用于高速列車移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的資源分配實(shí)時(shí)算法*

張永暉,蔣新華,林漳希

(1.福建工程學(xué)院 福建省汽車電子與電驅(qū)動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350118;2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083;3.德克薩斯理工大學(xué) 商學(xué)院，TX 79409-2101,美國(guó)）

針對(duì)高速列車移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了基于容遲網(wǎng)絡(luò)的多宿主列車移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方案，提出資源分配效用模型[1]，然而參考文獻(xiàn)[2]中使用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遺傳算法，迭代次數(shù)較多，不利于實(shí)時(shí)應(yīng)用。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，初始化染色體如果隨機(jī)產(chǎn)生，迭代需要平均158.7次；使用上一輪的優(yōu)化數(shù)據(jù)作為下一輪輸入，則將降低到23.8次；然而最差仍要迭代89次。由此得到啟發(fā)，在上一輪歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計(jì)算效用的增減，效用增加則接受，效用減少則拒絕。實(shí)際上是以局部最優(yōu)化來(lái)逼近全局最優(yōu)化，從而減小計(jì)算量，滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用。因?yàn)槊看畏峙渲蠖家匦屡判?，?jì)算量依然不小。

為此，使用服務(wù)等級(jí)來(lái)分配帶寬，增加服務(wù)的子優(yōu)先級(jí)，作為最優(yōu)選擇的一種近似來(lái)設(shè)計(jì)算法。這實(shí)際上是使帶寬分配離散化，以減少重新計(jì)算的費(fèi)用，避免資源分配調(diào)整過于頻繁。

1 算法改良

對(duì)初始化和接納控制的算法實(shí)施，如果先排序再滿足隊(duì)列中所有業(yè)務(wù)i的需求[2],算法時(shí)間復(fù)雜度為O(nlogn)，

由協(xié)議和端口號(hào)可得到服務(wù)種類j。令Bj,m(j=0～3，m=0～h)表示第j種業(yè)務(wù)的可用帶寬等級(jí),按效用值映射基本帶寬子級(jí)m，仿真中取 h=9，則 m=0～9。然而 Bj,m與 Bj,m+1總是相差 diffj%(m=0～8)。j=4、5 時(shí)，定義為實(shí)時(shí)通信，沒有帶寬變化。設(shè)Bt為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)總帶寬，BA為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)可用總帶寬，定義當(dāng)前帶寬忙閑度：δbusy=INT((h+1)*BA/Bt)，則分給請(qǐng)求 i帶寬 Bj,m，業(yè)務(wù)子級(jí) m=h-δbusy。 網(wǎng)絡(luò)越繁忙，δbusy越大，從而分配給的帶寬子級(jí)越小。因此可自適應(yīng)調(diào)節(jié)業(yè)務(wù)子級(jí)。 j=5、4 時(shí)，依次分派指定帶寬；j=3，2，1，0 時(shí)，分配Bj,m的帶寬。

效用函數(shù)隊(duì)列調(diào)度簡(jiǎn)化算法描述如下：

上述算法對(duì)業(yè)務(wù)i進(jìn)行分級(jí)計(jì)算后,劃分到group(j,m)。在group(j,m)中不進(jìn)行排序，而是按照隊(duì)列或者鏈表串起來(lái)，因此，算法大大改進(jìn)。雖然有嵌套循環(huán)，但實(shí)際執(zhí)行次數(shù)不大于 Int(bandwidth(queue)/min(B(i)))，總的算法時(shí)間復(fù)雜度是O(n)。優(yōu)于參考文獻(xiàn)[2]提出的算法O(nlogn)。

利用效用函數(shù)分級(jí)的優(yōu)點(diǎn)在于可以針對(duì)每一類業(yè)務(wù)甚至具體的業(yè)務(wù)實(shí)行不同的策略,以及可讓預(yù)留信道的閾值精確適應(yīng)話務(wù)量變化，例如對(duì)切換掉話率的處理。常規(guī)方法是假定掉話用戶很難接受，通常優(yōu)先級(jí)設(shè)置很高，并以之衡量系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量。然而事實(shí)上不同類業(yè)務(wù)掉線的負(fù)效用不一樣，同一類業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)不同的業(yè)務(wù)掉線的負(fù)效用也不一樣，以效用函數(shù)不同的參數(shù)描述就能有針對(duì)性地靈活處理。

2 仿真和分析

使用NS2仿真，比較參考文獻(xiàn)[2]的最優(yōu)化算法、參考文獻(xiàn)[3]的 NEMO優(yōu)化算法（簡(jiǎn)稱 N+）、參考文獻(xiàn)[4]的SIP+SCTP+NEMO的方案(簡(jiǎn)稱S+)以及與本文兩種算法的性能。模型為兩條100 km的正交十字型，采用WiFi小區(qū)沿途不完全覆蓋,直徑為 1 km(站點(diǎn)數(shù) k=20、40、80、140、200)仿真。 速度 350 km/h(v)，并作規(guī)律性的停止，從上到下，從左到右。

