基于可靠性约束的5G 通信

尹建平，王 聪

（1.中国电信股份有限公司重庆分公司，重庆 401121；2.中通服咨询设计研究院有限公司，重庆 401121）

0 引 言

作为5G 中一种十分重要的通信技术，设备到设备（Device to Device，D2D）通信技术在5G 通信频段中包含3 种通信模式，即复用模式、专用模式以及蜂窝模式。为在专用模式中有效实现自适应选择，需要采用专用通道完成通信功能。基于以往研究，技术人员将研究重点放在通信模式和全缓冲流量模型环节，很少关注5G 通信频段的自适应选择，造成5G 用户无法在5G 通信频段内通过专用信道通信，降低了资源利用效率，且不同模式下的信噪比不稳定，降低了频谱利用率[2]。因此，本文提出基于可靠性约束的5G 通信频段自适应选择，以期能够改善5G 通信网络通信实验与信号吞吐问题。

1 5G 通信频段数学模型的创建

5G 用户依照通信频段的通信状态，创建5G 通信频段的数学模型，即5G 通信网络创建于二维平面，通过有向连通图对5G 通信网络拓扑结构进行描述，公式为

式中：V为5G 通信节点集合；G为5G 通信网络拓扑结构；K为5G 通信网络频段集合。

将5G 通信信号输出节点设为x1，输入节点设为x2，在2 节点同时使用相同频段传输业务的情况下，必须满足条件

式中：uw为通信信号发射功率；a为5G 通信信号干噪声比；N为通信噪声功率；ue为x2节点发射功率；i则为通信节点数量。必须符合式（2）的条件，x2才会接收x1的通信内容。

通信信号功率很容易受通信距离限制。也就是说，通信信号功率会由于通信距离的延长而衰竭。计算通信衰减系数的公式为

式中：ε为通信信号功率的衰减系数；a为参数；d为通信距离。a=2 时，为双径地面反射模型；a=4 时，为自由空间传播模型[3]。

5G 通信频段自适应选择时，选择依据主要为通信信号发射功率。5G 通信频段模型中，信号节点发射功率由其接收功率决定，可描述通信信号接收功率为

式中：up(x1,x2)为5G 通信接收功率；F为x1到x2的通信频段增益，一般为常数，包括天线增益、有效频段增益以及干扰频段增益[4]。

2 创设可靠性约束条件

在5G 通信网络拓扑与可靠性要求相符合的前提下，综合频段干扰状态自适应选择通信频段[5]。假设可靠性约束条件，对5G 通信频段自适应选择进行约束，可靠性约束条件为

式中：Os(x1,x2)为5G 通信频段内i、j节点的拓扑可靠性归一值；Wi,j(max)为5G 通信网络联通状态下，频段内i与j节点不相交路径数；Wi,j为5G 通信频段内i和j节点不相交路径数。通过约束条件，对其频段拓扑结构进行可靠性约束，还要约束5G 通信网络拓扑结构，公式为

式中：A(x)为5G 通信网络频段拓扑可靠性值；H(s)为5G 通信频段2 个节点路径跳数值；e为5G 通信频段跳数约束最大值。

3 5G 通信频段自适应选择

设5G 用户选择上行链路通信，通过网络基站对5G 用户与D2D 用户进行资源分配，采用D2D 通信模式，将节点i发送到网络接收端，该过程受节点j影响。选择可靠性约束技术对节点i突发流量模型进行构建，计算公式为

式中：hi,j为节点i的传输功率；Pi为加性高斯白噪声。为缩减端到端时延，必须进一步提升通信频段的传输速率，缩减通信发送功率的时延Tj，上行链路的通信信道为Xk,n。在Xk,n=0 的情况下，采用D2D 用户通信频段，如果移动网络基站对D2D 用户的第n个端到端延迟进行计算，通信模式可采用服用模式。

在D2D 用户占用专用通信频段的情况下，D2D用户j会对蜂窝模式下的5G 用户产生影响，所以5G用户具有较高的端到端延迟。为缩减5G 用户端到端延迟，有必要加大D2D 用户端到端延迟。基于该情况，D2D 用户可通过专用模式通信，此时移动网络基站会获得5G 用户端到端时延，缩减D2D 用户端到端时延。该情况下的移动网络基站可自适应选择5G 用户n模式。图1 为5G 通信频段自适应选择流程。

