導(dǎo)語(yǔ)：大規(guī)模通信優(yōu)化模型創(chuàng)建和仿真一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要：為了進(jìn)一步提高大規(guī)模通信優(yōu)化性能，現(xiàn)以“某醫(yī)院5G網(wǎng)絡(luò)部署”為背景，根據(jù)5G應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)，針對(duì)大規(guī)模醫(yī)療機(jī)器類(lèi)MTC終端通信問(wèn)題，構(gòu)建相應(yīng)的MTC終端能耗模型，在此基礎(chǔ)上，提出一套系統(tǒng)完善的遺傳算法優(yōu)化方法，該優(yōu)化方法可以借助編碼、交叉變異等相關(guān)知識(shí)，選擇出最佳能耗路徑。采用仿真分析的方式，全面地分析和驗(yàn)證5G網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中醫(yī)療機(jī)器類(lèi)通信效果。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)能耗優(yōu)化方法相比，通信能耗優(yōu)化方法具有高的可靠性和可行性，可以在規(guī)定信噪比情況下，使得通信能耗降到最低。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù)；大規(guī)模；通信優(yōu)化模型；創(chuàng)建；仿真

M2M通信技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用期間，通過(guò)為各個(gè)機(jī)器提供相應(yīng)的通信服務(wù)，有效地淘汰了人工干預(yù)模式，通過(guò)借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)，課程實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)信息數(shù)據(jù)的高效化傳輸。在與此同時(shí)，當(dāng)終端變得越來(lái)越多樣化時(shí)，現(xiàn)有蜂窩用戶(hù)數(shù)量將會(huì)呈現(xiàn)出“指數(shù)爆炸式”增長(zhǎng)趨勢(shì)，所涉及領(lǐng)域較廣，主要包含醫(yī)療行業(yè)、化工行業(yè)、環(huán)保行業(yè)等，這表明，機(jī)器類(lèi)通信技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用為人們打開(kāi)了更為廣闊的市場(chǎng)，為人們的日常生活提供極大的便利。例如：在醫(yī)療行業(yè)中，M2M通信技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在醫(yī)療相關(guān)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程化控制以及無(wú)創(chuàng)手術(shù)的實(shí)施中。又如：我國(guó)天津大學(xué)成功研制和應(yīng)用了NOTES平臺(tái)，該平臺(tái)具有強(qiáng)大的觸覺(jué)功能以及智能化特征，便于醫(yī)護(hù)人員采用遠(yuǎn)程操控的方式，開(kāi)展腔道手術(shù)操作，為手術(shù)的開(kāi)展提供極大的便利，這無(wú)疑促使大規(guī)模通信技術(shù)取得良好的發(fā)展，為人們提供良好的通信服務(wù)，而這得益于大規(guī)模通信優(yōu)化模型的應(yīng)用，因此，為了進(jìn)一提高5G通信水平，在5G技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地構(gòu)建和仿真大規(guī)模通信優(yōu)化模型是技術(shù)人員必須思考和解決的問(wèn)題。

1通信能效問(wèn)題描述

當(dāng)MTC終端數(shù)量變得越來(lái)越多時(shí)，加強(qiáng)對(duì)大量MTC終端的規(guī)范化管理顯得尤為重要，只有確保MTC終端管理的科學(xué)性，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信效率和效果的全面提升，從而更好地滿(mǎn)足多種場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)延時(shí)需求，促使資源利用變得更加科學(xué)化、合理化。

1.1通信能耗問(wèn)題

在網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，一旦出現(xiàn)通信能耗問(wèn)題，將會(huì)直接影響通信質(zhì)量，目前網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景所用到的MTC設(shè)備通常具有龐大、復(fù)雜的功能，MTC設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中，通常需要與其他設(shè)備建立密切的合作關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的安全化、可靠化傳輸。另外，數(shù)據(jù)在實(shí)際傳輸期間，通常會(huì)消耗一定的能量，影響能耗大小的因素主要包含以下2種，一種是傳輸數(shù)據(jù)的距離；另一種是傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。在本次研究中，需要借助相關(guān)模型[1]，精確地計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)通信次數(shù)，能耗傳輸效果通常與通信距離和數(shù)據(jù)發(fā)送頻率兩者之間存在著密切的聯(lián)系，其中，影響MTC發(fā)送頻率的主要因素是中繼選擇的合理性，一旦中繼選擇不達(dá)標(biāo)，那么MTC發(fā)送頻率將會(huì)受到不良影響。由此可見(jiàn)，影響MTC終端總能耗的主要因素是中繼選擇。

