基于非正交多址接入的無線通信網絡吞吐量優化

黃宗偉

（廣東郵電職業技術學院，廣東 廣州 530630）

目前，無線通信網絡不僅將各個領域連接起來，而且將許多用戶連接起來，無線通信網絡維持正常的日常通信，主要涉及信號編碼、差錯校驗、信號傳輸、衛星定位技術等，因為無線通信網絡的功能較多，系統在運行過程中每秒都會生成數量巨大的網絡冗余數據，影響網絡的吞吐量，所以有效地優化無線通信網絡吞吐量成為目前無線通信網絡領域的主要問題。

無線通信網絡吞吐量指無線通信網絡內部運行數據在沒有丟失的情況下，系統可以運行的最大速度，因此保證無線通信網絡的暢通性，就必須保證網絡吞吐量的標準。無線通信網絡是一個很大的整體，由許多的數據包組成，該文根據無線通信網絡的非正交多址接入方法，建立無線通信網絡吞吐量產生的感知模型，對影響網絡吞吐量的因素進行優化。

1 吞吐量感知模型

非正交多址接入方法是目前提高網絡頻譜和傳送速度效果最明顯的一項通信技術，從現在非正交多址接入技術的研究成果來看，此技術將會在5G 無線通信中占有舉足輕重的地位，非正交多址接入方法也被稱為NOMA 技術。非正交多址接入技術最大的特點是可以將同一區域內的多個主機地址連接在同一個頻率信道內，并且保證所有地址內的用戶無線通信網絡的運行速度達到要求，此時所有地址主機的頻譜、傳輸時延、吞吐量都會比傳統的無線通信網絡的參數高。NOMA 技術的原理是利用相同的信道、相同的網絡碼域集成一個復用功率域的通信技術。

非正交多址接入方法具有極大的靈活性，其可以通過其他技術提升本身的應用效果，也可以通過技術促進其他領域的發展，但是就目前NOMA 技術的發展來看，應用效果最明顯的是無線通信網絡領域。該文研究的無線通信網絡吞吐量優化分析，綜合考慮了多種外界環境的干擾。非正交多址接入方法優化的方法主要通過分析無線通信網絡吞吐量的形成途徑并進行感知，使無線通信網絡可以在不同網絡模式下完成信息的發送與接收。

無線通信網絡的吞吐量都是通過網絡傳輸的信道頻譜進行感知，通過信道頻譜的運行狀態維持網絡的吞吐量，經過長期的研究，專業人員將無線通信網絡的信道頻譜感知狀態設定為一個模型，在模型內代入相應的變量，從而計算出無線通信網絡的運行狀態，模型如下：

其中，t表示數據包長度；n表示每個網絡數據包采樣對應的時間；W表示感知的網絡通信帶寬；q表示無線通信網絡的接收信號頻段；h表示網絡的信道增益大小。為了保證網絡狀態的精確度，該文設定增益為一個常數定值；s(t)表示無線網絡的信息發送速度；n(t)表示網絡信道的高斯白噪聲；H1表示感知的無線通信網絡運行處于占用狀態；H0表示感知的無線通信網絡運行處于空閑狀態。

無線通信網絡數據幀結構的吞吐量是由數據幀形成過程決定的，數據幀轉發的次數越多，數據幀結構的吞吐量越低，為了保證無線通信網絡的功能性，對于數據幀轉發的次數是沒有限制的。數據幀單次轉發主要由數據幀帶寬預測、協作以及執行3 個步驟構成，每個步驟都會產生系統冗余數據，影響數據幀的吞吐量。綜上所述，數據幀結構的吞吐量計算公式如下：

其中，V表示數據幀傳輸的信噪比；Wk表示無線通信網絡內用于協作的頻譜感知帶寬域。

在無線通信網絡運行過程中，網絡系統的吞吐量是由數據幀吞吐量以及其他額外的吞吐量均衡形成的。正是因為系統吞吐量的復雜程度，該文在感知系統吞吐量的同時要借助非正交多址接入技術，提高感知的準確率。計算無線通信網絡的吞吐量首先要計算系統在工作過程中空閑信道的概率，然后根據非正交多址接入技術判斷出系統內空閑信道所持續的時間，最后綜合計算出系統空閑狀態的吞吐量。網絡吞吐量感知模型如圖1 所示。

圖1 網絡吞吐量感知模型

空閑信道的概率和持續時間計算公式如下：

其中，N表示信道個數；k表示空閑信道的個數；L表示無線通信網絡內工作的用戶數量；b表示授權的網絡信道數量；t表示數據包長度；c0表示數據幀吞吐量。

最終擬合無線通信網空閑狀態的吞吐量和數據幀結構吞吐量計算公式，得出感知模型如下：

2 吞吐量優化分析

每個節點數據段都有一個其自身運轉吞吐量的供需標準，只有達到每個節點的運轉吞吐量，才能保證網絡的服務質量，具體約束條件如下：

將約束公式進行一階求導和二階求導后，可以證明約束條件是一個凹函數，正是因為此特性，將最大節點間通信總吞吐量優化問題進行簡化。為了保證每個空閑信道的吞吐量達到需求，只需要根據凹函數的特點進行制約，促使系統的總吞吐量達到運行標準。R(τ)關于τ的曲線如圖2 所示。

