流量較大，不同方法的響應時間隨著用戶發射功率的增高而增多。但是與另外兩種方法相比，所提方法的響應時間明顯更低一些，主要是因為所提方法在計算通信容量的過程中，加入了最小流量分配算法，由于在電子通信流量中存在大量的信道，且容量計算過程復雜且多變，各種干擾因素也經常存在，通過流量分配處理可以有效均衡各個通信信道的容量，進而簡化計算過程，促使獲取計算結果的過程更加快速，相應的響應時間也會得到明顯降低，可以以更快的速度完成計算工作。

3 結束語

針對傳統通信容量計算方法存在的不足，設計并提出一種基于最小流量的寬帶電子設備通信容量分配方法。仿真分析結果表明，所提方法可以有效分配通信容量，提高帶寬利用率，減少響應時間，獲取更加滿意的計算結果。

由于研究時間有限，所提方法現階段仍然存在一定的不足和缺陷，后續將對其展開更加深入的研究，全面提升所提方法整體的優越性和有效性。