1.2通信能效優(yōu)化問(wèn)題

影響MTC終端總體能耗的主要因素是中繼選擇，該總體能耗的控制情況，在某部程度上可以對(duì)無(wú)線(xiàn)通信資源管理產(chǎn)生直接性的影響，因此，技術(shù)人員要在綜合考慮能耗與資源分配2種因素的基礎(chǔ)上，完成對(duì)2種因素指標(biāo)的科學(xué)化、規(guī)范化評(píng)價(jià)。另外，當(dāng)加權(quán)等效增加到最大值，總體能耗降低到最小值，可以獲得最佳總體效能，根據(jù)這一變化規(guī)律，可以制定出相應(yīng)的方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)總體效能的最大化提升。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)通信能效優(yōu)化問(wèn)題的深入分析和研究，需要在充分結(jié)合無(wú)線(xiàn)資源分配的基礎(chǔ)上，科學(xué)調(diào)整和控制MTC終端傳輸順序。此外，還要根據(jù)RB資源的使用情況，將相關(guān)信息數(shù)據(jù)安全、可靠地傳輸于MTC終端中，此時(shí)，MTC終端會(huì)自動(dòng)向操作人員提供相應(yīng)的終端編號(hào)[2]。所有MTC終端在具體的運(yùn)行中，需要選用合適的通信路徑，該通信路徑屬于一種常用的序列，可以將相關(guān)信息數(shù)據(jù)從匯聚節(jié)點(diǎn)所在位置直接傳輸?shù)酵ㄐ旁O(shè)備上。在本次研究中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模通信優(yōu)化模型的科學(xué)構(gòu)建，技術(shù)人員需要根據(jù)所設(shè)置好的編號(hào)排列順序，將向量與MTC終端進(jìn)行充分結(jié)合，在確保通信路徑選用合理的情況下，構(gòu)建出符合實(shí)際使用需求的向量[3]，并將該向量命名為“通信路徑向量”，編號(hào)順序向量與通信路徑向量之間存在一定的差異性，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)2種向量的精確化區(qū)分，需要在科學(xué)調(diào)整和控制多跳通信和發(fā)送功率等參數(shù)的前提下，可以獲得以下2種常用參數(shù)，一種是通信次數(shù)。

2通信能耗問(wèn)題求解

影響通信總體能耗的兩大核心因素主要包含以下2種，分別是MTC傳輸順序、MTC發(fā)送功率。在實(shí)際應(yīng)用中，不同終端所對(duì)應(yīng)的發(fā)送功率通常表現(xiàn)出明顯的差異，如果終端數(shù)量增加到一定程度，將會(huì)導(dǎo)致大數(shù)據(jù)維度不斷增加，如果終端數(shù)目設(shè)置為“N”，那么其傳輸順序所包含的種類(lèi)達(dá)到N∧種，此時(shí)，如果采用常規(guī)算法[4]，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行精確化求解。為了解決這一問(wèn)題，本文在對(duì)通信能耗問(wèn)題進(jìn)行求解期間，需要優(yōu)先選用啟發(fā)式算法。

2.1啟發(fā)式算法的提出

MTC終端中繼選擇是否合理對(duì)MTC發(fā)送功率產(chǎn)生直接性的影響，而能耗優(yōu)化問(wèn)題在某種程度上可以直觀、形象地呈現(xiàn)出回合的網(wǎng)絡(luò)性能。假如MTC終端傳輸數(shù)據(jù)恰好處于所設(shè)置的通信范圍以外，則需要借助匯聚節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的MTC終端，將中繼轉(zhuǎn)發(fā)工作落實(shí)到位，從而最大限度地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院涂茖W(xué)性。在整個(gè)過(guò)程中，當(dāng)通信回合達(dá)到一定數(shù)量后，位于匯聚節(jié)點(diǎn)附近的MTC終端通常會(huì)形成較大能量消耗[5]，但是，其他終端所對(duì)應(yīng)的能量消耗相對(duì)較低，這就表現(xiàn)出了較大的能耗差異問(wèn)題，所以，為了進(jìn)一步提高中繼選擇的規(guī)范性和合理性，需要將MTC終端與匯集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充分結(jié)合，從而確定出合適的歐式距離。總之，MTC終端所含有的剩余能量往往較多，這些剩余能量與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的距離相對(duì)較小，需要將其設(shè)置為中繼節(jié)點(diǎn)，使得能耗得以大幅度降低，只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的科學(xué)化、合理化分配。

