異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中貪婪資源分配策略的研究

吳燕玲，李 明，劉運(yùn)城

（1.東莞理工學(xué)院城市學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系，廣東 東莞523106；2.東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東 東莞523808）

0 引 言

第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd generation partnership project，3GPP）為多媒體流服務(wù)（如視頻會(huì)議、視頻電話、手機(jī)電視等）制訂了一系列的規(guī)范［1－3］，并且提出了基于RTP/UDP/IP的解決方案，旨在為用戶提供良好的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）。但在不可靠的無(wú)線信道上使用RTP傳輸視頻還需要解決嚴(yán)重的時(shí)延抖動(dòng)和切換帶來(lái)的分組丟失問(wèn)題，尤其是發(fā)生在兩個(gè)接入特性完全不同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的垂直切換影響更大。因此，最大程度上消除垂直切換的不良影響一直是研究的熱點(diǎn)。

1 研究背景

無(wú)線信道的不可靠性會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的QoS，目前通常使用分層編碼和預(yù)留資源兩種解決方法。

分層編碼將多媒體流分為若干層，每層都獨(dú)立對(duì)多媒體流質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化處理。這種方法可以在一定程度上使得網(wǎng)絡(luò)參數(shù)在會(huì)話中隨著多媒體流狀況而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。但是分層編碼對(duì)多媒體流的優(yōu)化存在著一定的局限性，因?yàn)槎嗝襟w流在重新生成時(shí)嚴(yán)重依賴這些相對(duì)獨(dú)立的跨層信息，最終結(jié)果并不理想。

預(yù)留資源可以分為靜態(tài)預(yù)留和動(dòng)態(tài)預(yù)留兩種方式。靜態(tài)預(yù)留主要是通過(guò)預(yù)留足以滿足多媒體流峰值的帶寬來(lái)完成的。但是，這種方法在大多數(shù)時(shí)候會(huì)造成資源利用率低下。文獻(xiàn) ［4］提出了一種自適應(yīng)的QoS框架，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況為多媒體業(yè)務(wù)預(yù)留帶寬；文獻(xiàn) ［5］使用了一種模糊邏輯帶寬預(yù)測(cè)方法來(lái)完成差分服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的帶寬預(yù)測(cè)；文獻(xiàn) ［6］在充分考慮了用戶體驗(yàn)質(zhì)量（quality of experience，QoE）的基礎(chǔ)上，提出了先確定影響用戶QoE的分組丟失上限，再使用Markov模型確定應(yīng)提供的帶寬；文獻(xiàn) ［7－8］評(píng)估了視頻流媒體應(yīng)用在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的性能。

但是，以上研究均沒(méi)有考慮蜂窩網(wǎng)絡(luò)中切換用戶的需求。另一方面，3GPP和因特網(wǎng)工程任務(wù)組（internet engineering task force，IETF）為移動(dòng)用戶切換時(shí)的移動(dòng)性管理提出了一些解決方案［9－11］。但是，沒(méi)有在資源分配方面提出建議。

2 系統(tǒng)模型

文獻(xiàn) ［12］根據(jù)切換發(fā)生的場(chǎng)景不同將切換分為水平切換（horizontal handoff，HHO）和垂直切換（vertical handoff，VHO）：

（1）HHO發(fā)生在使用相同無(wú)線接入技術(shù)由不同基站或接入點(diǎn)控制的不同區(qū)域；

（2）VHO發(fā)生在使用不同無(wú)線接入技術(shù)由不同基站或接入點(diǎn)控制的不同區(qū)域。

圖1是我們建立的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型。

圖1 提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型

圖1中，WiMAX網(wǎng)絡(luò)和UMTS網(wǎng)絡(luò)形成部分覆蓋重疊的結(jié)構(gòu)，各自分布著一些可工作于WiMAX/UMTS網(wǎng)絡(luò)中的多模移動(dòng)臺(tái)（mobile station，MS）。當(dāng) MS從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（foreign network，F(xiàn)N）時(shí)，會(huì)觸發(fā)VHO。

