基于最小流量的宽带电子设备通信容量分配算法设计∗

唐婧壹，唐 杰

(1.山西机电职业技术学院信息工程系，山西 长治 046011；2.吉林大学通信工程学院，吉林 长春 130026)

宽带电子通信设备大部分处于比较复杂的环境中，复杂环境的多变性会影响通信性能。为了有效克服这一问题，需要在无线链路中合理分配通信容量，可在传输信息过程中，提高传输效率，准确地均衡分配信道负载，具有十分重要的研究意义[1－2]。国内外相关专家针对该方面的内容展开了大量研究，例如魏勇等[3]主要利用拓展的动态故障构建系统模型，同时引入序贯蒙特卡洛方法对系统的通信容量展开计算处理，分配网络资源。Ahani 等[4]将时间离散成时间碎片，将截止时间作为约束条件，限制通信数据流的调度，以此实现离散容量分配。马潇潇等[5]优先分析目前连续数据通信的主要实现方式，分别采用不同的测试集对各个方式的通信性能展开详细的分析研究，进而获取最终的通信容量计算结果，合理分配网络资源。

在以上几种方法的基础上，本文设计并提出一种基于最小流量分配算法的宽带电子通信容量分配方法。仿真分析结果表明，这种方法能够有效减少误包率以及处理时延，获取更加满意的通信容量分配结果。

1 方法设计

1.1 宽带电子通信容量计算

在合理分配容量之前，需要计算通信容量。以最小流量为约束，即各通信信道中流量保持最小，通信信道数量最大，从而扩大了整体的通信容量，避免少数的通信信道拥塞，但在通信容量计算时，通常是仅考虑了当前通信情况，而未对通信信道状态进行自适应调节，且考虑到信道仍具有可扩展的特性，因此，引入多模自适应通信终端控制技术，自适应控制以及扩频处理通信信道，从而更为准确地评估出通信容量，为后续容量分配提供数据基础。

将带宽电子通信数据转换为数量一致的并行数据流，将全部数据经过一系列调制以及映射处理之后直接传输到接收模板上；再次展开转换以及映射处理，获取系统发射端和接收端的映射关系。其中，对应的信道模型可以表示为:

式中:y代表信道模型；n代表高斯噪声矢量；H代表信道矩阵，对应的表达形式如下:

信道矩阵中的元素hi，j主要用来描述不同信道的直流增益变化情况，通过式(3)可以计算两个不同端点之间的信道增益:

式中:代表光电装置的接收面积；代表发射端到接收端的面积；ϕijk代表辐射角度；φijk代表光照强度；I代表接收端的入射角。

如果事先已知发射端和接收端的信道信息，则可以将宽带电子通信信道转换为多个独立并行的单输入输出信道分析处理。

针对随机一个信道矩阵而言，均可以采用奇异值分解处理，具体的表达式如下:

式中:U代表矩阵内的元素类型；D代表对角矩阵；V代表带宽取值范围。

其中各个天线对应的发射功率Gxx可以表示为以下形式:

宽带电子通信信道容量J的具体计算公式为:

式中:Blog 代表通信信道状态信息；INx代表发射能量；σ代表信道矩阵对应的秩。由于全部为线性变化，所以在接收信号以及发射信号的过程中系统统计特征并没有发生明显的变化。

经过上述分析，需要接入已经构建完成的信道模型[6－7]，同时引入边缘计算方法，以计算结果为依据建立多通道自动切换模型，具体的组成结构如图1所示。

图1 多通道自动切换模型

在上述操作的基础上，通过多模自适应通信终端控制技术对接入网展开自适应控制以及扩频处理，进而构建宽带电子通信容量计算模型。优先通过信道多径扩展方法[8－9]对通信接入网的信道容量计算处理，进而获取对应的信道参数测量模型Eri(t)，如式(7)所示:

式中:E(t)代表接入网信号的模糊度函数。通过通信容量的波特转换调节方法对宽带电子通信的去中心化信道参数展开自适应计算，进而获取信道的调制输出M(t)，如式(8)所示:

式中:q(t)代表网络中断自适应项。以信道容量的阈值判决函数为依据，通过矢量正交频分复用方法对BPSK 进行调制处理，进而构建宽带电子通信容量计算模型，通过模型获取通信容量计算表达式:

式中:c(t)代表宽带电子通信容量计算结果。

1.2 信道流量估计下容量分配

由于网络空间比较复杂，各个网络之间存在明显的差异，为准确评估出网络通信流量，在计算出通信容量的基础上，主要通过图论实现[10－11]，为了估计带宽电子通信信道最小流量，需要引入有向图，将信道通信流量模拟为带有交叉口的队列，通过有向图解决了时隙交换队列的查找问题，减少了等待时间，从而使流量快速通过信道，实现最小流量。设定有向图为G＝(V，E)，V为全部网络节点的集合；E为邻接节点之间通信链路的集合。链路集合可以表示为式(10)的形式:

式中:h＝(u，v)代表链路；u和v代表两个不同的节点；H(u)代表节点u上已知的链路集合总数；H0(u)和Hi(u)分别代表节点u上的输出和输入链路集合。

设备中的节点可以同时采用多条信道展开通信处理，所以在给定设备结构以及节点通信容量的基础上，需要将各个信道的流量合理估计[12－13]，进而达到数据平均传输时延最小的目的。输入通道对应的概率方差G计算式如下:

