無線通信網(wǎng)絡(luò)中若干智能化技術(shù)研究

董思文，張 艷

（1 江揚科技〈無錫〉有限公司 江蘇 無錫 214135）

（2 蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215200）

0 引言

目前，智能化技術(shù)備受人們的重視。 無線通信網(wǎng)絡(luò)和智能化技術(shù)融合，能夠為網(wǎng)絡(luò)賦能。 將智能化技術(shù)應(yīng)用到無線通信中，能夠解決難以求解、難以建模等問題［1］。 在人類社會對于無線通信需求量不斷增加的背景下，提高了對服務(wù)質(zhì)量的要求。 目前，針對部分問題制定了設(shè)計方案與對策。 基于此，本文通過智能化技術(shù)分析其在無線通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

1 無線通信網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)

無線通信網(wǎng)絡(luò)通過遠(yuǎn)程終端控制，詳見圖1。 此無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是將 AAA （ authentication， authorization，accounting）安全框架作為基礎(chǔ)，通過證書實現(xiàn)遠(yuǎn)程終端控制的安全認(rèn)證。 通過客戶端、連接設(shè)備和主機服務(wù)器構(gòu)成遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)，客戶端認(rèn)證用戶基本信息，使用標(biāo)準(zhǔn)802.1x 連接交換機，利用安全管理和認(rèn)證服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集。 利用瀏覽器／服務(wù)器模式系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計，在用戶身份驗證中對服務(wù)器信息認(rèn)證，利用瀏覽器／服務(wù)器模式架構(gòu)審核用戶信息，主機服務(wù)器應(yīng)用在安全管理服務(wù)器和注冊服務(wù)器中［2］。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

無線通信網(wǎng)絡(luò)用戶授權(quán)控制器是基于用戶分類設(shè)計，以不同用戶類型配置訪問權(quán)限，用戶能夠訪問自己權(quán)限內(nèi)網(wǎng)絡(luò)資源信息。 用戶對認(rèn)證和控制器進(jìn)行授權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)通信時授權(quán)用戶的訪問，驗證成功。 對管理效率進(jìn)行全面考慮，劃分網(wǎng)絡(luò)資源的操作權(quán)限，對管理員賦予訪問權(quán)限，管理人員以用戶實際情況分配權(quán)限。

在設(shè)計過程中，利用無線通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程撥號認(rèn)證授權(quán)后使用協(xié)議認(rèn)證，結(jié)合嵌入式無線通信用戶服務(wù)實現(xiàn)用戶訪問。 將其作為基礎(chǔ)，通過虛擬局域網(wǎng)和訪問控制列表分類列表網(wǎng)絡(luò)訪問用戶，對網(wǎng)絡(luò)信息和流量控制，實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)用戶授權(quán)控制器的設(shè)計［3］。

2 無線通信網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計

2.1 處理器模塊

此為無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲和控制流程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)計算和處理，發(fā)送到射頻模塊中。 另外，對射頻模塊接收的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，實現(xiàn)硬件平臺其他模塊操作的控制。

MSP430 單片機的工作電壓比較低，正常工作狀態(tài)下的電壓為1.8～3.6 V。 在活動模式下的工作電流只需要280 μA，關(guān)閉時的電流為0.1 μA。 單片機設(shè)置高頻時鐘、低頻時鐘與網(wǎng)絡(luò)振蕩器，并且設(shè)置豐富外圍接口，包括I2C 接口、串行外圍設(shè)備接口（serial peripheral interface，SPI）、標(biāo)準(zhǔn)串口等，能夠?qū)崿F(xiàn)中斷喚醒的功能，利用中斷將單片機轉(zhuǎn)變成為活動模式。 將兩個時鐘設(shè)置到處理器模塊中，分別為：高頻時鐘，一般在活動狀態(tài)下對信息進(jìn)行高速處理；低頻時鐘，一般為內(nèi)部定時器，在休眠狀態(tài)下也能夠定時。

2.2 射頻模塊

射頻模塊使用CC2420 無線射頻芯片，設(shè)置完全集成壓控振蕩器，只需要16 MHz 晶振、天線等少量外圍電路，就能夠工作在2.4 GHz 頻段中。

射頻模塊能夠?qū)?shù)據(jù)通過射頻方式進(jìn)行發(fā)送、接收，以及處理器模塊使用SPI 通信方式，在SPI 接口中實現(xiàn)全部操作。 處理器在SPI 主模式中，射頻模塊在SPI 子模式中。

2.3 天線模塊

無線收發(fā)模塊電路主要包括外圍電路和CC2431 芯片，因為CC2431 使8051 內(nèi)核和無線收發(fā)模塊在一個芯片中集成，所以使電路設(shè)計過程簡化，省去對于單片機和無線收發(fā)芯片的設(shè)計，使研發(fā)周期縮短［4］。