2.2遺傳算法求解

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)通信能效優(yōu)化問(wèn)題的全面分析和求解，在本次研究中，要優(yōu)先選用遺傳算法，該遺傳算法主要是由Holland學(xué)者所提出的。遺傳算法主要是在全面參照生物學(xué)自然選擇相關(guān)原理的基礎(chǔ)上所提出的，并充分利用優(yōu)勝劣汰進(jìn)化相關(guān)規(guī)律[6]，求解出最終最優(yōu)結(jié)果。遺傳算法在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要借助初始化群體，然后，利用編碼技術(shù)，對(duì)生物整個(gè)進(jìn)化過(guò)程進(jìn)行科學(xué)地模擬，并采用變異的方式，對(duì)整個(gè)群體進(jìn)行不斷進(jìn)化，最后，獲得最優(yōu)個(gè)體，只有這樣，才能獲得通信能耗問(wèn)題的最優(yōu)解。遺傳算法所獲得的最優(yōu)個(gè)體可以形象直觀地表示為MTC終端編號(hào)順序，通過(guò)對(duì)大量個(gè)體進(jìn)行篩選，可以獲得相應(yīng)的種群，遺傳算法求解步驟如圖1所示。從圖1中可以看出，遺傳算法計(jì)算過(guò)程主要包含以下3個(gè)步驟：（1）初始化種群。通過(guò)采用隨機(jī)排序的方式，對(duì)MTC終端編號(hào)進(jìn)行科學(xué)處理，從而得到傳輸順序向量；（2）適應(yīng)度計(jì)算。針對(duì)當(dāng)前所處的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，將現(xiàn)有個(gè)體代入到總體能效值的計(jì)算公式中，從而精確地求解出最終總體能效值；（3）獲得新個(gè)體。根據(jù)所計(jì)算的適應(yīng)度，獲得最終優(yōu)質(zhì)個(gè)體和交叉的成對(duì)個(gè)體，并從這些成對(duì)個(gè)體中，選出相應(yīng)的子序列[7]，然后，對(duì)這些子序列進(jìn)行交換處理，從而得到相應(yīng)的新個(gè)體。接著，從變異后的個(gè)體中，對(duì)子序列進(jìn)行重新獲取，并采用隨機(jī)排序的方式，對(duì)所獲取的子序列進(jìn)行處理，從而形成新子序列，并將其放回到個(gè)體中，最終形成大量的新個(gè)體，按照以上操作過(guò)程，變異過(guò)程圓滿(mǎn)結(jié)束。

3仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1參數(shù)設(shè)置

在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)采用仿真的方式，對(duì)遺傳算法的最終應(yīng)用效果進(jìn)行有效地驗(yàn)證和分析，并嚴(yán)格按照如表1所示的仿真參數(shù)，做好對(duì)相關(guān)參數(shù)的科學(xué)化、規(guī)范化設(shè)置。首先，要在保證初始能量相同的情況下，準(zhǔn)備500個(gè)醫(yī)療化學(xué)MTC終端，然后，將這些終端全部固定于指定的圓形區(qū)域，圓形區(qū)域中的圓心是匯聚節(jié)點(diǎn)所在位置，MTC網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。能量消耗情況與數(shù)據(jù)發(fā)送情況之間存在著直接性的關(guān)系[8]，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后，所獲得的總通信回合數(shù)目可以形象、直觀地反映出網(wǎng)絡(luò)壽命的長(zhǎng)短。

3.2仿真結(jié)果

在本次研究中，通過(guò)采用對(duì)比分析法，將本文提出的能效優(yōu)化算法表示為HEEOS；將基礎(chǔ)對(duì)比算法表示為Baseline，在整個(gè)選擇中，在充分結(jié)合距離匯聚節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格遵循最小通信距離原則，將實(shí)驗(yàn)操作落實(shí)到位。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，首先，要做好若干個(gè)信噪比閾值的設(shè)置，然后，精確地計(jì)算和統(tǒng)計(jì)2種算法的性能指標(biāo)，從而得到如圖3所示的網(wǎng)絡(luò)性能與信噪比閾值的關(guān)系變化曲線(xiàn)。由圖4可知，該曲線(xiàn)形象、直觀地呈現(xiàn)了平均每回合最大跳數(shù)所對(duì)應(yīng)的變化狀態(tài)，Baseline算法、HEEOS算法2種算法所對(duì)應(yīng)的通信跳數(shù)與信噪比閾值之間呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)信噪比閾值不斷增加時(shí)，通信跳數(shù)呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)。如果信噪比閾值達(dá)到最大值時(shí)，MTC終端通信范圍會(huì)不斷縮小，使得網(wǎng)絡(luò)能耗大幅度降低，進(jìn)而確保所有MTC終端均擁有相同的能耗，這在某種程度上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命的有效延長(zhǎng)。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在本次仿真研究中，與Baseline算法相比，本文所提出的啟發(fā)式優(yōu)化算法具有較高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，不僅可以最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)能效，還能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。此外，網(wǎng)絡(luò)壽命長(zhǎng)短主要是由信噪比閥值決定的，當(dāng)信噪比閾值不斷增加時(shí)，MTC終端所對(duì)應(yīng)的能耗變得越來(lái)越接近，使得網(wǎng)絡(luò)壽命得以大幅度提升，但是卻引發(fā)了一些缺陷，如數(shù)據(jù)的可靠性難以得到有效保證。

作者：任曉云 單位：中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)云南有限公司