校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源精確分配研究

◆李長青 胡為成 杜宇昊 徐丹

校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源精確分配研究

◆李長青 胡為成 杜宇昊 徐丹

（銅陵學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院 安徽 244061）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入發(fā)展，校園網(wǎng)已在生活中被廣泛運用，精確分配校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源是很有必要的。內(nèi)容從容量估計、覆蓋結(jié)構(gòu)兩個方面進行考慮，依據(jù)仿真校園網(wǎng)內(nèi)的話務(wù)量分布和每個子地點的實時流量變化，在基于時分多址的定向通信網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)資源分配算法下，通過對資源的合理調(diào)度，使網(wǎng)絡(luò)資源的分布更精準的作用于每一個實時情景，并及時應(yīng)對突發(fā)流量激增的情況，從而提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

資源分配；校園仿真網(wǎng)絡(luò)；話務(wù)量

隨著計算機的誕生與研究，網(wǎng)絡(luò)理論技術(shù)以及應(yīng)用水平逐漸提升，我們已經(jīng)進入了網(wǎng)絡(luò)化和信息化時代，大學(xué)生們在生活中已經(jīng)難以離開網(wǎng)絡(luò)，校園網(wǎng)在學(xué)生和教師的學(xué)習(xí)與工作中扮演著十分重要的角色，因此網(wǎng)絡(luò)性能的重要性可想而知。本文對仿真校園網(wǎng)絡(luò)資源進行精確分配，隨著話務(wù)量大幅上升，單位時間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)擁塞次數(shù)得到下降，提高了資源利用率，明顯保障了仿真校園網(wǎng)內(nèi)虛擬用戶的正常訪問，提供良好的使用體驗，網(wǎng)絡(luò)運行指標都明顯得到改善。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)方案

用戶的增長導(dǎo)致校園基站無比擁塞，用戶的使用感變差。校園網(wǎng)用戶的行為與分布具有特殊性，如學(xué)生長時間使用QQ或微信等聊天軟件，且多在圖書館、食堂、教室和寢室等地點。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及智能手機等終端設(shè)備的發(fā)展，語音話務(wù)量隨者用戶的發(fā)展增加較慢，但是流量數(shù)據(jù)卻增長極快，傳統(tǒng)模型將因此發(fā)生較大的變化。由于沒有準確地依據(jù)話務(wù)量分布情況準確分配資源，所以會嚴重浪費空口資源。若以傳統(tǒng)模型來設(shè)計方案，則在實際應(yīng)用中依然會發(fā)生擁堵的情況。對于校園網(wǎng)現(xiàn)有問題，本文對仿真校園網(wǎng)采用了室分的覆蓋方法。在基于動態(tài)資源分配算法的思想下，我們將整個仿真校園網(wǎng)依據(jù)其不同的特性分成了宿舍區(qū)，教學(xué)樓和學(xué)校教務(wù)區(qū)三個主要部分。

我們對仿真校園網(wǎng)里面的三個分區(qū)在不同的時間段分別進行容量估算和單位時間內(nèi)的話務(wù)量的統(tǒng)計。通過對仿真校園網(wǎng)里面的三個主要分區(qū)的用戶數(shù)量，CE話務(wù)量統(tǒng)計，仿真校園網(wǎng)的計劃用戶數(shù)和省網(wǎng)發(fā)擴容標準四個信息來估算每一個地點所需要的載頻數(shù)量。對仿真校園網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)流量激增的情景下進行測試，通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)延遲的波動來測試動態(tài)資源分配算法在面對突發(fā)的流量激增的情況下的應(yīng)對能力，使整個仿真校園網(wǎng)在保證校園網(wǎng)深度覆蓋的基礎(chǔ)上，提升仿真校園網(wǎng)的效率。

1.2 實現(xiàn)原理

在時分多址網(wǎng)絡(luò)里，動態(tài)資源分配算法的主要原理為：在各成員入網(wǎng)以后，在實際需求量有改變時，能自行調(diào)整各部分資源的分配，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的資源利用情況。在基于時分多址的定向通信網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)資源分配算法中，各成員需參照業(yè)務(wù)對通信時延以及傳輸速率的要求，在時隙資源基礎(chǔ)之上，科學(xué)配置其他的資源，獲取時隙頻率分配表，是其分配表在基本滿足業(yè)務(wù)要求的前提下，對整體的資源消耗最小化。

資源分配算法的求解目標概括為如下兩個方面：

（1）分配結(jié)果誤差：表示分配結(jié)果與需求間的差別，分配結(jié)果誤差盡可能小，當誤差為0時就為最佳情形。

（2）全網(wǎng)資源消耗：為不同類別資源分別配置不同的資源消耗系數(shù)，該系數(shù)由資源的緊缺度決定，全網(wǎng)資源消耗盡可能低。

綜上，資源分配算法設(shè)計的目標是，在保障資源分配誤差盡可能小的基礎(chǔ)下，使得全網(wǎng)資源消耗最小化。本文選用分布式控制策略算法，在該算法中，任何一成員僅負責自己的需求，進行獨立資源配置運算，并和局部相鄰成員協(xié)商確認資源分配情況，從而實現(xiàn)資源有效利用[2]。

