基于大數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)優(yōu)化研究

摘要：電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)和有線電視網(wǎng)三大網(wǎng)絡通過技術改造，能夠提供包括語音、數(shù)據(jù)、圖像等綜合多媒體的通信業(yè)務，更好為人類服務。目前的通信網(wǎng)可隨需選擇網(wǎng)絡和終端，可用有線或無線接入完成通信、電視、上網(wǎng)等。三網(wǎng)融合后的通信網(wǎng)相互滲透、互相兼容、并逐步整合成為世界統(tǒng)一的信息通信網(wǎng)絡。目前無線通信占據(jù)主流，本文通過大數(shù)據(jù)的視角提出對通信網(wǎng)的優(yōu)化。

關鍵詞：通信;大數(shù)據(jù);優(yōu)化

數(shù)據(jù)是對客觀事物性質(zhì)和狀態(tài)的描述。有了數(shù)據(jù)，特別是大量數(shù)據(jù)時，可以對應用進行優(yōu)化。在大數(shù)據(jù)時代，隨著網(wǎng)絡的普及，以及傳感器的廣泛使用，可以獲取海量的數(shù)據(jù)，甚至可以得到并處理某個事物的各個方面的數(shù)據(jù)。由于大數(shù)據(jù)的基礎建立在掌握大量的數(shù)據(jù)，要求數(shù)據(jù)盡可能多，大量的數(shù)據(jù)有助于正確地考察細節(jié)并進行預測。對于通信網(wǎng)，大數(shù)據(jù)可以提升其穩(wěn)定性和可靠性[1]。當前通信網(wǎng)中不僅包含各類手機和計算機，還包含各種可通信的專用嵌入式電子電氣類產(chǎn)品[2]。

一、大數(shù)據(jù)的巨大作用

大數(shù)據(jù)的應用領域很多，包括商業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學以及醫(yī)學等。沃爾瑪作為全球最大的超市，掌握著大量的銷售數(shù)據(jù)。巧妙地利用大量的銷售數(shù)據(jù)，幫助沃爾瑪在商業(yè)上獲得了巨大的成功。例如，通過統(tǒng)計大量的銷售數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)每當季節(jié)性颶風來臨之前，手電筒和蛋撻的銷量都顯著增加了。所以當季節(jié)性暴風來臨前，沃爾瑪會把蛋撻放在颶風用品旁邊，以提高總體銷售額。此外，在沃爾瑪超市有一個有趣的現(xiàn)象：尿布和啤酒擺在一起。這是一個奇怪的組合，但卻使尿布和啤酒的銷量大增。這絕非笑話，而是沃爾瑪超市通過統(tǒng)計大量銷售數(shù)據(jù)得到的規(guī)律，并很好地利用了這個規(guī)律，一方面擴大了銷售量，另一方面方便了顧客，提高了顧客的滿意度。由于美國的太太們往往囑咐她們的丈夫下班后為孩子買尿布，而丈夫們在超市買尿布時經(jīng)常順便會買自己喜歡的啤酒，因此尿布和啤酒放在一起會增加銷售量。大數(shù)據(jù)基于對大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，完成對大量數(shù)據(jù)的相關分析會使人們發(fā)現(xiàn)更深層次和更廣范圍的關系，找出未被發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。利用這些規(guī)律有時會帶來巨大的好處和利益，特別是在一些商業(yè)上的應用。

二、大數(shù)據(jù)對通信網(wǎng)的優(yōu)化和提升

通信是人與人、人與物、物與物之間通過某種媒介進行信息傳遞的技術，目的是達到信息傳輸和資源共享。通信按照大類可以分為兩類：有線通信和無線通信，兩者各有利弊，通常在一個大型系統(tǒng)中往往既包含有線通信也包含無線通信。有線通信的優(yōu)點是信號穩(wěn)定以及保密性好，缺點是需要連接線移動不便;無線通信的優(yōu)點是無需連接線設備移動方便，廣泛應用于各類可充電便攜式通信設備和嵌入式電子產(chǎn)品，缺點是信號穩(wěn)定性差易受干擾以及保密性不好容易被截獲。目前的通信網(wǎng)絡錯綜復雜，人們的選擇余地較大，通信網(wǎng)絡呈現(xiàn)出異構化的特點。異構化對于兼容性或普適性提出了挑戰(zhàn)。目前的無線通信網(wǎng)絡是無線個域網(wǎng)（如藍牙）、無線局域網(wǎng)（如Wi-Fi）、無線城域網(wǎng)和公眾移動通信網(wǎng)（如4G、5G）等多種接入網(wǎng)共存的異構無線通信網(wǎng)絡。解決異構通信網(wǎng)絡的互連問題至關重要，網(wǎng)絡高效和可靠的實時通信也是當前通信網(wǎng)絡應用和研究的熱點。目前通信技術處于高速發(fā)展時期，提升通信的速度以及安全性吸引了眾多的公司。