WiMAX網(wǎng)絡(luò)和UMTS網(wǎng)絡(luò)都有各自的資源管理中心（resource management center，RMC），每個(gè) RMC管理若干個(gè)蜂窩小區(qū)；這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)同一個(gè)網(wǎng)關(guān)和Internet相連。每個(gè)RMC包含6個(gè)模塊（見(jiàn)圖2），負(fù)責(zé)處理來(lái)自BS（或Node B）的資源請(qǐng)求：

（1）優(yōu)先權(quán)判決：根據(jù)移動(dòng)臺(tái)（mobile station，MS）所發(fā)的資源請(qǐng)求內(nèi)容，確定該請(qǐng)求是切換業(yè)務(wù)（vertical handoff service，VHOS）， 還 是 新 發(fā) 起 業(yè) 務(wù)（originating service，OS），并賦予相應(yīng)的優(yōu)先權(quán)。

（2）切換決策：根據(jù)優(yōu)先權(quán)值將請(qǐng)求分發(fā)到兩個(gè)不同的隊(duì)列。相同優(yōu)先權(quán)的請(qǐng)求遵循先進(jìn)先出（first in first out，F(xiàn)IFO）準(zhǔn)則。

（3）請(qǐng)求分發(fā)器：在同時(shí)有VHOS和OS都申請(qǐng)資源時(shí)，該模塊將VHOS和OS兩類的資源請(qǐng)求發(fā)送給 “資源估算及預(yù)留”模塊。

（4）資源估算及預(yù)留：當(dāng)且僅當(dāng)可用資源不小于任何一個(gè)所請(qǐng)求的資源時(shí)，才進(jìn)行下一步操作。該模塊為每個(gè)資源請(qǐng)求進(jìn)行帶寬估算及預(yù)留。

（5）連接管理：對(duì)于由VHOS觸發(fā)的，在經(jīng)過(guò) “資源估算及預(yù)留”后，將此類連接從當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

（6）資源分配：OS的請(qǐng)求在 “資源估算及預(yù)留”完成后直接進(jìn)入 “資源分配”階段（見(jiàn)圖2中虛線）；VHOS業(yè)務(wù)的請(qǐng)求在切換完成后，使用為其預(yù)留的資源。

圖2 RMC架構(gòu)

3 貪婪資源分配策略

GRAS的原則是：當(dāng)VHOS和OS同時(shí)申請(qǐng)資源的時(shí)候，優(yōu)先滿足VHOS后再將剩余資源分配給OS。

圖3為MS從WiMAX網(wǎng)絡(luò)向UMTS網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)切換時(shí)申請(qǐng)資源的信息流描述；

切換時(shí)，資源分配流程如下：

（1）MSi向基站（base station，BS）周期性地發(fā)出含有自己的國(guó)際移動(dòng)設(shè)備代碼（international mobile equipment identity，IMEIi）的 測(cè) 量 報(bào) 告 Measurement＿Report（IMEIi）；

圖3 WiMAX向UMTS切換時(shí)的資源分配流程

（2）在基于對(duì) Measurement＿Report（IMEIi）信息解碼的基礎(chǔ)上，BS決定為MSi發(fā)起VHO，發(fā)出VHO＿Command（IMEIi）；

（3）收到BS發(fā)出的 VHO＿Command（IMEIi）后，MS發(fā)出VHO＿BW＿REQ（IMEIi）的切換及資源請(qǐng)求；

（4）BS將基站代碼（base station identity，BSID）封裝入該請(qǐng)求后，產(chǎn)生VHO＿BW＿REQ（IMEIi，BSID）被BS發(fā)往網(wǎng)關(guān)；

（5）網(wǎng)關(guān)將此請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給UMTS＿RMC；

（6）UMTS＿RMC立即進(jìn)行資源估算：若資源充足的話，為MSi預(yù)留并分配資源；同時(shí)向Node B發(fā)出CON＿REQ（IMEIi，BSID），通知Node B有 MS需要切換；