图1 5G 通信频段自适应选择流程

4 实验研究

4.1 实验准备

为检验基于可靠性约束的5G 通信频段自适应选择可行性和可靠性，将某5G 通信网络作为对象。这一网络主要由8 根天线和1 个基站组成。基站和信号接收终端路损为154.46 dB，信号接收终端的路损为186.36 dB。2 个用户节点直接通信数量为14 对、宽带为148 kHz 时，使用设计技术对5G 通信频段进行自适应选择。为了确保实验数据和实验结果的可靠性和解释性，比较基于强化学习（记为传统技术1）和基于深度学习（记为传统技术2）2 种常规技术，并进行一组比较实验。建立5G 通信频带的数学模型，设置通信频带的总体可靠性衡量数值为5，自适应算法的迭代数为200，并随机选取5 个5G 通信样本，对其进行详细的频带自适应选择，见表1。

表1 5G 通信频段自适应选择

分析表1 可知，设计技术所选频段干扰大多不超过-100 dBm/Hz，且可靠度都在5 以上，可见设计技术能够达到5G 通信频段自适应选择目标。

4.2 实验结果和讨论

该实验采用5G 通信网络的吞吐率评定3 种技术的性能。5G 通信网络的吞吐能力能够体现5G 通信网络的吞吐能力。当对通信频率进行适应性调整时，它的吞吐率会更高。5G 通信网的吞吐量能力愈强，其对通信波带的适应性愈佳。将5G 通信网络节点数目作为一个变量，从50 个节点数目起，利用电子表格，统计节点数目为50 ～140 个时3 种技术应用下5G 通信网络的吞吐量，如表2 所示。通过分析可以看出，在设计方法应用下，5G 通信网络的吞吐量比较高。尽管3 种技术应用下5G 通信网络的吞吐量都会随着网络节点数目的增加而增加，但设计方法的吞吐量增长所占比重很大。在网络节点数目为140 个时，5G 通信网络的吞吐量能够达到896.65 b/s。但是，在2 种传统技术的应用下，5G 通信网络吞吐量会出现轻微增加。在网络节点数量达到140 个时，传统技术1 应用下的5G 通信网络吞吐量只有286.41 b/s，传统技术2 应用下的5G 通信网络吞吐量只有247.51 b/s，比设计技术要低很多。这表明在设计技术应用下，5G 通信网络吞吐性能可以得到有效改善，所选择的通信频段比较合理。

表2 不同技术下的5G 通信网络吞吐量比较

为进一步验证设计的实用性，比较3 种技术的5G 通信时延。实验变量为通信流量，通过GHFA 软件对不同流量下的5G 通信时延进行测算，依照记录的实验数据，绘制3 种技术的通信时延比较结果，见图2。

图2 3 种技术下的通信实验对比

分析图2 可知，设计技术应用下，5G 通信时延相对较短。尽管在3 种技术应用下5G 的通信时延都会随着网络流量的增大而持续增长，但设计技术的网络时延增长所占比重较低。当通信流量为12 000 Byte 时，5G 的网络时延为1.24 ms，因此可以将网络时延控制在2 ms 之内。但是，2 种常规技术的通信时延会因为通信流量的增大而显著增加，在通信流量为12 000 Byte 时，常规技术1 和常规技术2的通信时延分别为4.12 ms 和4.38 ms，比设计技术的通信时延大得多。此次实验表明，与2 种传统技术相比，设计技术更适于5G 通信频带自适应选择。

5 结 论

5G 通信网络运营过程中，通信频段选择是不可或缺的步骤。以有关文献资料为依据，针对目前5G通信频段自适应选择技术存在的缺点和不足，考虑可靠性约束因素，提出一种新技术，并用实验验证了技术的可行性和可靠性。结果显示，5G 网络的传输速率和吞吐能力得到了极大提升，达到了对现有技术的优化与创新目的。本次实验的开展将为5G 网络中带宽的自动选取奠定基础，提升5G 网络中带宽的自动选取技术水平，具有较强的学术意义和实际应用价值。