基于傳輸速率自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法初探

趙一民

北京中網(wǎng)華通設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京 100070

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源都十分緊缺。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，新一代帶寬接入網(wǎng)得到了建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸也開始由單一數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像、語(yǔ)音等綜合信息的傳輸，對(duì)服務(wù)質(zhì)量提出了更高要求。而想要確保網(wǎng)絡(luò)的帶寬得到合理分配，還要采用能夠?qū)鬏斔俾蔬M(jìn)行自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，繼而使用戶可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的共享。

1 帶寬分配體系架構(gòu)

在帶寬接入網(wǎng)的過(guò)程中，需要同時(shí)提供包含實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在內(nèi)的各種業(yè)務(wù)的高速傳輸服務(wù)。不同于普通數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸對(duì)服務(wù)質(zhì)量QoS有較高的指標(biāo)要求。作為端到端網(wǎng)絡(luò)的一段，多鏈路帶寬接入網(wǎng)需要具備相應(yīng)QoS保障能力，即要提供更好的帶寬控制和支持多鏈路帶寬接入業(yè)務(wù)[1]。

2 帶寬分配方法及問(wèn)題分析

在帶寬分配方面，目前主要可以采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種帶寬分配方法。采用靜態(tài)方法，需要對(duì)各業(yè)務(wù)傳輸速率進(jìn)行比較，然后為業(yè)務(wù)分配固定數(shù)量帶寬。靜態(tài)分配分為按峰值速率分配和按平均速率分配2種，前一種方法由于無(wú)法達(dá)到業(yè)務(wù)傳輸峰值速率，容易導(dǎo)致帶寬資源利用率過(guò)低，后一種則容易出現(xiàn)無(wú)法滿足高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求的問(wèn)題。采用動(dòng)態(tài)帶寬分配方法，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中閑置的帶寬資源進(jìn)行回收利用，將資源動(dòng)態(tài)分配給各類等待的業(yè)務(wù)，并結(jié)合各業(yè)務(wù)QoS需求進(jìn)行信息反饋，實(shí)現(xiàn)帶寬的動(dòng)態(tài)調(diào)整，因此更能滿足新一代帶寬接入網(wǎng)的帶寬分配要求。但是就目前來(lái)看，現(xiàn)階段采用的動(dòng)態(tài)帶寬分配法是通過(guò)窗口大小或速率快慢對(duì)各類業(yè)務(wù)進(jìn)行適宜帶寬資源的分配，需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才能對(duì)帶寬分配進(jìn)行調(diào)整，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組出現(xiàn)較大時(shí)延，加重系統(tǒng)傳輸負(fù)擔(dān)[2]。而在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，帶寬分配將對(duì)用戶傳輸速率產(chǎn)生直接影響，因此需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)對(duì)各移動(dòng)終端支持業(yè)務(wù)傳輸速率進(jìn)行快速調(diào)整，才能使各網(wǎng)絡(luò)間的業(yè)務(wù)分流得以迅速完成，繼而滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸需求。

3 基于傳輸速率自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)帶寬分配

3.1 優(yōu)先級(jí)的劃分

結(jié)合上述問(wèn)題，可以采用基于傳輸速率自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法進(jìn)行帶寬分配，確保異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的帶寬資源得到高效利用。采用該種算法，首先需要對(duì)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列問(wèn)題進(jìn)行考慮，完成傳輸業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)合理劃分。具體來(lái)講，就是要將本地用戶組和代理用戶組進(jìn)行區(qū)分，用相應(yīng)集合進(jìn)行表示，完成網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)用戶組的劃分。針對(duì)本地注冊(cè)用戶，還要利應(yīng)相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)為其提供業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)，而代理用戶可以在利用專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，利用注冊(cè)用戶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸。針對(duì)任意移動(dòng)端，則要有限提供服務(wù)，確保移動(dòng)端傳輸速率需求得到最先滿足。而在移動(dòng)端的業(yè)務(wù)中，也需要完成優(yōu)先級(jí)劃分。結(jié)合各業(yè)務(wù)QoS決策因子個(gè)數(shù)，則能確定業(yè)務(wù)QoS影響重要性，確定業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)。將業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)決策因子比較數(shù)值列成相應(yīng)的矩陣，然后進(jìn)行矩陣最大特征向量的計(jì)算，則能得到?jīng)Q策因子加權(quán)值。根據(jù)權(quán)值大小，則能對(duì)各業(yè)務(wù)的傳輸優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行排列。針對(duì)用戶組，則可以按照對(duì)應(yīng)的用戶傳輸優(yōu)先級(jí)決策規(guī)則進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分。

