一種動態(tài)帶寬資源預留分配鏈路接入控制算法*

郭小雪 ，秦 勇

（1.廣東石油化工學院 理學院，廣東 茂名 525000；2.華南理工大學 計算機科學與工程學院，廣東 廣州 510641；3.廣東石油化工學院 教育信息技術(shù)中心，廣東 茂名 525000）

在寬帶接入網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)不斷發(fā)展的環(huán)境下，各種各樣的流媒體業(yè)務(wù)應用在接入網(wǎng)中占用了越來越大比例的帶寬，網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模型也發(fā)生了變化，并且流媒體業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求相對較嚴格[1]。如何適應各種各樣的流媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求并提供高效的資源利用率是寬帶接入網(wǎng)中的資源調(diào)度算法所面臨的新挑戰(zhàn)[2]。

保證應用業(yè)務(wù)流性能的前提是為其分配足夠的帶寬資源。因此，資源預留是在Internet中提供服務(wù)質(zhì)量的重要機制之一。在數(shù)據(jù)傳輸前，系統(tǒng)首先檢查是否有足夠的帶寬資源滿足業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量要求，并做出是否允許進入網(wǎng)絡(luò)的決定，這是接入控制。

由于寬帶接入網(wǎng)的帶寬總?cè)萘渴怯邢薜?，當帶寬容量己處于飽和狀態(tài)時，新發(fā)起的業(yè)務(wù)流連接將無法得到服務(wù)質(zhì)量保證，因此，系統(tǒng)必須采取有效的接入控制策略，使得各類業(yè)務(wù)的QoS在獲得保證的同時，盡可能為更多的用戶提供服務(wù)。接入控制過程是根據(jù)系統(tǒng)的實際可用帶寬容量和業(yè)務(wù)優(yōu)先級決定是否接受新到達的業(yè)務(wù)流連接請求，從而控制系統(tǒng)中通信連接的數(shù)量，使系統(tǒng)的負載在一個比較穩(wěn)定的水平[3]。

1 相關(guān)研究

目前部分寬帶鏈路接入系統(tǒng)采用的是基于帶寬請求的固定資源預留鏈路接入控制算法[4]，該類算法首先計算系統(tǒng)的剩余可用帶寬，若新的鏈路接入請求帶寬小于或等于系統(tǒng)的剩余可用帶寬，則允許該鏈路接入，否則就拒絕該鏈路接入。該類算法實現(xiàn)簡單、運算高效，在用戶數(shù)量少、帶寬充足的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能起到一定的效果。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，該類算法不能隨系統(tǒng)狀態(tài)和新到達業(yè)務(wù)需求變化而變化，導致用戶鏈路接入成功率降低，而且系統(tǒng)總帶寬利用率不高，浪費了寶貴的帶寬資源，因此目前主要的研究方向為動態(tài)的資源預留算法[5]。

[6]提出的算法是根據(jù)業(yè)務(wù)流的特點動態(tài)預留資源，在該算法中，實時性要求較高的業(yè)務(wù)被優(yōu)先進行處理，優(yōu)先級低的非實時業(yè)務(wù)則被盡力而為服務(wù)進行處理，該算法考慮了業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，提高了系統(tǒng)容量。參考文獻[7]提出了一個QoS自適應的資源預留機制，考慮了多媒體業(yè)務(wù)QoS需求的動態(tài)適應性。當系統(tǒng)可用資源不足時，將最低優(yōu)先級和最不可能使用的預留資源釋放出來，增大系統(tǒng)的可用資源。參考文獻[8]提出一種面向多媒體業(yè)務(wù)的動態(tài)分組預留機制，該方法對接入鏈路的到達進行估計，根據(jù)到達時刻落在不同的時間段內(nèi)，將用戶鏈路分成不同的組，資源面向不同的組進行預留，提高了資源預留成功的概率。

本文提出了一種動態(tài)帶寬資源概率預留鏈路接入控制算法 （DBRRA），該算法基于概率為系統(tǒng)中不同接入點上的不同業(yè)務(wù)預留帶寬，并且根據(jù)帶寬預留接入控制算法為新到達的業(yè)務(wù)流提供接入和QoS保證。通過對比基于帶寬請求的固定資源預留鏈路接入控制算法（BRLAC），實驗證明本文算法有較高的接入成功率、系統(tǒng)帶寬利用率和較好的時延特性。

2 算法分析與設(shè)計

多鏈路寬帶接入網(wǎng)絡(luò)支持語音、數(shù)據(jù)和視頻等業(yè)務(wù)，接入點支持的業(yè)務(wù)具有多樣性和隨機性，并且每一種業(yè)務(wù)流的發(fā)送速率也是隨時間隨機變化的，因此，本文采用基于概率來設(shè)計帶寬資源預留接入控制方法。

