无线通信网络中若干智能化技术研究

董思文，张 艳

（1 江扬科技〈无锡〉有限公司 江苏 无锡 214135）

（2 苏州信息职业技术学院 江苏 苏州 215200）

0 引言

目前，智能化技术备受人们的重视。 无线通信网络和智能化技术融合，能够为网络赋能。 将智能化技术应用到无线通信中，能够解决难以求解、难以建模等问题［1］。 在人类社会对于无线通信需求量不断增加的背景下，提高了对服务质量的要求。 目前，针对部分问题制定了设计方案与对策。 基于此，本文通过智能化技术分析其在无线通信网络中的应用。

1 无线通信网络的总体架构

无线通信网络通过远程终端控制，详见图1。 此无线通信网络架构是将 AAA （ authentication， authorization，accounting）安全框架作为基础，通过证书实现远程终端控制的安全认证。 通过客户端、连接设备和主机服务器构成远程终端控制系统，客户端认证用户基本信息，使用标准802.1x 连接交换机，利用安全管理和认证服务器实现数据收集。 利用浏览器／服务器模式系统架构实现无线通信网络远程终端控制系统架构的设计，在用户身份验证中对服务器信息认证，利用浏览器／服务器模式架构审核用户信息，主机服务器应用在安全管理服务器和注册服务器中［2］。

图1 无线网络的架构

无线通信网络用户授权控制器是基于用户分类设计，以不同用户类型配置访问权限，用户能够访问自己权限内网络资源信息。 用户对认证和控制器进行授权，在网络通信时授权用户的访问，验证成功。 对管理效率进行全面考虑，划分网络资源的操作权限，对管理员赋予访问权限，管理人员以用户实际情况分配权限。

在设计过程中，利用无线通信网络远程拨号认证授权后使用协议认证，结合嵌入式无线通信用户服务实现用户访问。 将其作为基础，通过虚拟局域网和访问控制列表分类列表网络访问用户，对网络信息和流量控制，实现无线通信网络用户授权控制器的设计［3］。

2 无线通信网络的硬件设计

2.1 处理器模块

此为无线通信网络节点的核心，能够对数据进行处理、存储和控制流程，实现数据计算和处理，发送到射频模块中。 另外，对射频模块接收的数据信息进行处理，实现硬件平台其他模块操作的控制。

MSP430 单片机的工作电压比较低，正常工作状态下的电压为1.8～3.6 V。 在活动模式下的工作电流只需要280 μA，关闭时的电流为0.1 μA。 单片机设置高频时钟、低频时钟与网络振荡器，并且设置丰富外围接口，包括I2C 接口、串行外围设备接口（serial peripheral interface，SPI）、标准串口等，能够实现中断唤醒的功能，利用中断将单片机转变成为活动模式。 将两个时钟设置到处理器模块中，分别为：高频时钟，一般在活动状态下对信息进行高速处理；低频时钟，一般为内部定时器，在休眠状态下也能够定时。

2.2 射频模块

射频模块使用CC2420 无线射频芯片，设置完全集成压控振荡器，只需要16 MHz 晶振、天线等少量外围电路，就能够工作在2.4 GHz 频段中。

射频模块能够将数据通过射频方式进行发送、接收，以及处理器模块使用SPI 通信方式，在SPI 接口中实现全部操作。 处理器在SPI 主模式中，射频模块在SPI 子模式中。

2.3 天线模块

无线收发模块电路主要包括外围电路和CC2431 芯片，因为CC2431 使8051 内核和无线收发模块在一个芯片中集成，所以使电路设计过程简化，省去对于单片机和无线收发芯片的设计，使研发周期缩短［4］。

2.3.1 输入／输出匹配

射频（radio frequency，RF）输入／输出主要包括高阻与差动，RF 口适合差动负载为115 ～180 Ω。 在对不平衡天线使用过程中，可以使用不平衡变压器优化性能。 在低成本单独电感器场中应用不平衡变压器，结合印刷电路板微波传送带线，从而匹配RF 输入／输出阻抗50 Ω。 在低噪声和功率放大器之间设置CC2431，通过实现开关电路的发送与接收。 利用平衡天线能够节约不平衡变压器，比如折叠式偶极天线。 如果天线从引脚TXRX⁃SWITCH 到引脚RF 能够实现直流通路，不需要利用电感器实现直流偏置。

芯片第22 和第26 引脚接偏置电阻，偏置电阻为R221 和R261。 片上稳压器能够提供所有1.8 V 的电源供应引脚与内部电源，要求芯片在第24 和第42 接C241 和C421 电容保证其稳定性。 为了得出优良性能，要求使用电源退耦［5］。

2.3.2 联合测试工作组接口模块

图2 为接口模块的原理，接口电路使用10 脚排针，能够实现节点程序的下载、节点信息数据、在线调试和网络数据传输。

图2 接口模块的原理

2.4 其他模块

通过RS232 电平转换实现串口模块的设计，和上位机进行串行通信，利用超级终端将字符显示出来。 与测试工作组调试模块结合，使MSP430 单片机在线调试更加方便，利用普通5 号电池设计电源模块，输出直流3.3 V，将能量提供给电源模块。 ZigBee 设备对象为控制对象模块，通过射频按钮能够控制另外节点的发光二极管。

