基于信息时效性的通信和计算融合机理研究

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2023年8月25日第40卷第16期
通信网络技术
DOI：10.19399/ki.tpt.2023.16.052
基于信息时效性的通信和计算融合机理研究
汪　超1,2
（1.郑州大学，河南 郑州 450000；2.中国农业银行股份有限公司河南省分行，河南 郑州 450000）
摘要：随着信息技术的高速发展和数字化转型的推进，通信和计算在现代社会中扮演着重要角色。

然而，传统的通信和计算系统往往存在时延大、带宽瓶颈以及能耗高等问题，无法满足快速传输和处理的需求。

为提高通信和计算系统的性能与效率，满足信息时代快速传输和处理的需求，采用案例分析和仿真模拟等手段，研究通信和计算融合的机理。

研究结果表明，基于信息时效性的通信和计算融合可以显著改善系统的性能，缩短通信时延、提高带宽利用率，并减少系统能耗。

通过优化网络拓扑结构、协议设计和资源分配策略，实现数据传输速度和计算处理能力的有效提升，满足用户对信息时效性的需求，可为通信与计算机领域的相关人员提供一定参考。

关键词：信息时效性；通信技术；计算机融合机理
Research on the Mechanism of Communication and Computing Fusion Based on Information
Timeliness
WANG Chao 1,2
(1.Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, China;
2.Agricultural Bank of China Limited Henan Branch, Zhengzhou 450000, China)
Abstract: With the rapid development of information technology and the advancement of Digital transformation, communication and computing play an important role in modern society. However, traditional communication and computing systems often face issues such as high latency, bandwidth bottlenecks, and high energy consumption, which cannot meet the needs of fast transmission and processing. In order to improve the performance and efficiency of communication and computing systems, in order to meet the needs of rapid transmission and processing in the information age. This study uses case analysis and simulation methods to study the mechanism of communication and computing fusion. The research results indicate that communication and computing fusion based on information timeliness can significantly improve system performance, reduce communication latency, improve bandwidth utilization, and reduce system energy consumption. By optimizing network topology, protocol design, and resource allocation strategies, effective improvements in data transmission speed and computing processing capabilities have been achieved, meeting users ’ needs for information timeliness. This can provide some reference for personnel in the communication and computer fields.
Keywords: timeliness of information; communication technology; computer fusion mechanism
0　引　言
在信息时代，数据的传输和处理要求更加迅捷高效。

通信和计算是实现信息传递和处理的2个重要方面，然而传统的通信和计算系统往往存在时延大、带宽瓶颈和能耗高等问题。

将通信和计算相互融合，可以实现更高效、更快速的数据传输和处理，满足现代社会对时效性的要求。

因此，开展基于信息时效性的通信和计算融合机理研究具有重要意义，对于推动通信和计算领域的发展和应用具有积极影响。

1　通信和计算融合研究背景
1.1　基于信息时效性的通信和计算融合的意义和目标
在大数据和云计算技术的推动下，人们的工作和生活节奏加快，对信息的需求日益增长，因此加快信息传播的速度和保护信息安全迫在眉睫[1]。

将计算机技术与通信技术相结合，能够有效提升通信技术
的安全性，避免信息传输中的泄露或中断问题。

将加密技术应用于通信技术可以保障信息传输的安全，为居民和企业的隐私提供保护。

1.2　研究问题的引出和研究动机
在当前信息技术迅猛发展的时代背景下，通信和计算技术成为人们获取、传播和处理信息的重要手段。

然而，随着网络上信息类型的增多和数量的激增，传统的通信和计算系统面临诸多问题和挑战。

时延大、带宽瓶颈、能耗高等问题限制了信息的快速传播和处理，如果不能及时提升信息传播速率，将对个人和企业的后续发展产生消极影响。

因此，提高通信和计算系统的性能和效率，满足信息时代快速传输和处理的需求迫在眉睫。

2　研究方法与数据收集
2.1　案例分析的应用与选择
为解决当前信息技术存在问题，某市开发了一种基于算网融合新兴技术，将通信网络设施与异构计算设施融合发展，统一编排管控数据、计算、网络等多种资源，达到提高信息传播速度和效率的目的[2]。

