基于5G的智慧校園網絡性能的研究

吳榮生

（漳州職業技術學院，福建 漳州 363000）

智慧校園是一種能夠全方位涵蓋校園各個場景的智慧型校園[1].校園網絡有其特殊性：校園師生上下課有規律、人口密度大且相對集中、數據訪問需要大流量且容易形成高峰期、師生對網絡性能要求高.在5G支撐下的智慧校園，不僅能夠使用校園WiFi高速率訪問校園資源，也實現了校園網絡的移動互聯，但智慧校園網絡的數據量和數據節點也會成幾何數增長.

5G應用的一個顯著特點，就是讓網絡性能要求高的應用盡可能放在網絡邊緣進行處理[2-4].通過網絡切片技術把一個物理網絡分成多個虛擬的邏輯網絡，每個虛擬邏輯網絡對應不同的應用，能實現每種應用的差別化處理，在靠近邊緣點就能區分出應用對應的虛擬邏輯網絡并進行處理，是一種分布式的網絡部署方式，靈活性很高.只要能夠對網絡具體應用定義出相應的性能需求指標，就能夠切出相應的業務片[5]，所以在5G支撐下的智慧校園網絡架構，應用系統可拆分成多個子應用系統，可將敏感型應用下放到網絡邊緣計算節點進行處理.通過網絡切片和邊緣計算技術，能解決智慧校園數據量大、數據節點多帶來的網絡性能的影響.

邊緣計算是在更靠近終端用戶的地方提供網絡、計算、存儲一體的服務，能夠實時處理和分析數據，在靠近用戶的網絡邊緣提供云計算能力和IT服務的環境[6-8].其核心原則是在網絡的邊緣部署網絡邊緣計算節點[9-10].

1 5G智慧校園模型化的可行性

從智慧校園中的業務應用性能來看, 智慧校園中的業務應用不同，其網絡性能指標也不同，比如視頻點播和直播業務，根據華為的數據顯示，VR點播業務要求100 Mb/s以上帶寬，直播業務的為84 Mb/s左右[11]；比如視頻監控業務，對于非圖像類設備網絡帶寬的要求從50 Kb/s 到200 Kb/s 不等，時延在100 ms 以內，對于720 P要求的視頻監控，其帶寬要求2 Mb/s，時延不超400 ms就可以了.根據邊緣計算的原則，所有的應用處理都放在網絡邊緣節點進行處理，因邊緣設備數量多，花費的成本高.反之，把應用處理往上層網絡或者核心網絡設備進行處理，雖說核心網絡節點相對邊緣節點來說需要部署的設備數量少，但核心網絡對應用處理不及時就會成瓶頸，特別是對敏感型業務無法提供性能保障.針對智慧校園中網絡節點數量多、連接復雜、各個鏈路性能差異也比較大的情況，研究如何科學部署網絡邊緣計算節點，針對業務應用的網絡性能和經濟成本如何達到一個平衡的狀態，是有一定意義的.

從網絡架構模型的角度上看，網絡架構的任何一個節點，在滿足應用性能要求的基礎上，都可以作為部署網絡計算節點的候選節點，所以必定存在一種保證校園應用性能和經濟成本達到一個相對平衡狀態的一種部署方案.

在此提出一種通過數學建模的方法，通過對網絡架構的模型化，以應用性能要求為要素，兼顧網絡架構的性能狀況（如鏈路的帶寬、時延等）和經濟成本的因素，哪些應用的計算盡可能下放到網絡邊緣節點處理，哪些應用的計算盡量往核心網絡節點處理，通過計算得出邊緣網絡計算節點部署的優選方案.

2 數學模型的構建

2.1 建立應用模型

5G支撐下的智慧校園網絡，網絡架構會考慮原有數字網絡的架構，保留原有校園網絡的主干部分，增加部分移動互聯設備，所以現在主要采用的還是樹狀結構的核心層、匯聚層、接入層三層的組網方式，如圖1.

