無線通信網絡多節點資源均衡配置方法

郭思遠，張永貴

（山東省郵電規劃設計院有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

當前現代城市的發展以及通信技術的不斷完善，使得人們逐漸將目標轉移到對網絡資源的分配問題上。在無線通信網絡結構中，網絡的順暢傳輸和全網多節點服務是實現整個網絡運行的根本條件。在無線通信網絡中，網絡的高效訪問以及資源的最大利用率是其運行的關鍵[1]。由于當前大部分無線通信網絡采用分布式的結構，因此其內部連接十分復雜，并且各類網絡資源的分配存在嚴重不合理現象，進而造成網絡在實際運行過程中常常出現資源分配不均衡的問題，影響網絡運行效果[2]。

無線通信網絡中各個節點上的資源配置實質上是對網絡結構的優化，在進行資源分配的過程中，其結構具有較大的依賴性，因此使得網絡多節點的資源均衡配置成為了關鍵[3]。當前，該領域研究人員通過不斷研究，提出了多種針對多節點資源配置的問題，并且在實際應用中基本實現了高可靠性和易擴展性等應用優勢。但同時，現有配置方法在應用過程中也出現了資源過度消耗的問題，因此為了能夠進一步提高無線通信網絡中各類資源的利用率，本文開展無線通信網絡多節點資源均衡配置方法設計研究。

1 無線通信網絡多節點資源均衡配置方法

1.1 無線通信網絡多節點增刪線性規劃

在一個無線通信網絡結構當中，包含了一個節點集V，在V中又包含了一個需求點集和一個供應點集，則節點集V的表達式為V={VA,VB}。在無線通信網絡傳輸過程中，節點與節點之間的聯系是無法隨意更改的，其主要原因是傳輸通道很難被重新建立，或重新建立的成本較高[4]。在通信網絡中，多節點之間的連接通常是以線材或無線電磁波頻率控制，由于本文主要針對無線通信網絡開展研究，因此不考慮以線材連接的方式[5]。為實現對多節點的合理規劃，首先需要明確其規劃約束條件為：

式中，C為線性規劃求解結果是兩約束優化條件，為最小增刪供應點數目，j為節點行數，N為供應節點數量，Cj為j行的節點線性規劃數量結果。根據式（1）所示的約束條件，確定最小無線通信網絡節點增刪的位置以及數量，其具體計算流程如下。首先，構建拓撲結構矩陣和權重矩陣，設置上述約束條件常量為k。其次，對狀態矢量進行初始化設置，并通過矢量確定當前無線通信網絡當中現有的節點集中節點數量。其次，利用改進后的Dijkstra算法求解節點集，計算該集合起點到網絡中所有需求節點的最優路徑，并構建所有需求節點的最優路徑矩陣，得到：

式中，Pj為無線通信網絡多節點增刪線性規劃最優矩陣，ven為終點的最優路徑長度。最后，結合上述構建的最優矩陣，以無線通信網絡中某一節點作為中心，通過確定的最優路徑長度確定其滿足的可達性需求點，將該點去除，并將剩余的需求節點放入到剩余集合中。以此時的供應節點作為起點，判斷其是否滿足可達性，并根據需要對節點進行增加或刪除，以此實現增刪線性規劃。

1.2 多節點對應資源需求量均衡分配

根據本文上述論述，完成對無線通信網絡多節點增刪線性規劃后，基本實現了對無線通信網路全局節點的部署。為進一步提高均衡配置效率，還需要完成多節點對應資源需求量均衡分配，確定多節點之間最小時間消耗以及相對應的路徑耗時時間[6]。各個節點間的連接關系可通過通信網絡傳輸路徑連接獲得，利用MATLAB實現對網絡結構中各個節點的增刪優化[7]。