（7）Node B向 UMTS＿RMC發(fā)出CON＿RSP（IMEIi，BSID）；

（8）確定 MS可以切換后，UMTS＿RMC立即發(fā)送VHO＿BW ＿RSP（IMEIi，BSID）給網(wǎng)關(guān)；

（9）網(wǎng)關(guān)將 VHO ＿BW ＿RSP（IMEIi，BSID）轉(zhuǎn)發(fā)給BS；

（10）BS利用IMEIi，以廣播的形式發(fā)送VHO＿BW＿RSP（IMEIi）通知 MSi；

（11）MSi轉(zhuǎn)接到Node B，切換完成。

MS從UMTS網(wǎng)絡(luò)向WiMAX網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)切換時(shí)的資源分配可以同理得出。

OS業(yè)務(wù)的資源分配流程相對(duì)簡(jiǎn)單，圖4為發(fā)生在WiMAX網(wǎng)絡(luò)中的資源分配流程（發(fā)生在UMTS網(wǎng)絡(luò)中的可以同理得出）：

（1）MSj向BS發(fā)出資源申請(qǐng)BW ＿REQ（IMEIj）；

（2）BS將自己的BSID封裝到該申請(qǐng)中，并產(chǎn)生BW＿REQ（IMEIj，BSID）發(fā)送給 WiMAX＿RMC；

（3）WiMAX＿RMC收到BW ＿REQ（IMEIj，BSID）后，立即進(jìn)行資源估算，若資源充足的話，分配資源給MSj；

（4）WiMAX＿RMC發(fā)送 BW ＿RSP（IMEIj，BSID）給BS；

（5）BS收到BW＿RSP（IMEIj，BSID）后，產(chǎn)生BW＿RSP（IMEIj）在蜂窩小區(qū)內(nèi)廣播；

（6）OS業(yè)務(wù)開(kāi)始。

圖4 WiMAX中新發(fā)起業(yè)務(wù)的資源分配流程

從圖3和圖4可以看出，切換時(shí)MS除了要向VN申請(qǐng)帶寬外，還要申請(qǐng)切換，VN中的RMC可以從到達(dá)的消息中甄別出哪些屬于VHOS業(yè)務(wù)，哪些屬于OS業(yè)務(wù)，并為VHOS業(yè)務(wù)賦予高的優(yōu)先權(quán)。

考慮到中斷進(jìn)行中的切換業(yè)務(wù)比拒絕新業(yè)務(wù)接入請(qǐng)求給用戶帶來(lái)的不舒適感要大得多，因此設(shè)定：系統(tǒng)優(yōu)先滿足VHOS的資源，保證進(jìn)行中業(yè)務(wù)的QoS；在滿足全部VHOS后，再將剩余資源分配給OS；當(dāng)資源不足以分配時(shí)，F(xiàn)N將拒絕所有的業(yè)務(wù)。

4 仿真及結(jié)果分析

為了更好地考察本文算法的性能，和公平性資源分配策略（fairness resource assignment scheme，F(xiàn)RAS）進(jìn)行了對(duì)比：應(yīng)用FRAS時(shí)，圖1中的RMC沒(méi)有優(yōu)先權(quán)確定功能，RMC根據(jù)先到先服務(wù) FIFS（first in first service）的原則處理所有請(qǐng)求，VHOS和OS具有相同優(yōu)先權(quán)；當(dāng)資源不足以分配時(shí)，F(xiàn)N將拒絕所有的業(yè)務(wù)。

仿真是在NS2下完成的。仿真時(shí)，考察的兩個(gè)蜂窩小區(qū)分別隸屬于WiMAX網(wǎng)絡(luò)和UMTS網(wǎng)絡(luò)，蜂窩小區(qū)半徑為1400米兩個(gè)蜂窩小區(qū)部分重疊，重疊部分最大處為400米，Node B和BS都位于蜂窩小區(qū)中央。圖5是仿真場(chǎng)景。

圖5 仿真場(chǎng)景

MS在蜂窩小區(qū)中任何位置都可發(fā)起OS申請(qǐng)資源；逐漸離開(kāi)當(dāng)前蜂窩小區(qū)的MS在離蜂窩小區(qū)邊緣200米時(shí)會(huì)觸發(fā)VHOS。每個(gè)蜂窩小區(qū)中各隨機(jī)分布著50臺(tái)MS，OS的到達(dá)率記作λOS，VHOS的到達(dá)率記作λVHOS。仿真時(shí)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