設(shè)WiFi網(wǎng)絡(luò)帶寬為54 Mb/s，蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶寬為3.84 Mb/s，假定有 500個(gè) MSj，各類業(yè)務(wù)的到達(dá)時(shí)間服從泊松分布，用戶的到達(dá)相互獨(dú)立，移動(dòng)站MSp1請(qǐng)求業(yè)務(wù)tp精確到 0.1 s。不同的業(yè)務(wù)組合確定如下:時(shí)長(zhǎng) (t0～t4都服從負(fù)指數(shù)分布,均值 1/μ 分別為3 000 s、100 s、200 s、100 s、200 s)，信令業(yè)務(wù) 5響應(yīng)所有請(qǐng)求，因此定 34 kb/s；對(duì)于語(yǔ)音固定優(yōu)先級(jí)，取帶寬rv-min=12.0 kb/s;取參數(shù)Umin=1.5;Uv=4；a=0.1;b=55;c=7。設(shè)WiFi網(wǎng)絡(luò)帶寬為54 Mb/s，蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶寬為 3.84 Mb/s，假定有 500個(gè) MSj，各類業(yè)務(wù)的到達(dá)時(shí)間服從泊松分布，用戶的到達(dá)相互獨(dú)立，移動(dòng)站MSp1請(qǐng)求業(yè)務(wù)tp精確到 0.1 s。

不同的業(yè)務(wù)組合確定如下:時(shí)長(zhǎng)(t0～t4都服從負(fù)指數(shù)分布, 均值 1/μ 分別為 3 000 s、100 s、200 s、100 s、200 s)，信令業(yè)務(wù)5響應(yīng)所有請(qǐng)求，因此定 34 kb/s；對(duì)于語(yǔ)音固定優(yōu)先級(jí)，取帶寬rv-min=12.0 kb/s;取參數(shù)Umin=1.5;Uv=4；a=0.1;b=55;c=7。此外多媒體流網(wǎng)絡(luò)中傳輸350 kb/s，Bj4電子郵件類 30 kb/s，數(shù)據(jù)庫(kù)類200 kb/s，交互式應(yīng)用200 kb/s，每一級(jí)別正負(fù)5%。設(shè)資源預(yù)取設(shè)命中率為0.85，結(jié)果見圖1～圖3。在普通微機(jī)上執(zhí)行實(shí)時(shí)性對(duì)比結(jié)果見表1。

可以看出，對(duì)于實(shí)時(shí)性而言，所提出的次優(yōu)化算法是四種算法中最好的。而執(zhí)行效率與參考文獻(xiàn)[2]中最優(yōu)化算法相差不大，而各方面均優(yōu)于N+方案，除新呼叫阻塞率外，也優(yōu)于S+方案。

表1 算法實(shí)時(shí)性比較

這是因?yàn)楹髢烧邲]有針對(duì)容遲網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景做優(yōu)化，流量沒有達(dá)到飽和，尤其是NEMO成群切換移出WiFi熱區(qū)時(shí)，流量可能下降到0。NEMO方案根據(jù)信號(hào)和帶寬來(lái)選擇接入基站，之后又爭(zhēng)用蜂窩窄帶，導(dǎo)致流量改變較為劇烈。新呼叫阻塞率比S+差是因?yàn)榇蝺?yōu)化算法是以切換優(yōu)先的策略，但兩者相差0.05，還可以忍受。

本文提出的實(shí)時(shí)性資源分配次優(yōu)算法，用于容遲網(wǎng)絡(luò)的初始化過程和接納控制過程，在不明顯降低性能的前提下，達(dá)到了O(n)算法時(shí)間復(fù)雜度，能在極端環(huán)境下提供移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用。算法針對(duì)路徑可預(yù)知下的容遲網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,如配合GPS路徑預(yù)測(cè)算法，可擴(kuò)展到一般的容遲網(wǎng)絡(luò)。

[1]張永暉,蔣新華,林漳希.基于中斷和時(shí)延效用函數(shù)的多宿主分級(jí)DTN列車移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源分配模型[J].鐵道學(xué)報(bào)，2010,32(6):15-22.

[2]CHEN L W,TSENG Y C,WANG Y C et al.Exploiting spectral reuse in routing,resource allocation,and scheduling for IEEE 802.16 mesh networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology.2009,58(1):301-313.

[3]任彥，蘇偉，張思東.列車移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2006,28(1):121-124.

[4]Leu Fangyie.A novel network mobility handoff scheme using SIP and SCTP for multimedia applications[J].Journal of Network and Computer Applications.2009,32(5):1073-1091.