由于無線通信網絡運行過程中，從某一節點出發到各個需求節點需要秉著就近分配的原則，因此可將無線通信網絡看作一個被劃分為若干個子網絡結構，并且在每一個子網絡解耦中都對應一個基站控制，以此將無線通信網絡看作一個分布式的網絡拓撲結構。在網絡拓撲結構當中，節點數量越多則表示分布式網絡的配置能力越強。若仍然采用相同的供應節點服務需求節點，不僅會造成網絡運行壓力增加，同時還會造成資源的浪費[8]。因此，為實現多節點對應資源需求量的均衡分配，針對配置能力強的節點，可將其作為多個需求節點的服務節點，針對配置能力弱的節點，可將多個能力均較弱的供應節點作為一個需求節點服務，以此根據節點實際需求量實現均衡分配。

1.3 基于資源需求量的多節點布局優化重配置

在基于上述資源需求量的基礎上實現對多節點布局優化的重新配置，需要明確供應節點固定不變的是其標準要求。在此基礎上，實現對整個無線通信網絡的布局優化，只能夠對需求節點重分配，并優化連接[9]。根據無線通信網絡傳輸的實際背景，劃分重新配置問題，一類為對無線通信網絡使用的資源有限，另一類為在滿足全網資源合理配備的基礎上，考慮資源的消耗[10]。解決第一類問題時需在資源固定的條件下將需求節點被服務的數量作為目標，在最大成本內盡可能地確保單次資源配置的質量。滿足上述約束條件后，保證每一個需求節點都對應一個供應節點，以此完成對多節點的優化重配置。解決第二類問題時需在供應節點固定的條件下將成本最低作為目標，在確保成本為最低的條件下，保證一個供應節點對應多個需求節點，以此完成對多節點的優化重配置。

2 應用實例分析

結合本文上述論述內容，從3個基本操作實現了對多節點資源均衡配置方法的理論設計，為了驗證該方法的實際應用效果，選擇在蜂窩網絡結構中以D2D通信方式實現對無線通信網絡多節點傳輸的模擬，并在這一過程中引入本文提出的配置方法。將無線通信網絡基站節點設置在蜂窩網絡結構的中央，將蜂窩用戶x與D2D發送端S一同分布在該蜂窩網絡結構中，再利用D2D接收端R統一地分布在相應的D2D發送端（以r為半徑的圓形區域中）。為了確保實驗不會對網絡資源造成影響，實驗過程中分配的資源均為空閑頻譜資源，實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數設置表

在表1中實驗參數設置的基礎上，對引入本文配置方法后無線通信網絡多節點的平均端到端延時進行記錄，并將其作為評價指標。平均端到端延時時間越長，則說明多節點當中資源均衡配置越不合理，分配效率越低；反之平均端到端延時時間越短，則說明多節點當中資源均衡配置越合理，分配效率越高。根據上述論述，記錄無線通信網絡在不同包達到率條件下的平均端到端延時數據，如圖1所示。

圖1 引入本文配置方法無線通信網絡平均端到端延時

從圖1中記錄的無線通信網絡平均端到端延時變化曲線可以看出，在0～0.4區間內，隨著包到達率的不斷提高，平均端到端延時呈現出遞減的趨勢；在0.4～1.8區間內，隨著包到達率的不斷提高，平均端到端延時呈現出明顯遞增的趨勢，盡管平均端到端延時的變化幅度較大，但仍然沒有超過無線通信網絡穩定運行規定平均端到端延時小于10 s的要求標準。因此，通過上述實例證明，本文提出的配置方法應用到真實無線通信網絡環境中，可針對多節點為其提供更加均衡且合理的配置資源，確保資源的有效利用，并在一定程度上為無線通信網絡的穩定運行提供條件。

3 結 論

當前通信傳輸模式越來越豐富，通信的過程也逐漸簡單，在網絡終端上各類節點都依賴于通信技術的保障。為了進一步提高無線通信網絡的運行條件和質量，本文開展對其資源均衡配置方法的設計研究，并結合實例應用證明了該方法的應用可行性。同時，本文提出的配置方法能夠應用于對各類最小資源消耗以及全局服務等多種約束條件下的多節點資源配置，但當前無線通信網絡中的資源配置優化仍然存在較大的研究空間，針對無線通信網絡的分布式結構也需要進行更加深入的研究和探索，從而提高本文配置方法的適用性。