无线通信资源配置中的优化问题与方法

无线通信资源配置中的优化问题与方法

王国兴

国家管网集团东部原油储运有限公司宁波输油处 浙江 宁波 315200

摘要：随着社会的不断发展和进步，人们对信息服务的需求变得更加迫切。5G技术作为一种先进的数据信息传输方式，不仅能够实现更快速、更安全、更完整的通信服务，还能推动人们加快更新信息传播理念。它的出现开启了无线通信的新时代。为了实现海量信息的顺畅、及时传输，无线网络通信需要借助完整的网络体系、合理的节点布设以及先进的通信设施设备，以确保各类资源得到充分利用。无线通信网络的基本特征是分布式结构的布置，但是这种结构的内部连接较为复杂。虽然网络资源总量巨大，但各节点资源的数量和种类却有所不同。在通信过程中，这些资源难以做到精准、充分和合理配置，成为影响用户满意度的重要因素。因此，有必要对无线通信网络各个节点资源的配置进行优化，以使整个无线通信网络的结构更加合理。在科研学术领域，学者们长期深入研究和实践，提出了一些解决方案。

关键词：无线通信；资源配置；优化问题

引言

在5G网络中，无线资源的分配是其中的一个重要技术，在资源分配时，要充分考虑到这种技术的实际应用情况，同时要把频谱资源与低频资源合理地结合起来，合理分配。在此基础上，结合5G技术的特性，可以使5G资源更加合理的配置，从而使用户得到更好的网络服务。

1无线通信的背景

最早的无线通信出现在前工业化时期，这些系统使用狼烟、火炬、信号弹或旗语，在视距内传输信息。19世纪中叶以后，随着电报、电话的发明以及电磁波的发现，人类通信领域产生了根本性变革，实现了利用金属导线来传递信息甚至通过电磁波来进行无线通信，使神话中的“顺风耳”“千里眼”变成现实。特别地，1895年，意大利人马可尼(Guglielmo Marconi)在英国怀特岛到30千米之外的一条拖船之间成功进行了无线传输，现代意义下的无线通信从此诞生。从这一天开始，无线通信技术迅速发展，人们能够在更远的传输距离上实现更好的通信质量、更低的功耗、更小的体积和更便宜的价格，使无线通信、无线电视和无线网络等成为现实。1948年，“信息论之父”Shannon发表了题为“A mathematical theory of communication”的论文，建立了通信的数学理论。Shannon的理论对无线通信技术的发展一直影响至今。经过几十年的努力，人们终于可以实现Shannon理论预言的传输信道容量(channel capacity)，也开始思考后Shannon时代的传输容量等问题。展望未来，无线通信在几十年内仍将是通信发展的前沿。未来无线通信的愿景是，任何人与物可以在任何时间、任何地点进行通信，信息基础设施可以为每个家庭、每个企业和每个国家提供数字化的智能服务。为了使未来无线通信的愿景得以实现，首先必须要攻克许多技术上的难题，这些难题贯穿于无线通信系统设计的各个方面。

2自身特点

5G网络最大的优点就是速度快、稳定性好，这是5G网络的优势。利用5G网络，可以增加信号覆盖范围，这样不仅可以打破空间的限制，还可以提升数据的处理能力。5G无线通信技术要求采用系统所选的通道进行数据传送，采用最快的信道提高网络的传输速率，从而避免网络的拥挤。而且，5G网络的无线通信技术具有很高的频谱利用率。虽然在4G网络中，其使用效率得到了提高，但并没有达到预期的效果。在5G网络中，通过降低对覆盖范围的限制，其频谱利用率有了很大的提高。

3无线通信最优资源配置问题

最优资源配置问题[9，10，54，55，63，88，180，183]是无线通信系统设计中的基本问题之一。最优的分配功率、传输波形和频谱等资源能够极大地提高整个通信系统的传输性能。从用户的角度来说，多用户之间的相互干扰是制约整个通信系统高速稳健传输的最主要因素，适当地分配系统资源可以有效地消除多用户之间的相互干扰，从而提高整个通信系统的传输性能。从系统运营者的角度来说，最优地分配系统资源可以有效地提高功率和频谱等昂贵资源的利用率，从而降低运营费用。事实上，系统运营者需要花费几十亿美元才能获取某段频谱的使用权。所以，对于系统运营者而言，功率和频谱的有效利用可以带来更高的回报和更低的运营花费。无线通信最优资源配置问题具有鲜明的结构和特点。传统的无线通信最优资源配置旨在提高频谱利用率(spectral efficiency)，常常涉及以下两类优化问题:第一类优化问题是满足最小传输速率约束下的传输总功率极小化(power minimization)问题，这一类问题主要是从运营商的角度提出的;第二类优化问题是满足传输功率约束下的系统效用函数极大化(system utility maximization)问题，这一类问题是从用户的角度提出的。这两类问题相互关联，一类问题的求解对另一类问题有启发作用。最小传输速率约束条件下的系统传输总功率极小化模型的缺点是对应的优化问题有时可能不可行，而第二类优化模型总是可行的。第二类问题的另一个优点在于可以通过适当选取系统效用函数以平衡系统的整体性能与用户之间的公平性。当前比较热门的效用函数包括和速率(速率的和)、速率的几何平均、速率的调和平均、最小速率等。另外一类研究较多的最优资源配置优化模型是能效(energy efficiency)最大化问题。能效是一个分式形式的指标，其中分子是系统总的传输速率，分母是系统总的发射功率。能效模型是在一定功率约束的条件下极大化能效，即极大化单位功率支持的传输速率。

4多节点需求资源的合理配置

完成上一步的处理工作后，意味着整个无线通信网络的节点布置已经初步形成。接下来需要对需求资源进行均衡配置。为保证配置效率和质量，需要合理分配多节点对应的资源量，并测算不同节点之间的最低传输距离耗时和路径耗时。无线通信网络一般依靠网络传输路径对多个节点进行串联，随后利用MATLAB软件对网络节点进行增删优化。节点资源分配要遵循就近原则和均衡原则。无线通信网络中包括很多的子网络，它们按照分布式结构进行排列，每个子网络解耦中还设有一个基站，主要用于及时收发和处理相关信号资源。根据分布式网络拓扑结构的特性，可知网络的资源配置能力与节点数量成正比。然而，节点的增多会加剧网络系统的复杂性，并且节点的配置性能也存在一定差异。在通信网络运行过程中，往往存在多个相同供应节点同时为一个需求点提供服务的现象，这会造成节点利用不充分，资源分配不合理的问题。为了实现各节点对需求资源的均衡获得，需要根据节点的实际需求量对节点的组合形式进行调整。

结束语

无线通信资源配置在现代通信系统中起着至关重要的作用。随着用户需求的不断增长和无线网络技术的进步，如何合理分配有限的无线资源以实现高效的通信成为一个挑战。然而，资源优化面临着许多问题和困难，需要应用各种方法来解决。

参考文献

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