无线节点的软件结构的层次架构为TinyOS 操作系统，通过硬件抽象层和协议栈部分构成。 利用CC2420 射频芯片能够实现节点间的无线通信，因为射频芯片比较耗能，其驱动程序的设计关系着无线网络节点的通信能力和节点生命周期。 在传感节点EEPROM 所存储的数据中，邻居表和路由表为主要所占空间。 路由表对下一跳地址和保存目标地址等信息进行保存，邻居表实现链路质量、扩展地址、相互关系和网络地址等信息的保存。 利用无线传感器节点收集基础数据，将监控点物理量信息朝着数字信号转变，通过微控制器和传感器实现。 设备文件通过Linux 虚拟文件系统进行管理，对用户空间程序和接口实现交互。 用户空间为内核空间，底层包括通信协议和传输控制协议。 用户应用程序为最上层，利用API 函数对各个协议程序进行管理，对数据进行收集和处理。

3 无线通信网络的体系设计

3.1 一级网络

一级网络核心设备为主站协调器，对路由表进行存储。 利用无线路由进行通信，在通信系统运行中能够使终端系统数据信息在主站中传输，之后经过主站使数据在上位机中传输。 分站调节器不能够主动向主站发送数据和信息，只能够听从主站协调器调取回复。 另外，在一级网络设计过程中，为了能够保证通信网络系统稳定性、传输时效性、运行顺畅性，还要实现跳级功能的设计，实现分站协调器的信息传输［6］。

3.2 二级网络

二级网络设计包括传感器和节点调节器构成，二级网络核心设备为节点协调器。 由于二级网络的频段比较多，可以利用广播通信的方式得出传感器数据，在多功能终端使用传感器数据。 节点主协调器能够保存通信地址和频段，通过主动方式实现节点主协调器的传输。 其次，主站协调器对上位机数据信息进行接收，能够解析数据帧。 结合质量监测系统实际运行的情况和需求，在系统运行过程中能够将信息传输给主协调器，为了避免存在传输混乱、数据冲突等情况，在通信网络系统设计中，要设计不同的通信节点信道分区，避免出现数据冲突，使通信系统顺利开展。

3.3 数据传输

针对一级无线通信网络来说，主站协调器为核心设备，上位机和整个网络实现数据信息传输的主要途径为主站协调器。 另外，为了能够顺利传输数据，上位机在为主站协调器发送数据指令数据帧的过程中，要设置分站协调器身份证标识号（identity document，ID），从而使指令能够精准地在分站协调器中传输。 之后，主站协调器接收上位机数据信息，实现数据帧的解析处理，对分站协调器ID 进行调取，之后根据ID 对比路由表，从而对分站ID 通信路径进行提取，使数据帧和通信路径在分站协调器中发送。分站协调器在对数据帧接收后解析，假如路径中存在自身ID 但是不是自己目标点时，要在后续分站协调器中传输，实现自身中继功能。 利用目标分站协调器解析数据信息，通过终端采集数据并处理，打包为无线路由器进行传输，上传到主站协调器中，利用上位机传输数据。 在对数据进行传输时，假如终端数据信息无法在数据包中上传，就要将其作为多个数据包进行上传处理，保证数据信息上传的完整性。 假如上传时的数据包丢失，要重新下发数据包指令［7］，表1 为IP 配置。

表1 IP 配置

4 无线网络的性能预测

对网络质量造成影响的因素比较多，在不同网络结构、无线环境、用户行为、参数配置等多维度因素影响中，会使各种网络性能出现不同的情况，此为比较复杂的多元非线性函数关系。

4.1 多层感知预测模型

利用误差反向传播网络模型验证，通过正向与反向的传播实现模型的设计。 包括输入输出层与隐层，通过输出层对外界输入信息进行接收，在中间层各节点进行传递［8］。 中间层属于隐层内部信息处理层，实现信息的转换。 以信息的变化需求设计单隐层和多隐层，最后的隐层在输出层各个节点信息中心输出，从而实现正向传播；输出层能够处理输出信息。 多层感知器模型见图3。

图3 多层感知器模型

如果实际输出和期望输出不满足需求，就要实现误差反向传播。 误差通过输出层的梯度下降方式实现各层权值隐层、输入层的逐层反转［9］。 在此过程中，信息的正向传播和误差方向传播都能够作为各层权值调整的过程。本文以全球移动通信系统海量运维数据为基础，对不同无线网络性能估值表建模与预测能力分析。

4.2 网络性能指标

（1）预测试验1。 业务信道拥塞次数指标：表2 为训练数据预测精度，针对业务信道拥塞次数指标的71 项关键影响因素创建指标预测模型，错误率比较低。

表2 训练数据预测精度

（2）预测试验2。 独立专用控制信道拥塞次数指标：针对此指标，利用71 项关键影响因素创建指标预测模型，一共训练35 433 个小区数据，预测正确小区数为35 308个，准确率为99.647 2%［10］。

5 结语

无线通信网络为我国发展过程中尤为重要的技术，各行业的发展与无线通信网络具有密切关系。 本文设计了无线通信网络控制系统，通过测试表明此系统的性能和功能都满足设计需求。 利用大数据模型的学习和训练，能够对每个小区级无线网络质量趋势进行预测，以此给出资源配置建议与需要网络优化的重点小区列表，使网络优化工作事后处理模式转变为预先评估预警模式。 但是本文研究还存在多种不足，在今后研究中要从数据压缩技术和路由算法两方面提高无线通信网络远程终端的数据传输性能。