在
收稿日期：2023-06-22
作者简介：汪　超（1994—），男，河南郑州人，本科，工程师，主要从事网络管理工作。

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全栈专属云中，通信与计算的融合可以整合不同来源
的数据，快速传输和处理大量复杂的数据。

例如，通过全栈专属云对用户的移动数据、社交媒体数据、设备传感器数据等进行汇集和分析，快速提供数据处理结果，帮助企业和个人更好地把握市场动态和需求。

2.2　仿真模拟方法和试验设计
为了验证基于算网融合新兴技术在解决信息技术问题中的有效性，采用仿真模拟方法和试验设计进行验证和评估。

仿真过程包括模拟通信网络设施、异构计算设施和数据来源等，并设定相关参数和规则，如传输速率、数据量和处理能力等。

数据传输速率计算公式为 S =1/T （log 2N ） （1）式中：T 为一个数字脉冲信号的宽度(全宽码)或重复周期(归零码)，s ；N 为一个码元所取的离散值个数。

在数据传输领域，通常使用二进制信息来表示和传输数据。

为确定数据传输速率，需要考虑2个重要因素，即位数和码元脉冲。

位数反映了数据的复杂度和可表示的离散值数量。

对于二进制数据，位数可以用K 表示，而离散值的数量可以用N 表示。

根据定义，存在一定的数据关联：N 等于2的K 次方，即K 是以2为底N 的对数（log 2N ）。

当考虑N =2时，即二进制数据的情况下，数据传输速率与重复频率之间存在一个特殊的关系。

具体而言，当N =2时，数据传输速率等于码元脉冲的重复频率，也就是每秒发送的码元脉冲数量。

假设一个数字脉冲信号的宽度为0.1 s ，每个码元有8个离散值（N =8），即每个码元可以编码8位二进制信息（K =log 28=3），在当前情况下，数据传输速率S 为30 b/s 。

信号传输速率计算公式为
B =1/Q （2）
式中：B 为信号传输速率，Baud ；Q 为信号码元的宽度，s 。

假设一个信号码元的宽度为0.02 s ，那么B 为 50 Baud 。

这些计算涉及数字脉冲信号的宽度、离散值数量、码元脉冲的重复频率等技术性概念。

通过计算数据传输速率和信号传输速率，可以评估和优化系统的数据传输效率，并确保信息在通信过程中的正确性和稳定性。

3　通信和计算融合的机理研究
3.1　通信和计算基础知识与理论介绍
在无线通信系统中，通信系统模型如图1所示。

无线信道往往存在大尺度衰落和小尺度衰落的现象。

大尺度衰落描述了在长距离（数百米或数千米）或长时间范围内，发射机和接收机之间信号场强的变化[3]。

这种衰落速度较慢且持续时间较长，主要受
传播路径的影响。

在全栈专属云中，通信与计算的融合是该技术的核心特点。

通过将来自不同来源的数据进行整合，全栈专属云能够快速传输和处理大量复杂的数据。

例如，对于移动应用来说，全栈专属云可以汇集用户的移动数据、社交媒体数据以及设备传感器数据等多种数据源，然后集中分析和处理这些数据。

这样，无论是企业还是个人用户，都能够及时获取快速而准确的数据处理结果。

图1　通信系统模型
3.2　基于信息时效性的通信和计算融合机理的详细阐述
为了加快数据的传输速度，在全栈专属云通信中，会利用调制技术将数字数据转换成模拟信号进行传输。

根据香农定理，信道的最大传输速率为 C =B ×log 2(1+SNR ) （3）式中：C 为无噪声条件下信道的容量。

SNR 为信号与噪声的比值。

考虑计算处理的效率。

计算任务的处理时间可以表达为
T compute =M /R compute （4）式中：M 为任务的规模，如要处理的数据量或要执行的操作数量；R compute 为计算资源的效率。

将通信与计算相融合，可得到整体的信息传播时间，公式为
T total =T transmission +T compute （5）式中：T transmission 为数据传输时间，指数据从发送端传输到接收端所需的时间。