圖1 智慧校園網絡架構圖

為了兼顧以后的發展，在建模的過程中將網絡架構模型化為網狀的組網方式（樹形結構是網狀結構的特例）.因此，一個由N個網絡節點構成的校園網絡，每個網絡節點的連接情況可以用一個N階矩陣CON來表示，用于表示各個網絡節點之間的物理連接和邏輯連接的性能情況，其中Cij表示i節點和j節點間的性能數值，比如是描述帶寬則Cij表示i節點和j節點間的鏈路帶寬，對網絡架構中所有節點按照權值進行計算，當i=j時，Cij=0；當i與j之間無任何連接關聯時，Cij的值為無窮大，具體公式如下：

智慧校園的應用種類多，比如點播、直播、視頻監控、在線課程等，在進行數學建模的過程中，一般不采用這種分類方式，盡可能采用對業務描述更為精準的性能指標的分類方式，具體建模如下：

（1）將某種具體業務對比網絡性能的需求，進一步細分為若干個子業務應用，APP={a1a2…ai}；

（2）對每個子業務應用的性能指標賦予具體數值，描述P-appi={pbi,pli,pdi,pri}，表示這個子業務應用的帶寬、時延、應用密度、可靠性的要求，具體公式如下：

（3）在進行網絡架構部署時，需要對經濟成本進行考慮.5G的智慧校園中網絡節點數量多、連接復雜，這無形中會增加經濟成本，因此，在滿足網絡性能的前提下，盡可能把業務處理往核心網絡收斂，這樣可以減少網絡節點的數量，降低經濟成本.因此，對網絡節點的位置建立數學模型，該模型可以用一個2*N 的矩陣NP來表示，具體公式如下：

其中i表示網絡節點編號，若：

n1i=4，表示節點i在核心層網絡節點上；

n1i=3，表示節點i在匯聚層網絡節點上；

n1i=2，表示節點i在離匯聚層最接近的接入層的網絡節點上；

n1i=1，表示節點i在接入層網絡節點上；

n1i=0，表示節點i無業務下放能.

n2i=0，表示節點i沒有直連業務；

n2i=1，表示節點i有直連業務.

2.2 計算模型的建立

（1）設S_K為N*L階的矩陣，用于描述N個網絡節點的網狀組網方式下，所有可能部署邊緣計算節點的組合，其中矩陣第j列表示第j種組合下有哪些節點的構成，具體矩陣如下：

其中：

kij=1，表示在第j種情況下i節點能滿足性能要求，能部署邊緣計算節點；

kij=0，表示在第j種情況下i節點不能滿足性能要求，不能部署邊緣計算節點；

l=2N，L表示網絡節點連接情況的編號.

（2）設S_B為N*L階的矩陣，用于描述各個網絡節點的應用性能的最優值（若是考慮帶寬性能，此時表示帶寬的最優值），其中矩陣第j列表示第j種網絡節點組合下各個節點的最優值，具體矩陣如下：

其中bij表示在第j種網絡節點組合i節點的最優性能值，其計算方式如下：

若Kij=1 表明在第j種網絡節點組合i節點能滿足性能要求，可以部署邊緣計算節點，bij等于性能的最優值，如bij=1代表的是時延性能時，bij=0；

若kij=0 表明在第j種網絡節點組合i節點不能滿足性能要求，bij的值t需要通過計算得到一個性能最優值.用矩陣K第j列的每一項與對應矩陣CON第i行的每一項相乘，取非0的最接近性能要求的值作為bij的性能最優值（t有稱為有效性能最優值）.

（3）在對具體應用進行網絡切片時，相應會定義應用的性能指標，假設應用的性能指標為T，只要矩陣S_B中第j列的所有bi性能值都優于T，就可以認為矩陣CON第j列網絡節點組合能達到業務性能的要求，可以作為邊緣計算節點的部署方式.

根據上述規則，會出現很多種邊緣計算節點的部署方式，從邊緣計算節點部署方式中選取矩陣CON中使用網絡節點數量最少的節點組合，構造C_K矩陣，具體矩陣如下：

（4）設R為1*L的矩陣，用于描述在C_K矩陣的基礎上，考慮網絡節點所在位置的情況，在滿足業務性能的前提下，進一步計算經濟成本，其公式如下：

根據經濟成本的考慮，部署邊緣計算節點數越少越好，則n1j的值則要越高越好，盡可能往核心層收斂，在矩陣R中找出最大值設其為值Z，根據Z所在矩陣C_K的列ckiz構成的矩陣，就是此模型選出的邊緣計算節點部署的最優方案.