組合優(yōu)化問題本質(zhì)是最優(yōu)化問題。組合是一種廣泛使用的方法，例如中醫(yī)的藥方，復合調(diào)味品，團隊比賽，顏色的搭配，著裝的組合等等。組合意味著非單一化，單一化的缺點是明顯的，而這也突出了組合的互補優(yōu)勢。通信中有多項通信技術和通信方式，信息的傳輸可以選擇不同通信技術和通信方式形成組合，通過組合可以克服或降低單一通信技術和通信方式的缺點，形成互補以保證信息傳輸任務的完成。不同的組合涉及到組合優(yōu)化問題。通信網(wǎng)組合優(yōu)化是指應用概率論與數(shù)理統(tǒng)計、最優(yōu)化方法以及線性代數(shù)等相關數(shù)學理論和方法，根據(jù)通信網(wǎng)QoS、可靠性和安全性等要求，對通信網(wǎng)進行整合和優(yōu)化。

無線通信利用電磁波而不通過線纜進行通信。無線通信應用范圍廣，無線通信主要依賴電磁波。電磁波的傳輸速度等于光速，即每秒30萬公里。因而無線通信表現(xiàn)出比較低的時延，特別是5G通信，可以數(shù)秒鐘下載一部高清電影。高的通信速度和低的時間延誤對于實時控制有著重要的作用。通信網(wǎng)中基站有著重要作用。通信基站是移動通信網(wǎng)絡中最關鍵的基礎設施。基站即公用移動通信基站，是移動設備接入互聯(lián)網(wǎng)的接口設備。基站關系到通信的覆蓋范圍和通信質(zhì)量，此外通過基站還可以實現(xiàn)定位，雖然這種定位方式的精度并不高，定位精度比不上GPS定位，但由于大多數(shù)人隨身攜帶手機，可以實現(xiàn)對廣泛人群的大致位置定位。目前行程碼就是基于基站來進行定位以確定個人行程。高速的通信需要大量的高密度的基站，截至2021年3月底，我國已建成5G基站81.9萬個，占全世界70%以上。5G通信網(wǎng)以其極快的網(wǎng)速對制造、教育、購物、娛樂和醫(yī)療等行業(yè)的影響正與日俱增，更多應用正在不斷豐富與完善。

每個基站根據(jù)所連接的天線情況，可以包含有一個或多個扇區(qū)。根據(jù)不同的傳輸方向，天線也可分為有向天線和全向天線。有向天線常用于公路和鐵路道路、海岸線等條狀或帶狀區(qū)域的無線通信。一個基站的覆蓋范圍大概在幾百米到幾十千米之間。大多數(shù)數(shù)據(jù)通信量是由通信網(wǎng)絡中的少數(shù)基站完成，而并非大多數(shù)基站。因此基站的部署和規(guī)劃與通信量密切相關。

基站的部署和規(guī)劃是一項組合優(yōu)化技術，需要從多個方案中尋找一個最優(yōu)方案，而最優(yōu)方案需要結合不同的應用場景和需求。合理的基站部署和規(guī)劃可以提高通信速度和通信質(zhì)量。優(yōu)化組合在很多領域都具有廣泛的應用，例如通信技術領域的路由問題、通信網(wǎng)架設等。優(yōu)化組合有的涉及到成本，有的涉及到時間，往往需要找到某種平衡，在不同的應用場景或應用需求中，最優(yōu)方案也是不同的。合理的基站部署和規(guī)劃節(jié)約能耗的同時減小了時延。可以從圖論的角度進行分析得出優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸路徑，最大限度地減小了通信網(wǎng)絡的平均跳數(shù)，較好地減小通信網(wǎng)絡的能耗和時延。

