3G／WLAN網(wǎng)絡(luò)終端能量感知的動態(tài)負(fù)載均衡機制

羅俊輝，白光偉，，沈 航，曹 磊

（1.南京工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)系，江蘇 南京210009；2.南京理工大學(xué)高維信息感知與系統(tǒng)教育部重點實驗室，江蘇 南京210094；3.南京大學(xué)計算機軟件新技術(shù)國家重點實驗室，江蘇 南京210093）

0 引 言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，當(dāng)前的無線接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足其在帶寬、覆蓋、實時性等多方面需求[1]。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的融合:業(yè)務(wù)融合、網(wǎng)絡(luò)融合、接入融合等[2]，成為未來無線移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。在3G／WLAN融合的移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，出于便攜性考慮，移動終端的尺寸和重量受到嚴(yán)格限制，制約了終端電池體積和容量的擴充。因此，在為移動互聯(lián)網(wǎng)中的用戶服務(wù)時，終端能量消耗成為一個必須考慮的因素。

然而，現(xiàn)有方案實現(xiàn)負(fù)載的動態(tài)均衡分配時，大多忽略了終端能量有限性。文獻[3]提出了一種3G／WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中的 DLB－MSA（dynamic load balance scheme based on mobility and service aware）機制，為進入3G／WLAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的用戶提前部署無線通信資源，避免了業(yè)務(wù)到達(dá)時由實時計算引入新的業(yè)務(wù)鏈接時延，緩解了AP（access point）熱點地區(qū)負(fù)載過重的狀況。文獻[4]在DLB－MSA的基礎(chǔ)上通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和DLB策略優(yōu)化計算，使每個接入點的業(yè)務(wù)量與通信資源匹配，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。文獻[5]提出的JSAC（joint session admission control）機制，通過3G與WLAN之間的密切協(xié)作，完成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的動態(tài)均衡。文獻[6]提出了SASHA（smooth adaptive soft handover algorithm）機制，實現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)間多媒體業(yè)務(wù)流量均衡。因此，本文在實現(xiàn)3G／WLAN負(fù)載均衡時，結(jié)合了移動終端的能量有限性，不僅很好滿足用戶日益增長的業(yè)務(wù)需求，而且提高了整個網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。首先，文章分析了現(xiàn)有負(fù)載均衡機制存在的問題；然后，提出了終端能量感知的動態(tài)負(fù)載均衡機制；最后，仿真驗證了上述機制的有效性，并做了總結(jié)。

1 問題提出

現(xiàn)有3G／WALN網(wǎng)絡(luò)動態(tài)負(fù)載均衡機制大多沒有考慮移動終端的能量受限特性，導(dǎo)致無線通信資源浪費，降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力和用戶體驗。

DLB－MSA機制[3]根據(jù)用戶的移動、通信狀態(tài)，為其預(yù)先選擇一個合適的接入點，提前部署無線通信資源，將來有業(yè)務(wù)到達(dá)時完成鏈接的建立，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。然而，該機制進行網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡時，沒有考慮移動用戶 MU（mobile user）設(shè)備自身的能量局限性，即MU的剩余可用能量。對于已經(jīng)建立了預(yù)先映射機制的某個移動用戶MU，存在如下兩方面問題:

（1）剩余能量過低:移動終端當(dāng)前剩余可用能量低于某一個能量閾值時，該剩余能量僅能保證MU的基本服務(wù)，如收發(fā)短信、接聽來電但無法建立撥號、無法手機網(wǎng)上沖浪等；

（2）駐留時間過長:MU當(dāng)前剩余能量的可使用時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其在重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)的駐留時間。

基于上述兩種情形，仍然采用DLB－MSA機制為該MU分配通信資源，建立資源的預(yù)先映射，當(dāng)有大量的業(yè)務(wù)到達(dá)，MU因為電量不足而關(guān)機離線，或者駐留時間十分短暫且在業(yè)務(wù)到達(dá)時已近離開了該AP區(qū)域，將造成提前部署的3G／WLAN網(wǎng)絡(luò)資源浪費，降低無線接入點的有效工作效率。