3.2 最優(yōu)帶寬分配

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)端向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送帶寬集中控制單元進(jìn)行服務(wù)請(qǐng)求的發(fā)送后，控制單元可以獲得終端形態(tài)、業(yè)務(wù)等級(jí)，帶寬需求等信息，然后進(jìn)行適合帶寬的分配。在確定業(yè)務(wù)移動(dòng)端在網(wǎng)絡(luò)中傳輸速率后，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)多宿主功能，對(duì)所有終端進(jìn)行帶寬分配，同樣需要完成最優(yōu)帶寬分配矩陣的建立。根據(jù)矩陣，可以確定網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)帶寬資源對(duì)業(yè)務(wù)移動(dòng)終端傳輸頻譜效率。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸信噪比等要求，可以確定可分配矩陣的約束條件。采用無(wú)線接入網(wǎng)，則能為移動(dòng)終端分配帶寬資源。對(duì)各網(wǎng)絡(luò)效用進(jìn)行疊加，則能完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)效用計(jì)算。在總的傳輸速率QoS需求和容量約束下，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各移動(dòng)終端支持的業(yè)務(wù)傳輸速率進(jìn)行確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)帶寬重分配，使網(wǎng)絡(luò)效用最大化[3]。

3.3 動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，傳輸速率自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)帶寬分配其實(shí)為動(dòng)態(tài)優(yōu)化迭代分析過(guò)程，可以通過(guò)不斷迭代得到最優(yōu)的帶寬分配矩陣，確保網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)得到最大化。按照這一思路，可以先將兩類用戶組按照傳輸速率要求進(jìn)行降序排列，然后結(jié)合網(wǎng)絡(luò)可用帶寬資源進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)升序排列，將可用帶寬優(yōu)先分配給本地用戶組，確保其中最大傳輸速率需求能夠得到滿足。在通信環(huán)境和位置發(fā)生變化后，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載將出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，促使業(yè)務(wù)請(qǐng)求發(fā)生改變。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)容量要求，需要對(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化迭代算法中if條件進(jìn)行逐次執(zhí)行，確保傳輸速率動(dòng)態(tài)調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)，繼而實(shí)現(xiàn)帶寬自適應(yīng)分配。因此在傳輸速率自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程中，帶寬動(dòng)態(tài)分配優(yōu)化其實(shí)為一個(gè)優(yōu)化步驟，還要按照偽代碼進(jìn)行迭代分析。采用迭代算法，則能獲得最優(yōu)的帶寬重分配矩陣，繼而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)效用最大化的目標(biāo)。

3.4 算法仿真分析

為確定算法效果，還要利用仿真軟件進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。利用IEEE 802.16e WMAN、IEEE 802.11b WMAN和移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)則能得到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)容量分別為20、15和2MBit/s，網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)量分別為40、0～60、3。在該網(wǎng)絡(luò)中，包含多模移動(dòng)終端，需要進(jìn)行多個(gè)無(wú)線空中接口的設(shè)置。在網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋區(qū)內(nèi)，各終端擁有多宿主功能，可以利用多個(gè)無(wú)線網(wǎng)進(jìn)行業(yè)務(wù)承載。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的情況下，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率將為0。在實(shí)際分析過(guò)程中，需要設(shè)定三個(gè)業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)傳輸速率為1024、512、256kbit/s，傳輸頻譜效率為1.5、2、1，傳輸優(yōu)先級(jí)分別為三級(jí)、二級(jí)和一級(jí)。按照算法，需要根據(jù)提出的傳輸速率進(jìn)行動(dòng)態(tài)帶寬分配，實(shí)現(xiàn)帶寬動(dòng)態(tài)優(yōu)化迭代分析。

圖1 各網(wǎng)絡(luò)帶寬分配仿真效果圖

如圖1所示，為仿真分析結(jié)果。結(jié)合分析結(jié)果可知，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量不斷增加的情況下，帶寬分配向量會(huì)隨之改變，促使各網(wǎng)絡(luò)給用戶分配的帶寬發(fā)生變化。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的用戶數(shù)量達(dá)到29時(shí)，用戶分配得到的帶寬會(huì)隨之減少，僅能為傳輸速率較低的業(yè)務(wù)提供支持，而節(jié)省下的帶寬則用于為新增加用戶提供數(shù)據(jù)傳輸支持。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量提升至34的情況下，網(wǎng)絡(luò)容量已經(jīng)較高，網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶傳輸速率服務(wù)質(zhì)量需求進(jìn)行了降低，確保有足夠帶寬為新增用戶提供業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量持續(xù)增加時(shí)，各網(wǎng)絡(luò)都會(huì)對(duì)用戶業(yè)務(wù)傳輸速率對(duì)服務(wù)質(zhì)量的需求進(jìn)行降低。因此在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，用戶數(shù)量的增加，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)帶寬分配發(fā)生調(diào)整，確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)降低傳輸速率需求實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的共享。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)帶寬分配方面，采用傳輸速率自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，能夠在對(duì)帶寬資源進(jìn)行高效利用的同時(shí)，使用戶和各類業(yè)務(wù)間的公平性得到兼顧，確保業(yè)務(wù)得到適宜的帶寬資源分配，從而使以往動(dòng)態(tài)帶寬分配遭遇的困難得到解決。因此相信在新一代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的過(guò)程中，該種帶寬分配算法能夠得到較好的使用。