由于呼損率反映了通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)等級(jí)。工程上根據(jù)服務(wù)區(qū)域的特征將服務(wù)區(qū)域分為重點(diǎn)區(qū)域和非重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)應(yīng)的呼損率分別是2%和5%。仿真時(shí)，首先考察了應(yīng)用GRAS的網(wǎng)絡(luò)中呼損率是否合理。此處的呼損率有別于文獻(xiàn) ［13］的研究對(duì)象，本文研究的兩種業(yè)務(wù)均屬于分組業(yè)務(wù)，呼損率指的是不成功的帶寬申請(qǐng)次數(shù)占總的帶寬申請(qǐng)次數(shù)的比例。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)起資源請(qǐng)求的MS數(shù)量不超過(guò)15時(shí)，呼損率為0；當(dāng)請(qǐng)求資源的MS數(shù)量介于15～25之間時(shí)，呼損率隨著MS數(shù)量的增加緩慢增長(zhǎng)；當(dāng)請(qǐng)求資源的MS數(shù)量大于25時(shí)，呼損率上升較快，最高時(shí)達(dá)到了4%左右。這說(shuō)明提出的GRAS策略在呼損率方面符合工程上的要求。

接著，對(duì)比了GRAS策略和FRAS在資源利用率方面的性能。

表1 仿真主要參數(shù)

圖7顯示，F(xiàn)RAS策略中，隨著發(fā)生業(yè)務(wù)MS數(shù)量的增加，資源利用率同步增長(zhǎng)；在MS達(dá)到25左右時(shí)，資源利用率的增長(zhǎng)趨于平緩，最后穩(wěn)定在77%左右。提出的GRAS策略的資源利用率在MS數(shù)量不大于15時(shí)，整體性能和FRAS策略差不多；但當(dāng)MS數(shù)量超過(guò)15時(shí)，資源利用率的曲線斜率更陡；在MS數(shù)量達(dá)到25左右時(shí)，增長(zhǎng)趨于平緩，最后穩(wěn)定在90%左右，比FRAS策略要高13%左右。

這是因?yàn)樵贔RAS策略中，當(dāng)VHOS的業(yè)務(wù)請(qǐng)求和OS的業(yè)務(wù)請(qǐng)求同時(shí)到達(dá)RMC時(shí)，如果此時(shí)系統(tǒng)中可分配資源不足以滿足全部請(qǐng)求的話，所有的請(qǐng)求都被拒絕了。而在不公平性資源分配策略中，當(dāng)VHOS的業(yè)務(wù)請(qǐng)求和OS的業(yè)務(wù)請(qǐng)求同時(shí)到達(dá)RMC時(shí)，如果此時(shí)系統(tǒng)中可分配資源不足以滿足全部請(qǐng)求的話，但是可以滿足VHOS，RMC將分配資源給VHOS，從而提高了系統(tǒng)的資源利用率。圖8是兩者分組丟失率的對(duì)比。

圖8 GRAS和FRAS分組丟失率的對(duì)比

圖8的結(jié)果顯示，GRAS策略的分組丟失率比FRAS策略要低14%左右。經(jīng)分析，其中原因與資源利用率相同：當(dāng)可用資源不足以同時(shí)滿足VHOS業(yè)務(wù)請(qǐng)求和OS業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)，VHOS業(yè)務(wù)請(qǐng)求在FRAS策略中可以優(yōu)先獲得資源，因此，分組丟失率要低。

5 結(jié)束語(yǔ)

多種無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今及以后移動(dòng)通信發(fā)展的一大趨勢(shì)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)變化時(shí)，必將造成非切換業(yè)務(wù)和由此觸發(fā)的切換業(yè)務(wù)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)資源來(lái)保證各自的QoS。本文提出了一種基于貪婪的資源分配策略，通過(guò)賦予異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中VHOS業(yè)務(wù)更高優(yōu)先權(quán)來(lái)提高進(jìn)行中業(yè)務(wù)的QoS。仿真結(jié)果表明，該策略不但可以將呼損率控制在正常水平，而且，與公平資源分配策略相比，該策略可以將資源利用率提高約13%，分組丟失率降低了14%左右。

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