因此，針對低能量終端用戶存在的網(wǎng)絡(luò)資源浪費問題，本文在實現(xiàn)負(fù)載動態(tài)均衡時，全面考慮終端的能量限制因素，把WLAN局部熱點中的能量過低節(jié)點的業(yè)務(wù)鏈接轉(zhuǎn)移給3G網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)負(fù)載均衡。由于低能量終端的電池能量即將消耗殆盡，在提高WLAN性能的同時，不會帶來過多的流量開銷，整個網(wǎng)絡(luò)中的總工作負(fù)荷不受影響。通過實驗發(fā)現(xiàn)，本文提出的能量感知動態(tài)負(fù)載均衡機制，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)通信資源，提高了網(wǎng)絡(luò)資源有效利用率。

2 能量感知的動態(tài)負(fù)載均衡機制

本節(jié)首先引出網(wǎng)絡(luò)模型和相關(guān)定義，用于機制描述。在此基礎(chǔ)上，給出終端能量感知模型，最后提出了基于能量的動態(tài)負(fù)載均衡機制。

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型和相關(guān)定義

現(xiàn)有的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合，大多是在保持現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，通過增加某些中間節(jié)點實現(xiàn)無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，可以分為緊耦合模式和松耦合模式?？紤]到網(wǎng)絡(luò)間通信資源的高效優(yōu)化配置，本文采用緊耦合模式，如圖1所示。

圖1 3G／WLAN融合架構(gòu)

該模式中，WLAN的接入點 APi（i＝1，2，…，I，I表示W(wǎng)LAN無線接入點的個數(shù)）與3G蜂窩網(wǎng)的基站BS（記為AP0）通過一個稱為接入路由器ASR（access switch router）的控制單元與核心網(wǎng)絡(luò)相連接，并且相互重疊覆蓋形成新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)域Dl（l＝0，1，2，...，L）。在終端與各個AP的協(xié)同下，由ASR完成網(wǎng)絡(luò)資源總體部署。

考慮到移動終端用戶的電池能量限制特性及用戶的能量使用歷史，本文采用如圖2的移動終端的自適應(yīng)能量感知架構(gòu)[7]估算終端剩余能量。該能量模型由當(dāng)前電池容量子模塊、能量消耗子模塊和能量使用歷史子模塊組成。能量歷史模塊記錄每天不同時刻的終端能量使用數(shù)據(jù)和充電頻率；當(dāng)前電池容量子模塊監(jiān)測并提供終端電池的當(dāng)前電量信息；能量消耗模塊用來預(yù)測終端現(xiàn)在將來短期內(nèi)的能量消耗。因此，可以利用能量模型用來預(yù)測用戶的短期能量消耗。

圖2 移動終端上下文能量感知架構(gòu)

為了便于機制描述，將本文涉及的部分符號歸納為表1。

表1 本文使用的符號標(biāo)記

下面給出了能量感知負(fù)載均衡中的相關(guān)參數(shù)具體定義。

定義1 能量需求向量m:移動終端工作在開機狀態(tài)時，定義終端設(shè)備的能量需求向量為

式中:n——終端當(dāng)前正在使用的資源數(shù)，mξ——使用第ξ種資源時的電流消耗[8]，ξ＝1，2，…，n。

定義2 資源需求向量r:移動終端工作在開機狀態(tài)時，定義終端的資源需求向量為

式中:rξ——終端使用第ξ種資源時的時間值。

定義3 時能比TER:移動終端單位能量消耗可供服務(wù)的平均時間定義為TER，計算公式如下

式中:l——時能比的累積計算次數(shù)，TERl——第l次測量的時能比，l≥1，TER1＝TER0＝TST／E0，E0表示移動終端初始能量，TST表示移動終端的理論待機時間，θl表示移動終端電池的前后兩次使用時間長度比；θ0＝1，θ1＝UE1／UE2，UE1與UE2分別表示前后兩次充電后使用時間長度的比例系數(shù)。

2.2 能量感知模型

假設(shè)不同資源的能量消耗是線性無關(guān)的，某時段內(nèi)總能量消耗就等于該時段內(nèi)各個獨立資源的能量消耗之和，如終端的顯示部件消耗、WiFi通信消耗、CPU工作消耗、GPS工作消耗、信息收發(fā)模塊能量消耗等。給定終端設(shè)備，構(gòu)建該設(shè)備的能量消耗模型，步驟如下:

（1）確定當(dāng)前使用的終端固有資源，如CPU、顯示模塊、GPS模塊、WiFi模塊、信息收發(fā)等基本模塊。

（2）為工作中正在被使用的每個系統(tǒng)資源設(shè)置一個測量節(jié)點，在服務(wù)過程中對其各個系統(tǒng)資源消耗的能量進行測量，生成能量、資源需求向量。用k表示測量節(jié)點數(shù)，k＝1，2，...，K，rη為資源實際使用時間 （資源需求向量的一個子集），對于每次測量試驗η（試驗次數(shù)η＝1，2，...），通過下式