式中:hx，y，d代表输入通信缓冲区为满的概率；～h代表通道内的数据包总数；R代表节点通道总数。

以最小流量为最低限定条件，在给定信道容量下宽带电子通信信道流量传输通道配置过程可以表示为:

①已有网络结构、使用的路由算法以及各个节点之间的通信流量。

②设定约束条件以及资源总数。

③设定目标函数。

分析排队理论可知，路由节点分别由四个方向的输入通道组成，以此为依据构建的队列模型可以表示为图2 的形式。

图2 路由节点队列模型

结合排队论模型，可以获取以下形式的计算式:

式中:fx，y，E代表目标通信范围的使用效率；rx，y，E代表通信信道的总长度；βx，y，E代表通信信道内数据包的传输速率。

其中，通信信道的数据包到达率ϕx，y，E可以表示为式(13)的形式:

式中:αx，y，E代表通信信道数据发送成功的概率；κx，y，E代表路由函数。

结合相关理论分析可知，从E方向传输进来的数据分别可以转发至多个不同的方向，并且还有对应的节点服务。其中队列等待时间主要是利用下游缓冲区所提供的服务率获取的，通过式(14)给出服务率的计算式:

从通道(x，y，E)的角度考虑，可以获取数据包在队列的等待时间Wx，y－1，E，具体的计算式为:

在上述分析的基础上，确定了通信数据流量的传输节点。在此基础上，估算网络通信节点中各个输入通道的负载大小，同时引入模拟退火算法[14－15]完成容量分配处理，详细的操作步骤如下所示:

①设定初始数据以及初始解空间，通过各个通信信道的缓冲区长度组建三维数据[16－18]，且数据中的各个数据都是随机产生的。

②形成全新的解空间。

③计算增量，假设获取的增量小于0，则此新解控制为当前解；反之，则通过概率接受解空间将其作为全新的解。

④判断算法是否满足终止条件，假设满足，则直接输出最优宽带电子通信信道容量分配方案；反之，则返回步骤②重新操作。

2 仿真结果与分析

2.1 参数设置

系统在TinyOS2.02 进行编程实现，TinyOS 使用Linux 系统平台。本文采用Tinyos 平台，此平台在虚拟机上安装实现。平台界面及编程界面如图3 所示。

图3 TinyOS 平台界面及编程界面

表1 给出具体的仿真参数和取值范围。

表1 参数以及取值

设置通信环境为单蜂窝小区，V＝[5，10]MHz，U＝6，R＝8。

2.2 分配功能测试

通过图4 可以看出，在设备未完成容量合理分配之前，流量产生了明显的堆积，需要依靠时间机制，不断地消化堆积的容量。采用本文方法进行容量合理分配后的结果，如图5 所示。

图4 未完成容量分配前的设备流量模拟

图5 采用容量分配后的流量结果

通过图5 可以看出，通过本文方法进行容量合理分配后，信道资源得到了充分的利用，不再出现流量堆积的情况，说明本文方法有效。

2.3 仿真结果分析

2.3.1 信道总容量

当总用户恒定的情况下，随着接入通信网络的用户数量的增加，通信设备信道总容量随着接入用户数的变化情况如图6 所示。分析图6 可知，随着接入用户数量的增多，通信设备信道总容量也在不断上升。所提方法的总容量保持较高，且最接近标准值。其中，标准值是利用计算机经过大量的计算，遍历所有的分配情况得到的最优值。而文献[3]和文献[4]方法对信道容量的分配不足，难以利用足够的节点进行通信流量传输。这是因为所提方法以路由节点流量最小为目标，同时注重节点公平性，分配的节点通信容量总值较大，可以有效避免流量堆积。

图6 不同方法的总容量结果对比

2.3.2 带宽利用率

以带宽利用率为指标，带宽利用率越高，使用的通信节点数量越多，则通信容量越高，通信效率越好。设置用户数恒定为80，持续向通信网络传输流量，对比不同方法下的带宽利用率，结果如图7所示。

图7 不同方法的带宽利用率结果对比

分析图7 可知，采用所提方法进行通信容量分配时，通信网络中的带宽利用率高达82%，而文献[3]和文献[4]方法的带宽利用率最高仅为63%和49%。表明所提方法通过对节点流量的准确估算，可以选择多条传输链路，均衡地分配通信容量，提高通信网络利用率。

2.3.3 响应时间

在上述分析的基础上，选取响应时间作为测试结果，分析不同用户的通信容量分配响应时间情况，详细的测试结果如图8 所示。

图8 不同方法的响应时间结果对比

当用户节点发射功率较高时，表示单位时间内发送的通信流量较大，不同方法的响应时间随着用户发射功率的增高而增多。但是与另外两种方法相比，所提方法的响应时间明显更低一些，主要是因为所提方法在计算通信容量的过程中，加入了最小流量分配算法，由于在电子通信流量中存在大量的信道，且容量计算过程复杂且多变，各种干扰因素也经常存在，通过流量分配处理可以有效均衡各个通信信道的容量，进而简化计算过程，促使获取计算结果的过程更加快速，相应的响应时间也会得到明显降低，可以以更快的速度完成计算工作。

3 结束语

针对传统通信容量计算方法存在的不足，设计并提出一种基于最小流量的宽带电子设备通信容量分配方法。仿真分析结果表明，所提方法可以有效分配通信容量，提高带宽利用率，减少响应时间，获取更加满意的计算结果。

由于研究时间有限，所提方法现阶段仍然存在一定的不足和缺陷，后续将对其展开更加深入的研究，全面提升所提方法整体的优越性和有效性。