基于QoS的5G无线网络规划方法

王 琦

（广东邮电职业技术学院 信息与通信工程学院，广东 广州 510630）

0 引 言

5G无线网络作为一种分组交换技术的实际应用，理论上是能够支持180 kb/s的通信数据传输，以此为更多的网络用户提供数据、视频以及语音等多媒体资源[1]。但当前5G无线网络也存在十分明显的缺陷问题，其传输能力会受到周围外界环境和内部对数据处理能力等因素的严重制约，进而造成5G无线网络在传输数据时会产生较大的延迟，并且很难对其进行控制[2]。针对5G无线网络稳定运行的规划方法主要是采用人工修改QoS参数的方式实现数据延迟的降低，该方法在实际应用中存在一定局限性，只能确保在有限的时间内完成，无法结合网络的实际流量进行调节和规划[3]。由于5G无线网络中的数据具有极大的随意性特点，因此通过这种相对静态的规划方法很难实现对5G无线网络规划控制效果的预期。

1 5G无线网络规划方法设计

1.1 网络数据流量估算

通常情况下，网络数据流量随着时间的变化而变化，并且流量的变化特征符合指数规律。因此，5G无线网络数据流量的特征参数可表示为：

式中，y表示为网络数据流量的特征参数；k表示为网络流量特征指数；Yo表示网络数据流量数；t表示数据流量变化的时间。由于5G无线网络中的数据通信业务具有一定的随机性，数据流量会受到影响产生波动，因此可通过对待估计参数值计算的方式预测数据流量[4]。

由于模糊神经网络具有良好的非线性预测特点，因此本文采用模糊神经网络对5G无线网络数据流量进行动态估算。上述待估计参数均可根据Fuzzy得出，并且其取值可在[A-,A+]区间范围内自由选择。根据模糊神经网络模型，得出Fuzzy参数的隶属参数表达式为：

式中，当A的取值在[A-,A+]区间范围内时，则进行第一种计算；当A的取值不属于[A-,A+]区间范围时，则A的取值为0。再经过线性化处理后，可通过最小二乘法的方式得到含有待估计参数的数值，表达式为：

式中，Sl(k)表示为通过最小二乘法得出的含有待估计参数的数值；k表示为数据流量特征指数。

1.2 多场景5G无线网络线路路径规划

结合网络数据流量估算结果规划其线路路径。5G无线网络主要由线路终端、网络单元以及分配网络组成，其中分配网络通常会被线路终端和用户的接入点划分为两个不同的分区[5]。针对这一现象，本文采用启发式方法，随机形成满足条数约束条件的规划边，连通整个5G无线网络。网络拓扑结构可表示为：

式中，A表示为网络拓扑结构矩阵；i和j分别表示为两个网络拓扑结构上的节点。若节点i和节点j之间存在一条规划路径连接，则此时aij取值为1。由于网络的邻接矩阵属于无向图连接属性，因此说明网络拓扑结构矩阵A为对称矩阵，因此进一步得出：

通过式（5）可知，在对多场景下网络规划时，只用邻接矩阵的上半部分即可，以此能够更加直观的表示5G无线网络线路。由于5G无线网络结构复杂，因此可能存在线路交叉的问题。出现交叉后，无线网路线路可能无法实现对数据的传输，对此需要利用Ford-Fulkerson检验两个需要进行连接的规划点间的连通性[6-8]。

1.3 基于QoS的突发数据业务优先级保障

对于不同数据业务级别的内容，应当进行优先级仲裁，确保级别更高的数据业务能够获得优先服务[9]。基于此，本文引入一种有限服务状态机制，实现优先级仲裁。在有限状态机制当中包含了数据业务的事件、状态以及转换等内容，能够清晰地反映输入符号与当前5G无线网络状态到效益状态的实际情况。当输入符号串时，有限状态机制开始运行，并进入到起始状态，利用连接和箭头指向的方式对数据业务进行描述。箭头所指方向为状态转移的方向，箭头线主要用于对状态转换条件和优先级进行标注。图1为基于Qos的5G无线网络有限状态机制。

图1 5G无线网络有限状态机制

根据不同数据业务的优先级划分结果，当出现低优先级数据业务占用5G无线网络处理资源的情况时，在设置相应状态转换条件后，优先级更高的网络用户能够优先获得服务，以此提高5G无线网络对数据业务的服务质量[10]。通过本文上述论述，完成对5G无线网络的路径规划。

2 对比实验

2.1 实验准备

结合本文上述理论论述内容，验证基于QoS的5G无线网络规划方法的实际应用效果，为确保实验具有可对比性，本文将选用传统规划方法和新的规划方法共同针对统一5G无线网络进行规划。利用C++语言完成对两种规划方法的对比实验，选择某容量选项为K=（15,30,45,60）的5G无线网络，其链路结构的最大使用率为0.85。在该5G无线网络上，随机选择6个节点作为本文实验案例，其每个节点相互之间的边连通。

为确保实验过程与实际5G无线网络的运行状态相符，本文采用随机方式产生网络中流量矩阵。同时在实验过程中对最大网络数据流量和最小网络数据流量进行规定，不同节点之间的流量需要分别通过最大网络数据流量和最小网络数据流量要求范围以内随机产生，其数值取值为整数。考虑到5G无线网络的链路流量分配要求，规定本文实验中的5G无线网络的拓扑结构。

将5G无线网络拓扑结构作为基础，分别利用本文规划方法和传统规划方法对网络中各个节点进行规划，分别得到5个不同网络分区，将完成规划后的5G无线网络覆盖率作为实验对比指标。5G无线网络覆盖率的计算为：

式中，P表示为通过本文或传统规划方法得到的5G无线网络覆盖率；n表示为网络最大连通网络的元数据数量；S表示网络中包含的元数据数量。

2.2 实验结果及分析

实验选择网络分区标号作为实验对象，并结合本文上述实验准备及式（6）计算得出两种不同规划方法的5G无线网络覆盖率，并对其进行记录，绘制成如表1所示的实验结果对比表。

表1 两种规划方法实验结果对比表

从表1中实验结果可以看出，通过本文规划方法得到的5个网络分区与通过传统规划方法得到的5个网络分区相比覆盖率明显更高，均达到了95.00%以上，而传统规划方法的覆盖率仅在60.00%～80.00%。因此，通过对比实验证明，本文设计的基于QoS的5G无线网络规划方法在应用于实际5G无线网络当中时，能够实现对元数据的高覆盖率，实现高资源利用率、低运算复杂度的5G无线网络运行模式。

3 结 论

本文基于Qos服务质量对5G无线网络规划方法进行设计，在充分考虑到网络服务需要的情况下提出一种全新的规划方法，并通过实验证明了该方法的应用优势。但由于研究能力有限，本文在对规划方法设计过程中并未考虑到不同领域中5G无线网络的运行性能，因此针对部分网络可能存在消息冗余度增加的问题。针对这一问题，在后续的研究中还将进行更加深入地研究，从而设计一种更加完善的网络规划方法。