計算出該次測量試驗終端消耗的能量。

（3）建立k個方程 （來自資源需求向量和通信能量消耗）構(gòu)成的超線性方程組系統(tǒng)

2.3 動態(tài)負(fù)載均衡機制

本文結(jié)合智能移動終端自身電池的能量局限性，在DLB－MSA的基礎(chǔ)上提出了移動終端能量感知負(fù)載均衡機制。圖3給出了該機制的算法流程。

（1）終端初始化。智能終端用戶SMU（smart mobile user）進入3G／WLAN網(wǎng)絡(luò)單元覆蓋區(qū)域后，獲得網(wǎng)絡(luò)為其分配的接入標(biāo)示AID（access identifier，例如動態(tài)IP），用于完成在移動終端與網(wǎng)絡(luò)間的信令交換。

運用最小二乘法求解該超線性方程組，獲得對正在服務(wù)業(yè)使用的系統(tǒng)資源的能量消耗。

（4）假設(shè)在服務(wù)過程中電池電壓V不變，終端當(dāng)前剩余能量記為CE，則將來有業(yè)務(wù)到達(dá)時MU剩余能量如下

則確定該用戶為MUU；否則，直接由AP0為該非MUU用戶業(yè)務(wù)到達(dá)時提供數(shù)據(jù)連接建立服務(wù)。

然后將SMU自身的位置、速度、剩余能量可用時間等信息發(fā)送給3G／WLAN網(wǎng)絡(luò)。

這里需要說明的是，TER值的計算可以在以下兩種情形下進行:①每次開機時生成一個TER值，直到下一次開機后再生成另一個新的TER值；②每進入一個3G／WLAN覆蓋區(qū)域時計算一個TER值，直到進入下一個區(qū)域后再計算另一個新的TER值。

（4）計算終端駐留時間。終端的小區(qū)駐留時間取決于終端移動速度、小區(qū)半徑、小區(qū)路況等條件。MUU用戶APi采用文獻[9]。中的速率預(yù)測算法計算出用戶所在的業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域Di內(nèi)的駐留時間τij，并按照駐留時間長短對其進行分類與排序，建立一個駐留時間降序列表。

圖3 EA－DLB算法機制

（5）能量過濾運算。3G／WLAN網(wǎng)絡(luò)中的ASR根據(jù)APi提供的MUU信息，從MUU用戶中篩選出滿足條件的高剩余能量MUEU用戶:若MUU用戶滿足

則確定該用戶為MUEU用戶，并進行后續(xù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化運算；否則，直接由AP0為該用戶服務(wù)。

（6）負(fù)載均衡運算。執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)阻塞概率均衡優(yōu)化運算均衡熱點區(qū)域內(nèi)各個AP的業(yè)務(wù)阻塞概率，建立MUEU－Best＿AP的預(yù)先映射。將區(qū)域Di內(nèi)的駐留時間較長的N＊i（t）個MUEU，若滿足

則定義其Best＿AP的映射關(guān)系為MUEUN＊i（t）→APi，使得各個AP之間的業(yè)務(wù)阻塞概率只差最小化；其余駐留時間較短的（Ni＿max（t）－N＊i（t））個MUEU用戶，定義其Best＿AP映射關(guān)系為MUEU（Ni＿max（t）－N＊i（t））→AP0，整個映射及用戶分配過程由ASR統(tǒng)一進行協(xié)調(diào)。

Ni（t）為優(yōu)化變量，N（t）為t時刻，3G／WLAN網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)的MUEU總數(shù)量，APi的業(yè)務(wù)阻塞概率公式如下

綜上，本文提出的終端能量感知的動態(tài)負(fù)載均衡機制，充分考慮了終端自身能量不足，用戶進入網(wǎng)絡(luò)單元覆蓋區(qū)域后根據(jù)終端自身移動特性、終端剩余可用能量以及AP的業(yè)務(wù)負(fù)載提供能力，為其分配合適的Best＿AP，避免了業(yè)務(wù)到達(dá)時由于負(fù)載均衡運算而引入新的業(yè)務(wù)鏈接時延。同時，將重疊區(qū)域WLAN中的低業(yè)務(wù)到達(dá)概率與低能量終端用戶的服務(wù)鏈接轉(zhuǎn)移到3G網(wǎng)絡(luò)，由于低能量終端用戶的電池能量將要耗盡或是終端用戶只在區(qū)域內(nèi)短暫駐留，因此使用本文提出的機制，在提高網(wǎng)絡(luò)性能的同時，不會導(dǎo)致過多的流量開銷。該機制不僅實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中各個AP之間的負(fù)載均衡，而且在一定程度上降低了熱點地區(qū)的業(yè)務(wù)切換率，后文將通過仿真驗證該機制的有效性。