然而，通信和计算并行进行，因此整体的传播时间取决于传输速度和计算效率中的通信时长。

为达到更高的信息时效性，采用更高的信号带宽和更低的信噪比，以提高数据传输速率和信道容量。

此外，利用并行计算资源，同时执行多项任务，以提高计算效率。

4　研究结果与讨论
4.1　基于信息时效性的通信和计算融合对系统性能的改善效果
通过将通信和计算进行信息时效性融合，可以改善系统性能，实现轻资产运营，并提供基础设施代维服务，让用户能够专注于体验上层智能应用和关注算力性能指标[4]。

通过将通信网络设施和异构计算设施融合发展，统一编排管控数据、计算和网络等多
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种资源，实现更高效的数据传输和计算处理。

业务本地化部署满足数据安全合规监管要求。

通过将数据存储和计算等关键环节放置于本地，能够更好地保护敏感数据和满足国家的法律法规要求。

这样，企业和用户在享受云服务带来的高效便利的同时，能够保护自己的数据安全和符合相关合规性要求。

4.2　降低通信时延、提高带宽利用率的试验结果分析
缩短通信时延和提高带宽利用率的试验结果如图2所示。

通信时延和带宽利用率是描述数据传输过程中的重要指标。

通信时延表示从发送到接收所需时间的长短，单位通常是ms ；带宽利用率表示实际使用的带宽所占的比例，以%表示。

A 、B 、C 、D 为既定条件，主要是通信试验的基础场景，无单位表示，包含通信时延和带宽利用率2种数据传输指标。

70
7580859095100
根据图2降低通信时延和提高带宽利用率的试验结果如下：条件D 是给出的4种情况中最优的，通信时延最短且带宽利用率最高，说明数据传输效率最高，在给定的带宽中几乎没有空闲时间。

降低通信时延和提高带宽利用率的试验结果如表1所示。

表 1　降低通信时延和提高带宽利用率的试验结果数据表格通过比较不同试验条件下的通信时延和带宽利用率，观察到在试验条件D 下，系统能够更快地完成数据传输，实现了较低的通信时延，即通信时延不超过10ms 。

同时，在该试验条件下，系统能够更好地利用可用的带宽资源，提高了带宽利用率，即带宽利用率≥80%这表明经过信息时效性的通信与计算融合改善后，系统的性能显著提升。

较短的通信时延意味着数据传输速度更快，能够更及时地进行数据交换和处理。

而较长的带宽利用率表示系统能够更充分地利用可用的带宽资源，提高数据传输的效率。

4.3　减少系统能耗的成果及其影响因素
全栈专属云通过有效的资源调度和智能优化算法，实现对计算、存储和网络等资源的综合管理，以最小化能耗为目标[5]。

通过动态识别系统负载、资源利用
率和用户需求等因素，全栈专属云能够按需分配资源，并在不需要的时候进行部分休眠或降频处理，从而降低系统能耗。

服务器的功率模式和频率状况如表2所示。

表2　服务器的功率模式和频率状况
负载水平服务器功率模式服务器频率能耗低负载睡眠模式低频率最小中负载节能模式中频率较低高负载
高性能模式
高频率
较高
全栈专属云采用动态功率管理技术，通过实时监控系统负载和能耗情况，智能调整服务器的功率模式和频率，以适应不同工作负载下的能源需求。

需要注意的是，具体的功率模式和频率调整策略会因服务器的能效特性、工作负载和任务需求等因素而有所不同。

综合考虑资源需求、性能要求和能源消耗等方面的因素，全栈专属云可以根据实时监控来智能选择合适的功率模式和频率，以达到最佳的能耗效果。

全栈专属云通过优化系统架构、资源管理和冷却技术等多方面因素，能够显著减少系统能耗。

这不仅对降低企业的能源成本有益，也符合环境可持续发展的要求。

通过全栈专属云的应用，可以实现更高能源效率和更低碳排放，为构建绿色、可持续发展的信息技术基础设施做出贡献。

5　结　论
基于信息时效性的通信和计算融合机理可以显著改善系统的性能，缩短通信时延，提高带宽利用率，并减少系统的能耗。

通过优化网络拓扑结构、协议设计和资源分配策略，有效提升数据传输速度和计算处理能力，满足用户对信息时效性的需求，为通信与计算领域的相关人员提供有价值的参考和指导，并为进一步推动通信和计算的融合发展提供理论基础。

参考文献：
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[4] 虞志刚，冯　旭，黄照祥，等.通信、网络、计
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