通信速度和通信質(zhì)量的保證需要好的接收信號強度（RSSI），可以根據(jù)RSSI的擾動進行定位或者對事物的狀態(tài)進行感知和識別。通過真實場景下的實驗證明干擾下的RSSI具有正弦（或余弦）波動的特點，并且沿發(fā)送信號和接收信號的節(jié)點的中點對稱，相同干擾源在中點位置所形成的干擾對RSSI的擾動最小。在沒有干擾的情況下，RSSI是平穩(wěn)的;如果遇到干擾，RSSI會呈現(xiàn)一定的擾動。RSSI也受節(jié)點所在環(huán)境、天線方向和電壓等因素的影響。根據(jù)RSSI擾動的特征，可以實現(xiàn)某種程度上的感知，區(qū)分不同的事物或狀態(tài)。例如在對斑馬群的監(jiān)測中，斑馬從一個區(qū)域到另一個區(qū)域遷徙，監(jiān)測區(qū)域邊緣入口的一些節(jié)點在工作狀態(tài)，監(jiān)測區(qū)域以內(nèi)的其它節(jié)點在休眠狀態(tài)。當區(qū)域邊緣的節(jié)點通過RSSI的變化判斷出一個斑馬進入了監(jiān)測區(qū)域，隨即喚醒監(jiān)測區(qū)域內(nèi)其它節(jié)點來監(jiān)測斑馬群。從而不必使區(qū)域內(nèi)所有的節(jié)點長時間處于工作狀態(tài)，減少了節(jié)點能耗，增加了通信網(wǎng)生存時間。現(xiàn)代通信系統(tǒng)多數(shù)以無線的方式傳輸信號，因而RSSI值的相關應用廣泛存在，需要加以特別注意。不同事物和不同動作所造成的RSSI值變化不同，因而可以根據(jù)RSSI值的變化特點區(qū)分不同的事物和不同的動作。要識別和判斷不同的事物和不同的動作，需要尋找事物和動作的特征。以事物的特征為基礎來判斷、識別和感知事物，從而可以高效地感知事物。以RSSI值的擾動作為特征可以對事物進行感知和識別，此外事物可視為干擾源，事物所在不同的位置對RSSI的擾動是有區(qū)別的，因為還可以根據(jù)RSSI值進行定位。當干擾源位于兩個節(jié)點中點時，RSSI最大。RSSI的波動曲線呈現(xiàn)正弦（或余弦）變化的特征，并且其變化曲線呈現(xiàn)明正弦（或余弦）變化的特征。在實際應用中，首先需要進行實驗標定。通過實驗得到RSSI擾動的范圍和特點，然后應用到相應的智能系統(tǒng)中實現(xiàn)準確和可靠的對事物的自動區(qū)分和辨別。

企業(yè)要在激烈的市場競爭中勝出，需要了解市場，要了解市場，需要進行廣泛和深入的市場調(diào)查，取得大量的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)從統(tǒng)計學和概率論的角度進行科學的深入的分析，得出準確的規(guī)律作為生產(chǎn)和經(jīng)營的依據(jù)，這些都需要以海量數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)技術作為基礎。通信運營商希望得到更多的客戶，需要為客戶提供更好的通信質(zhì)量和更快的通信速度，這就要求加大基站投資，而加大基站方面的投資需要以大數(shù)據(jù)作為支撐，以了解不用區(qū)域的用戶密度和通信需求量。

三、結束語

當前的通信網(wǎng)可完成通信、娛樂、購物等眾多方面的應用，而手機在其中發(fā)揮著重要作用，而手機的通信和上網(wǎng)都需要依賴網(wǎng)絡。本文通過大數(shù)據(jù)的視角提出對通信網(wǎng)的優(yōu)化，了解不用區(qū)域的用戶通信需求，優(yōu)化通信基站的設立、部署和升級，一方面為客戶提供更好的通信質(zhì)量和更快的通信速度，另一方面提升通信運營商的投資收益。

作者單位：馬朋飛" " 中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院

參" 考" 文" 獻

[1]張德君.4G無線網(wǎng)絡站址規(guī)劃質(zhì)量評估體系優(yōu)化的探討[J].中國新通信，2017，19（09）：38.

[2]戚建聰.嵌入式網(wǎng)絡通信技術探討[J].通訊世界， 2017（12）：43-44.