圖2 R(τ)關于τ 的曲線

因為無線通信網絡存在特殊性，約束條件在計算的過程中會出現永真解，即可讓不等式在一定情況下進行無限循環，不存在制約性質，為此該文選擇拉格朗日公式進行約束優化，具體公式如下：

其中，τ表示與約束相關的拉格朗日參數，這樣就可以對得到的最大化節點間通信總吞吐量進行優化；R表示無線通信網絡的流量值。

非正交多址接入的無線通信網絡吞吐量優化分析過程如圖3 所示。

圖3 非正交多址接入的無線通信網絡吞吐量優化分析過程

通過優化最大化較差節點吞吐量來完成無線通信網絡的每個數據幀的吞吐量優化分析，利用以上的分析得知網絡數據幀吞吐量的本質是由最大化較差節點的吞吐量決定的，所以就可以平衡任意兩個相鄰的數據幀節點的吞吐量的差異情況，使節點的吞吐量近似相等，增加公平性。通過加入輔助引用變量y，進一步轉化計算公式，如下：

在每一個網絡數據幀的最大化較差節點結構中，都存在最優分配時間和最差分配時間，然而最優分配時間是決定數據幀吞吐量大小的因素，所以需要精確地判斷出最優分配時間段，該文采用黃金割分法求出最優分配時間和最差分配時間。黃金割分曲線是一個對稱的拋物線，曲線可以根據無線通信網絡的地址量數合理地分配區域，曲線的極值點是最優分配時間和最差分配時間，然后根據數值計算出最大化較差節點吞吐量，從而對得到的最大化較差節點吞吐量進行優化。

3 實驗分析

通過以上的論述，該文完成了基于非正交多址接入的無線通信網絡吞吐量的優化分析，為了檢驗該文分析的網絡吞吐量優化方法是否具有意義，是否達到預期的效果，進行了對比實驗分析，采用基于協作頻譜接入的無線通信網絡吞吐量優化方法和基于正交多址接入的無線通信網絡吞吐量優化方法作為對比的傳統方法，共同完成實驗測試。

該文的測試環境是按照無線通信標準IEEE 802.11 進行設定的，具體無線通信網絡的參數設定如表1 所示。

表1 實驗參數

在對無線通信網絡進行吞吐量優化時確定運行用戶數量，并且為了保證數據的可信度和可計算性，該文實驗參照有效數據只考慮確定信道內的吞吐量，不考慮虛擬信道的吞吐量。同一時間觸發3 種無線通信網絡吞吐量優化方法，測試過程中數據分析器記錄實驗數據，為數據分析奠定基礎，當3 種方法對該文設定的無線通信網絡吞吐量全部優化后，結束實驗，采用專業的軟件對優化后的3 個無線通信網絡進行吞吐量測試，作為實驗的重要數據。

非正交多址接入的無線通信網絡吞吐量優化分析速率實驗結果如圖4 所示。

圖4 實驗結果

根據以上的對比實驗操作可知，優化后無線通信網絡的吞吐量和通信速率大小的順序相同，由大到小的順序依次是基于非正交多址接入的無線通信網絡吞吐量優化的網絡、基于正交多址接入的無線通信網絡吞吐量優化方法、基于協作頻譜接入的無線通信網絡吞吐量優化方法；另外完成網絡優化的時間由短到長分別是基于正交多址接入的無線通信網絡吞吐量優化方法、基于非正交多址接入的無線通信網絡吞吐量優化的網絡、基于協作頻譜接入的無線通信網絡吞吐量優化方法。根據以上測試數據可知，傳統的基于基于協作頻譜接入的無線通信網絡吞吐量優化方法不是最優的優化方法，因為網絡優化最優的表現是無線通信網絡的通信速度得到提高，相對于此影響因素，優化的響應時間不是最重要的表現因素，所以權衡以上與無線通信網絡吞吐量相關的決定性因素，該文研究的基于非正交多址接入的無線通信網絡吞吐量優化方法是最優的方法，具有高效性和應用性。

4 結束語

該文首先闡述了無線通信網絡吞吐量的意義，然后根據無線通信網絡的運行原理和非正交多址接入方法，構建基于非正交多址接入的無線通信網絡吞吐量感知模型，最后通過感知模型分別對無線通信網絡的最大化節點間通信總吞吐量和最大化較差節點吞吐量進行優化處理。通過對比實驗驗證了該文研究的基于非正交多址接入方法的無線通信網絡吞吐量優化方法相對傳統方法更優，達到了預期效果，有利于促進無線通信網絡領域的發展。