3 性能評價

本節(jié)首先介紹實驗評估模型與參數(shù)設(shè)置，然后對實驗結(jié)果進行分析。

3.1 性能評估模型與實驗設(shè)計

為對本文提出的終端能量感知動態(tài)負(fù)載均衡機制EADLB性能進行全面的分析和評價，采用高斯－馬爾科夫移動模型[10，11]（Gauss－Markov model）模擬移動用戶在覆蓋區(qū)域內(nèi)的移動；采用文獻[12]中的切換模型模擬移動終端在不同接入點之間的切換。假定終端用戶在各個覆蓋區(qū)域內(nèi)的駐留時間、終端的剩余能量的可用時間均服從指數(shù)分布。本節(jié)共設(shè)置了兩組實驗，詳細(xì)參數(shù)設(shè)置見表2、表3。

表2 實驗場景設(shè)置

表3 實驗參數(shù)設(shè)置 （一、二為實驗組別）

對于終端剩余能量的估算，主要考慮終端開機狀態(tài)下的CPU能量消耗、終端顯示器能耗、WiFi開啟狀態(tài)下的能耗、發(fā)送接收信息模塊工作能耗；同時，分別考慮3G／WLAN網(wǎng)絡(luò)在不同的重疊覆蓋半徑和移動用戶數(shù)下，使用能量感知機制前后的網(wǎng)絡(luò)資源變化。

3.2 結(jié)果分析

通過仿真實驗的對比分析，驗證使用能量感知動態(tài)負(fù)載均衡機制EA－DLB前后，3G／WLAN重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)的移動用戶數(shù)量變化，及其各個無線接入點的網(wǎng)絡(luò)擁塞變化趨勢。

圖4、圖5給出了第一組仿真實驗的實驗結(jié)果。在圖4（a）中，刻畫了3G／WLAN各個覆蓋區(qū)域內(nèi)的移動用戶數(shù)與MUU移動用戶數(shù)分布情況。根據(jù)各個接入點無線電信號強弱、覆蓋半徑的大小不同，以及終端用戶的隨機移動，位于該區(qū)域內(nèi)的用戶數(shù)量的多少存在一定差異，反映出了各個無線接入點工作負(fù)荷的大小及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的高低。圖4（b）是運行能量感知動態(tài)負(fù)載均衡機制前后，WLAN的各個接入點APi內(nèi)所服務(wù)的移動終端數(shù)量變化情況。從圖中可以明顯看出，如果不考慮移動終端的能量有限性，且不使用動態(tài)負(fù)載均衡機制時，WLAN的各個AP都工作在高負(fù)荷狀態(tài)中，容易使各個無線接入點的資源使用達(dá)到飽和；使用DLB機制后，通過對各個AP的網(wǎng)絡(luò)資源進行預(yù)先均衡化配置，濾除將來業(yè)務(wù)到達(dá)概率值相對較低的終端用戶，在一定程度上緩解了該AP的工作負(fù)荷，延長了網(wǎng)絡(luò)有效工作時間；然而，對比后發(fā)現(xiàn)，使用能量感知動態(tài)負(fù)載均衡機制，在對各個無線接入點的網(wǎng)絡(luò)資源進行預(yù)先均衡規(guī)劃以濾除低業(yè)務(wù)到達(dá)概率終端用戶時，再過濾掉一部分能量過低終端用戶，WLAN各個AP的工作負(fù)荷明顯降低了很多，從而節(jié)省了大量的無線通信資源，提高了網(wǎng)絡(luò)的有效服務(wù)能力。