2.3.1 輸入／輸出匹配

射頻（radio frequency，RF）輸入／輸出主要包括高阻與差動，RF 口適合差動負(fù)載為115 ～180 Ω。 在對不平衡天線使用過程中，可以使用不平衡變壓器優(yōu)化性能。 在低成本單獨電感器場中應(yīng)用不平衡變壓器，結(jié)合印刷電路板微波傳送帶線，從而匹配RF 輸入／輸出阻抗50 Ω。 在低噪聲和功率放大器之間設(shè)置CC2431，通過實現(xiàn)開關(guān)電路的發(fā)送與接收。 利用平衡天線能夠節(jié)約不平衡變壓器，比如折疊式偶極天線。 如果天線從引腳TXRX?SWITCH 到引腳RF 能夠?qū)崿F(xiàn)直流通路，不需要利用電感器實現(xiàn)直流偏置。

芯片第22 和第26 引腳接偏置電阻，偏置電阻為R221 和R261。 片上穩(wěn)壓器能夠提供所有1.8 V 的電源供應(yīng)引腳與內(nèi)部電源，要求芯片在第24 和第42 接C241 和C421 電容保證其穩(wěn)定性。 為了得出優(yōu)良性能，要求使用電源退耦［5］。

2.3.2 聯(lián)合測試工作組接口模塊

圖2 為接口模塊的原理，接口電路使用10 腳排針，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點程序的下載、節(jié)點信息數(shù)據(jù)、在線調(diào)試和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 接口模塊的原理

2.4 其他模塊

通過RS232 電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)串口模塊的設(shè)計，和上位機進(jìn)行串行通信，利用超級終端將字符顯示出來。 與測試工作組調(diào)試模塊結(jié)合，使MSP430 單片機在線調(diào)試更加方便，利用普通5 號電池設(shè)計電源模塊，輸出直流3.3 V，將能量提供給電源模塊。 ZigBee 設(shè)備對象為控制對象模塊，通過射頻按鈕能夠控制另外節(jié)點的發(fā)光二極管。

無線節(jié)點的軟件結(jié)構(gòu)的層次架構(gòu)為TinyOS 操作系統(tǒng)，通過硬件抽象層和協(xié)議棧部分構(gòu)成。 利用CC2420 射頻芯片能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點間的無線通信，因為射頻芯片比較耗能，其驅(qū)動程序的設(shè)計關(guān)系著無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信能力和節(jié)點生命周期。 在傳感節(jié)點EEPROM 所存儲的數(shù)據(jù)中，鄰居表和路由表為主要所占空間。 路由表對下一跳地址和保存目標(biāo)地址等信息進(jìn)行保存，鄰居表實現(xiàn)鏈路質(zhì)量、擴(kuò)展地址、相互關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)地址等信息的保存。 利用無線傳感器節(jié)點收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將監(jiān)控點物理量信息朝著數(shù)字信號轉(zhuǎn)變，通過微控制器和傳感器實現(xiàn)。 設(shè)備文件通過Linux 虛擬文件系統(tǒng)進(jìn)行管理，對用戶空間程序和接口實現(xiàn)交互。 用戶空間為內(nèi)核空間，底層包括通信協(xié)議和傳輸控制協(xié)議。 用戶應(yīng)用程序為最上層，利用API 函數(shù)對各個協(xié)議程序進(jìn)行管理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理。

3 無線通信網(wǎng)絡(luò)的體系設(shè)計

3.1 一級網(wǎng)絡(luò)

一級網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備為主站協(xié)調(diào)器，對路由表進(jìn)行存儲。 利用無線路由進(jìn)行通信，在通信系統(tǒng)運行中能夠使終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息在主站中傳輸，之后經(jīng)過主站使數(shù)據(jù)在上位機中傳輸。 分站調(diào)節(jié)器不能夠主動向主站發(fā)送數(shù)據(jù)和信息，只能夠聽從主站協(xié)調(diào)器調(diào)取回復(fù)。 另外，在一級網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中，為了能夠保證通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定性、傳輸時效性、運行順暢性，還要實現(xiàn)跳級功能的設(shè)計，實現(xiàn)分站協(xié)調(diào)器的信息傳輸［6］。

3.2 二級網(wǎng)絡(luò)

二級網(wǎng)絡(luò)設(shè)計包括傳感器和節(jié)點調(diào)節(jié)器構(gòu)成，二級網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備為節(jié)點協(xié)調(diào)器。 由于二級網(wǎng)絡(luò)的頻段比較多，可以利用廣播通信的方式得出傳感器數(shù)據(jù)，在多功能終端使用傳感器數(shù)據(jù)。 節(jié)點主協(xié)調(diào)器能夠保存通信地址和頻段，通過主動方式實現(xiàn)節(jié)點主協(xié)調(diào)器的傳輸。 其次，主站協(xié)調(diào)器對上位機數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接收，能夠解析數(shù)據(jù)幀。 結(jié)合質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)實際運行的情況和需求，在系統(tǒng)運行過程中能夠?qū)⑿畔鬏斀o主協(xié)調(diào)器，為了避免存在傳輸混亂、數(shù)據(jù)沖突等情況，在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計中，要設(shè)計不同的通信節(jié)點信道分區(qū)，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，使通信系統(tǒng)順利開展。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸

針對一級無線通信網(wǎng)絡(luò)來說，主站協(xié)調(diào)器為核心設(shè)備，上位機和整個網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)闹饕緩綖橹髡緟f(xié)調(diào)器。 另外，為了能夠順利傳輸數(shù)據(jù)，上位機在為主站協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)指令數(shù)據(jù)幀的過程中，要設(shè)置分站協(xié)調(diào)器身份證標(biāo)識號（identity document，ID），從而使指令能夠精準(zhǔn)地在分站協(xié)調(diào)器中傳輸。 之后，主站協(xié)調(diào)器接收上位機數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的解析處理，對分站協(xié)調(diào)器ID 進(jìn)行調(diào)取，之后根據(jù)ID 對比路由表，從而對分站ID 通信路徑進(jìn)行提取，使數(shù)據(jù)幀和通信路徑在分站協(xié)調(diào)器中發(fā)送。分站協(xié)調(diào)器在對數(shù)據(jù)幀接收后解析，假如路徑中存在自身ID 但是不是自己目標(biāo)點時，要在后續(xù)分站協(xié)調(diào)器中傳輸，實現(xiàn)自身中繼功能。 利用目標(biāo)分站協(xié)調(diào)器解析數(shù)據(jù)信息，通過終端采集數(shù)據(jù)并處理，打包為無線路由器進(jìn)行傳輸，上傳到主站協(xié)調(diào)器中，利用上位機傳輸數(shù)據(jù)。 在對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時，假如終端數(shù)據(jù)信息無法在數(shù)據(jù)包中上傳，就要將其作為多個數(shù)據(jù)包進(jìn)行上傳處理，保證數(shù)據(jù)信息上傳的完整性。 假如上傳時的數(shù)據(jù)包丟失，要重新下發(fā)數(shù)據(jù)包指令［7］，表1 為IP 配置。

表1 IP 配置

4 無線網(wǎng)絡(luò)的性能預(yù)測

對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量造成影響的因素比較多，在不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、無線環(huán)境、用戶行為、參數(shù)配置等多維度因素影響中，會使各種網(wǎng)絡(luò)性能出現(xiàn)不同的情況，此為比較復(fù)雜的多元非線性函數(shù)關(guān)系。

4.1 多層感知預(yù)測模型

利用誤差反向傳播網(wǎng)絡(luò)模型驗證，通過正向與反向的傳播實現(xiàn)模型的設(shè)計。 包括輸入輸出層與隱層，通過輸出層對外界輸入信息進(jìn)行接收，在中間層各節(jié)點進(jìn)行傳遞［8］。 中間層屬于隱層內(nèi)部信息處理層，實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換。 以信息的變化需求設(shè)計單隱層和多隱層，最后的隱層在輸出層各個節(jié)點信息中心輸出，從而實現(xiàn)正向傳播；輸出層能夠處理輸出信息。 多層感知器模型見圖3。

圖3 多層感知器模型

如果實際輸出和期望輸出不滿足需求，就要實現(xiàn)誤差反向傳播。 誤差通過輸出層的梯度下降方式實現(xiàn)各層權(quán)值隱層、輸入層的逐層反轉(zhuǎn)［9］。 在此過程中，信息的正向傳播和誤差方向傳播都能夠作為各層權(quán)值調(diào)整的過程。本文以全球移動通信系統(tǒng)海量運維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對不同無線網(wǎng)絡(luò)性能估值表建模與預(yù)測能力分析。

4.2 網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)

（1）預(yù)測試驗1。 業(yè)務(wù)信道擁塞次數(shù)指標(biāo)：表2 為訓(xùn)練數(shù)據(jù)預(yù)測精度，針對業(yè)務(wù)信道擁塞次數(shù)指標(biāo)的71 項關(guān)鍵影響因素創(chuàng)建指標(biāo)預(yù)測模型，錯誤率比較低。

表2 訓(xùn)練數(shù)據(jù)預(yù)測精度

（2）預(yù)測試驗2。 獨立專用控制信道擁塞次數(shù)指標(biāo)：針對此指標(biāo)，利用71 項關(guān)鍵影響因素創(chuàng)建指標(biāo)預(yù)測模型，一共訓(xùn)練35 433 個小區(qū)數(shù)據(jù)，預(yù)測正確小區(qū)數(shù)為35 308個，準(zhǔn)確率為99.647 2%［10］。

5 結(jié)語

無線通信網(wǎng)絡(luò)為我國發(fā)展過程中尤為重要的技術(shù)，各行業(yè)的發(fā)展與無線通信網(wǎng)絡(luò)具有密切關(guān)系。 本文設(shè)計了無線通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過測試表明此系統(tǒng)的性能和功能都滿足設(shè)計需求。 利用大數(shù)據(jù)模型的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，能夠?qū)γ總€小區(qū)級無線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量趨勢進(jìn)行預(yù)測，以此給出資源配置建議與需要網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重點小區(qū)列表，使網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作事后處理模式轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)先評估預(yù)警模式。 但是本文研究還存在多種不足，在今后研究中要從數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和路由算法兩方面提高無線通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)傳輸性能。