帶寬的分配是針對每一個接入點內(nèi)不同業(yè)務(wù)的帶寬請求，根據(jù)當前系統(tǒng)的帶寬資源使用情況和各種業(yè)務(wù)的QoS需求，將為該接入點分配的總帶寬授予這個接入點，接入點收到帶寬授權(quán)后，依據(jù)當前各個業(yè)務(wù)的QoS需求，在接入點內(nèi)部再次進行帶寬分配。因此，從執(zhí)行帶寬預留的中心調(diào)度系統(tǒng)側(cè)來看，應該以接入點為單位進行帶寬預留分配。

2.1 基于概率的帶寬預留分析

設(shè)整個寬帶接入系統(tǒng)內(nèi)共有i個接入點APi（i=1，2，…，m），φi為接入點 i的權(quán)重系數(shù)，并且滿足：

設(shè)系統(tǒng)支持 j種業(yè)務(wù)類型（j=1，2，…，n），ωj為業(yè)務(wù)j的權(quán)重系數(shù)，并且假設(shè)各業(yè)務(wù)的權(quán)重系數(shù)滿足：ω1≥ω2≥…≥ωn，即高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的權(quán)重系數(shù)大于低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的權(quán)重系數(shù)。

對于為接入點i預留帶寬的概率，它等于接入點i上各類業(yè)務(wù)預留帶寬概率的總和，而且還要考慮接入點i在系統(tǒng)內(nèi)的權(quán)重系數(shù)，因此，系統(tǒng)為接入點i預留帶寬的概率可以表達如下：

設(shè)Bsystem為系統(tǒng)的總可用帶寬，為接入點預留的帶寬分別為接入點 i上 j類業(yè)務(wù)的請求帶寬、預留帶寬和實際分配帶寬。那么，對于接入點i需要預留帶寬的大小，等于系統(tǒng)的可用帶寬和接入點i預留概率的乘積，也等于接入點i上各類業(yè)務(wù)預留的帶寬的總和，因此可以得到：

2.2 基于帶寬預留的接入控制算法設(shè)計

本文提出的DBRRA算法的思想是：系統(tǒng)首先通過概率計算接入點上為業(yè)務(wù)流預留的帶寬，當業(yè)務(wù)流到達接入點并請求帶寬時，系統(tǒng)對比業(yè)務(wù)流的請求帶寬和預留帶寬，若請求帶寬小于預留帶寬，則接受業(yè)務(wù)流；若請求帶寬大于預留帶寬，則暫時不接受業(yè)務(wù)流，轉(zhuǎn)到判斷業(yè)務(wù)流和其他業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級。計算其他比業(yè)務(wù)流優(yōu)先級低的業(yè)務(wù)是否有空閑預留帶寬，若有，則從低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)借用空閑預留帶寬，若借用后能夠滿足業(yè)務(wù)流的請求帶寬，則接受業(yè)務(wù)流，否則拒絕接入。算法具體步驟如下：

3 仿真實驗及結(jié)果分析

3.1 仿真實驗環(huán)境及對比指標設(shè)計

為了評估DBRRA算法的性能指標，本文基于OPNET Modeler建立仿真模型，仿真實驗環(huán)境中包括50個接入點，每個接入點連接的鏈路的固定時延為2 ms，最大傳輸速率為100 Mb/s，系統(tǒng)的總可分配帶寬為100 Mb，產(chǎn)生的流量包含3種不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流，并且假設(shè)每個鏈路業(yè)務(wù)流接入到達接入點的時刻、請求帶寬都是服從平均分布的隨機變量。評估的主要方法是將DBRRA算法與基于帶寬請求的固定資源預留鏈路接入控制算法（BRLAC）進行比較，主要對輕負載情況下和重負載環(huán)境中的以下3個方面的性能指標進行比較：

（1）新業(yè)務(wù)流接入成功率。該指標表示新發(fā)起的業(yè)務(wù)流請求接入成功數(shù)與業(yè)務(wù)流請求接入總數(shù)的比率。

（2）系統(tǒng)帶寬資源利用率。該指標表示網(wǎng)絡(luò)中各種業(yè)務(wù)流使用的帶寬資源綜合與系統(tǒng)所能提供的總的可用帶寬資源之比。

式中： tr——發(fā)射信號與回波信號之間的時間差；k——回波的衰減系數(shù)；R——目標與雷達間的距離；c——電磁波傳播速度。

（3）時延。即鏈路端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延監(jiān)測。

3.2 仿真實驗結(jié)果分析

圖1和圖2表示在不同負載情況下的接入成功率比較。由圖1可以看出，在業(yè)務(wù)流請求數(shù)比較低，大約少于100時，由于業(yè)務(wù)流請求數(shù)少且系統(tǒng)的可用剩余帶寬較充足，因此，在輕負載情況下DBRRA算法與BRLAC算法的接入成功率較為接近，兩者相差約3%。由圖2可以看出，隨著業(yè)務(wù)流請求數(shù)不斷增大到1 000，系統(tǒng)的剩余可用帶寬不斷減少，由于BRLAC算法部分較大帶寬資源請求的業(yè)務(wù)流無法得到全部保證帶寬，導致無法接入，接入成功率下降較快，而本文DBRRA算法對每個接入點的不同業(yè)務(wù)進行了帶寬資源預留，并且允許從其他空閑業(yè)務(wù)流動態(tài)調(diào)整帶寬分配，使得較多的業(yè)務(wù)流仍然可以接入，成功率相對BRLAC算法有較好的性能提高。