圖4 引入能量感知前后各個AP的服務(wù)用戶數(shù)變化

圖5 引入EA－DLB后各個AP的資源飽和

圖5 （a）、（b）、（c）中分別刻畫了 WLAN的各個無線接入點的網(wǎng)絡(luò)資源飽和發(fā)生狀況。從圖中可以看出，使用DLB機制實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)負(fù)載均衡，與未使用任何機制相比，在一定程度上降低了整個網(wǎng)絡(luò)的潛在擁塞，均衡了網(wǎng)絡(luò)的潛在用戶負(fù)載；運行能量感知的動態(tài)負(fù)載均衡機制后的效果，與DLB機制的效果相比較可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)擁塞概率得到了更大程度上的降低，提高網(wǎng)絡(luò)工作效率和無線資源利用率。使用能量感知動態(tài)負(fù)載均衡機制，將WLAN覆蓋區(qū)域內(nèi)的低業(yè)務(wù)到達(dá)、低剩余能量終端用戶的部分即將到達(dá)的業(yè)務(wù)連接的建立切換到3G網(wǎng)絡(luò)，不但沒有引入而外的網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)荷，而且還明顯推遲了WLAN的無線接入點網(wǎng)絡(luò)潛在的通信資源飽和的發(fā)生時間，延長了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)設(shè)備的可服務(wù)可工作時間，提高了整個網(wǎng)絡(luò)的無線資源利用率。

圖6、圖7給出了第二組實驗的實驗結(jié)果。通過擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，增加網(wǎng)絡(luò)中移動用戶數(shù)以及改變網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)來變換實驗場景，驗證能量感知動態(tài)負(fù)載均衡機制的有效性。從圖6（a）中，可以發(fā)現(xiàn)，如果只使用DLB機制，相比較未使用任何機制的情形，只是將很少一部分WLAN接入點內(nèi)的低業(yè)務(wù)到達(dá)概率用戶切換到3G網(wǎng)絡(luò)中，WLAN局部熱點網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)荷降低趨勢不明顯；通過圖6（b）的對比發(fā)現(xiàn)，引入能量感知動態(tài)負(fù)載均衡機制后，同時將WLAN覆蓋區(qū)域內(nèi)的低業(yè)務(wù)到達(dá)概率用戶與低能量用戶的通信服務(wù)切換到3G服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，WLAN局部熱點中的各個無線接入點AP的工作負(fù)荷，與圖6（a）相比較得到了明顯改善，從而有效降低了網(wǎng)絡(luò)的工作負(fù)荷。通過圖5、圖6的兩個用戶數(shù)量變化圖，發(fā)現(xiàn)本文提出的能量感知動態(tài)負(fù)載均衡機制，在不同的實驗環(huán)境下都有效降低了網(wǎng)絡(luò)中局部熱點的工作負(fù)荷，提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能。

圖6 引入能量感知前后各個AP的服務(wù)用戶數(shù)變化

圖7 引入EA－DLB前后各個AP的資源飽和

圖7 的資源飽和圖7 （a）、 （b）、 （c）中，可以發(fā)現(xiàn)，未使用任何機制時，網(wǎng)絡(luò)中的各個接入點在工作了大約20個時間單位后發(fā)生資源飽和。引入DLB機制后，發(fā)生資源飽和的時間點得到了一定程度延遲。使用能量感知機制后，大幅度推遲網(wǎng)絡(luò)資源飽和點的發(fā)生時間，有效降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞概率，提高了網(wǎng)絡(luò)通信資源的利用率。觀察兩組實驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在不同的實驗場景下，雖然網(wǎng)絡(luò)資源擁塞改進尺度存在差異，這主要受到區(qū)域內(nèi)終端用戶數(shù)的影響，但是基于能量感知的動態(tài)負(fù)載均衡機制相較于動態(tài)負(fù)載均衡機制都表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)越性。

4 結(jié)束語

目前3G／WLAN網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡機制，大多沒有考慮低能量終端用戶帶來的網(wǎng)絡(luò)資源浪費問題。因此，本文提出了一種能量感知動態(tài)負(fù)載均衡機制，通過建立能量感知模型對終端用戶的當(dāng)前剩余能量進行預(yù)測，完成基于終端能量的網(wǎng)絡(luò)通信資源預(yù)先規(guī)劃，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)用戶負(fù)載的動態(tài)均衡。把WLAN局部熱點中的能量過低節(jié)點的業(yè)務(wù)負(fù)載轉(zhuǎn)移到3G網(wǎng)絡(luò)，由于低能量終端的電池能量即將消耗殆盡，在提高WLAN性能的同時，不會帶來過多的流量開銷，整個網(wǎng)絡(luò)中的總工作負(fù)荷不受影響。仿真結(jié)果表明，該機制減少了3G／WLAN局部熱點中的各個無線接入點的網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)荷，有效降低了網(wǎng)絡(luò)接入點的資源擁塞概率，延長了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)周期。

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