3 數學模型的驗證

針對上述的數學建模方法，以Matlab2016a軟件為分析計算工具，實現對智慧校園網絡建模與計算.

設圖2所示的是一智慧校園網絡架構，由9個網絡節點構成并用數字1～9進行了編號，采用樹形連接，網絡節點間的直連線表示節點間能夠連通，連線上的值表示節點之間的性能花費，在這個例子中性能花費為節點之間的時延值，跨越節點的時延值遵循最短路徑原則進行計算.該智慧校園網絡應用分成兩個子應用，子應用a1對性能要求不敏感，時延不超過400 ms；子應用a2對時延要求比較高，時延不超過4 ms.按照網絡邊緣計算節點部署的原則，節點1至節點4屬于網絡邊緣，對于子應用a1和a2都需要在節點1至節點4部署邊緣計算節點.

圖2 智慧校園網絡拓撲圖

根據本文提出的建模方法，針對上述假設條件，各個相關矩陣的數值如下：

通過Matlab軟件計算得出，S_K是一個9*512的矩陣，因其數據較多，僅列出部分數據.

經過對上述數據的計算：

（1）對時延要求比較低（時延不超過400 ms）子應用a1，其矩陣B中有511種組合方式符合應用性能的要求，所有符合應用性能要求的節點組合中節點數最少的是1個節點，C_K矩陣中數據如下：

在矩陣R中最大值為4，在C_K矩陣中對應第1列，所以該列的節點組合就是此模型選出的邊緣計算節點部署的最優方案，即將網絡邊緣計算節點設置在9號節點.

（2）對時延要求比較高（時延不超過4 ms）子應用a2，其矩陣B中有345種組合方式都符合網絡性能的要求，所有符合應用性能要求的節點組合中節點數最少的是2個節點，C_K矩陣中數據如下：

在矩陣R中最大值為5，在C_K矩陣中對應第1列，所以該列的節點組合就是此模型選出的邊緣計算節點部署的最優方案，即將網絡邊緣計算節點設置在7/8號節點.

針對上述的例子，根據邊緣計算核心原則，在網絡的邊緣部署網絡邊緣計算節點，對于業務a1 和業務a2，節點1、節點2、節點3、節點4是邊緣計算節點，保證終端用戶的時延性能滿足業務要求.5G網絡中，其空口條件下時延為1 ms內.

通過數學建模的方式計算的部署方案，對于業務a1，在滿足業務性能要求的基礎上，將網絡邊緣計算節點設置在9 號節點，此時時延為終端到節點9 的權值相加（＜8 ms），遠低于業務所要求的400 ms；對于業務a2，可將網絡邊緣計算節點設置在7、8號節點，此時延為終端到節點7的權值相加（＜3 ms）和終端到節點8的權值相加（＜3.5 ms），這兩個時延也比業務要求的時延低.時延性能數據對比如下：

表1 節點數與時延性能的比較

通過上表可以看出，本文提出的建模方法，在性能上與在網絡邊緣都布置計算節點相比，性能會有所降低，但也是能滿足性能要求的，本文提出把邊緣計算節點的功能往核心層的方向靠攏，部署的邊緣計算節點少，在業務a1中，需要部署4個邊緣計算節點，采用此方法可只需要在節點9部署即可，在智慧校園部署中能達到降低成本的目的.

4 結束語

針對智慧校園滿足應用性能的基礎上，如何部署網絡邊緣計算節點，提出數學建模的方法，針對不同的應用，通過對網絡架構的模型化，以應用性能要求為要素，兼顧網絡架構的性能狀況和經濟成本的因素，計算出應用計算節點部署的優選方案，使校園應用性能和經濟成本達到一個相對平衡的狀態.

此模型因數據計算量大，比較適合中小規模的網絡，特別是對高職院校的智慧校園建設中應用性能和成本估算有一定的參考價值.