圖1 輕負載情況下接入成功率比較

圖2 重負載情況下接入成功率比較

圖3和圖4表示在不同負載情況下系統(tǒng)總帶寬利用率的比較。由圖3可以看出，在輕負載情況下，由于系統(tǒng)剩余可用帶寬比較多，大部分業(yè)務(wù)流的帶寬能得到滿足，隨著業(yè)務(wù)流接入數(shù)的增加，DBRRA算法與BRLAC算法的平均系統(tǒng)帶寬利用率基本呈線性增長關(guān)系，DBRRA算法比BRLAC算法的平均系統(tǒng)帶寬利用率大約只高2%。圖4表示在重負載情況下，由于業(yè)務(wù)流到達時刻、離開時刻和請求帶寬大小不同的隨機性，BRLAC算法不能滿足部分有較大帶寬請求的業(yè)務(wù)流而拒絕該業(yè)務(wù)流接入，同時，由于某些業(yè)務(wù)流服務(wù)完畢釋放帶寬，因此導致系統(tǒng)的剩余可用帶寬較多，平均系統(tǒng)帶寬利用率最高只能維持在83%左右；DBRRA算法由于保持較高的接入成功率，并且為鏈路預留的帶寬可以重新分配給新接入的高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流，系統(tǒng)總帶寬利用率可以達到約96%，在重負載情況下比BRLAC算法提高約10%的性能。

圖5和圖6分別表示在輕負載和重負載情況下系統(tǒng)中數(shù)據(jù)包的傳輸時延對比。由圖5可以看出，輕負載情況下由于系統(tǒng)剩余帶寬較多，DBRRA算法與BRLAC算法控制的業(yè)務(wù)流處于非擁塞狀態(tài)，相鄰數(shù)據(jù)包的在緩沖區(qū)中的排隊等待時間基本相同，系統(tǒng)處理時延隨著業(yè)務(wù)流的數(shù)量增加稍為增大，數(shù)據(jù)包的端到端時延呈平穩(wěn)趨勢，總體上DBRRA算法與BRLAC算法在輕負載情況下時延性能相差不大。圖6表示隨著業(yè)務(wù)流的不斷增加，在重負載情況下，系統(tǒng)處于擁塞階段，鏈路不斷有數(shù)據(jù)包排隊，隊列不斷加大，數(shù)據(jù)包的端到端時延也同時加大，由于BRLAC算法不區(qū)分不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流，隨著高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流帶寬請求的變化，部分高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流無法得到服務(wù)質(zhì)量保證，平均時延比DBRRA算法上升得快。

圖3 輕負載情況下系統(tǒng)帶寬利用率比較

圖4 重負載情況下系統(tǒng)帶寬利用率比較

圖5 輕負載情況下時延比較

寬帶接入網(wǎng)多媒體業(yè)務(wù)應用的日益豐富需要合理利用網(wǎng)絡(luò)資源，并在網(wǎng)絡(luò)中進行有效的接入控制機制才能消除網(wǎng)絡(luò)擁塞和保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。本文針對寬帶接入網(wǎng)中不同的業(yè)務(wù)流提出了基于概率預留的帶寬分配機制，并設(shè)計了相應的業(yè)務(wù)流接入控制算法。該算法可以根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級從其他比其優(yōu)先級低的業(yè)務(wù)調(diào)用空閑預留帶寬，改善了系統(tǒng)帶寬資源利用率。未來的研究工作主要在本文的基礎(chǔ)上基于時延限制進行帶寬分配調(diào)度研究。

圖6 重負載情況下時延比較

參考文獻

[2]馬宏偉，葛敬國，秦松，等.基于速率測量的資源預留速率調(diào)整機制[J].計算機工程，2010，36（13）：242-244.

[3]伍仁勇，朱光喜.無線網(wǎng)絡(luò)一種新的基于實測的呼叫接入控制算法 [J].小型微型計算機系統(tǒng)，2007，28（4）：615-618.

[4]戴新發(fā)，徐火生，陳鵬，等.基于分布策略的微移動資源預留方案[J].計算機工程，2008，34（15）：114-116.

[5]ALI S H，LEE K D，LEUNG V C M.Dynamic resource allocation in OFDMA wireless metropolitan area networks[J].IEEE Wireless Communications， 2007，14（1）：6-13.

[6]Huang Lei， KUMAR S， KUO C C J.Adaptive resource allocation formultimedia QoS managementin wireless networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2004，53（2）：547-558.

[7]Wang Ming， KUO G S.A QoS-adaptive resource reservation scheme for MPEG4-based services in wireless networks [C].Proceedings of2005 IEEE International Conference on Communications （ICC 2005）， 2005 （5）：3261-3265.

[8]KOWN T，CHO D H.Quasi-dedicated access scheme for uplink real time services in future wireless communication systems[C].ProceedingsofIEEE VehicularTechnology Conference， 2005：3117-3121.