1.3 實現(xiàn)過程

本文從覆蓋結(jié)構(gòu)和容量估算兩角度來進行仿真校園網(wǎng)的優(yōu)化方案設(shè)計。

1.3.1估算容量的方法

我們采用整體估算的方法，也就是以校園為整體單位對需增加載的頻數(shù)進行估算。容量估算法的四個主要條件為：

條件1：本仿真校園在網(wǎng)用戶總數(shù)——A；

條件2：忙時平均CE話務(wù)量——B（以一個月為例）；

條件3：仿真校園計劃總用戶數(shù)——D；

條件4：省網(wǎng)發(fā)擴容標準——15.82Erl/載扇（注：CE話務(wù)量22.6Erl*70%=15.82Erl）。

缺口資源估算：現(xiàn)網(wǎng)每個用戶的話務(wù)模型：B/A=C（Er1）；按計劃發(fā)展用戶后的話務(wù)量：（A+D）×C=E （Er1）；所需載頻總數(shù)：F=E/15.82；缺口資源=所需載頻總數(shù)-現(xiàn)網(wǎng)載頻數(shù)。

對缺口資源進行估算的步驟：

（1）計算每用戶話務(wù)量

每用戶話務(wù)量=扇區(qū)話務(wù)量/（全天激活用戶*數(shù)忙時激活用戶比扇*區(qū)占總話務(wù)量的比重）其中，忙時激活比為全天激活總用戶數(shù)與忙時激活總用戶數(shù)的比值。

（2）求解扇區(qū)發(fā)展用戶后占激活用戶總時隙數(shù)

扇區(qū)發(fā)展用戶后占激活用戶總時隙數(shù)=激活用戶總時隙數(shù)+每話務(wù)量占用的總時隙數(shù)*（扇區(qū)話務(wù)量/全天激活用戶）*新發(fā)展CDMA用戶數(shù)*2.7。

（3）計算扇區(qū)發(fā)展用戶后的傳輸用戶數(shù)

扇區(qū)發(fā)展用戶的傳輸用戶數(shù)=（扇區(qū)發(fā)展后占激活用戶的總時隙數(shù)/3600）/600。

（4）計算每載扇需要的EV-DO載頻數(shù)

每扇區(qū)需要的EV-DO載頻數(shù)=扇區(qū)發(fā)展用戶的傳輸用戶數(shù)/扇區(qū)支持的最大產(chǎn)生用戶數(shù)。

（5）計算資源缺口：

缺口資源＝每載扇需要的EV-DO載頻數(shù)-現(xiàn)網(wǎng)EV-DO載頻數(shù)

1.3.2覆蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）對本次優(yōu)化實驗的仿真校園網(wǎng)進行模擬試驗，得到仿真校園網(wǎng)內(nèi)話務(wù)量分布律。

（2）根據(jù)在線用戶數(shù)目、預(yù)計發(fā)展數(shù)目，估計需要的載頻總數(shù)，從而對缺口資源進行計算。

（3）根據(jù)仿真校內(nèi)話務(wù)量分布律，選有助于小區(qū)域覆蓋的宿舍樓安裝室內(nèi)分接器，并輔以室外覆蓋天線，同時滿足寢室和教室內(nèi)外同PN覆蓋，提升室分信源的利用效率[1]。

1.4 軟件流程

基于網(wǎng)絡(luò)精確分配的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計可以根據(jù)仿真校園網(wǎng)的需求來分別對不同地點以及不同時間段下的使用情況進行實時模擬，我們需要根據(jù)現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域，針對性確定具體的系統(tǒng)設(shè)計流程，對系統(tǒng)采用模塊化的方式進行物理拆分，摸清系統(tǒng)的邏輯面向?qū)ο?，給出仿真校園網(wǎng)內(nèi)不同情景下最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)資源分配。在運行中，各設(shè)計模塊間緊密聯(lián)系，表現(xiàn)了在研發(fā)進程中不斷學(xué)習(xí)改進的過程，通過各個子信息的匯總來達到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)資源分配。

2 實驗測試與分析

2.1 測試方案

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，基于網(wǎng)絡(luò)資源精確分配信息管理系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和部署環(huán)境存在差異，并且現(xiàn)有資源較少，故系統(tǒng)的部署與開發(fā)以簡潔實用為主。移植性較強的Java程序也讓系統(tǒng)部署變得簡明，以下是主要系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和部署和測試環(huán)境簡介。

系統(tǒng)開發(fā)、測試是在 Windows 平臺中產(chǎn)生，下面為框架平臺和應(yīng)用程序：

系統(tǒng)開發(fā)的計算機系統(tǒng)：Windows 系統(tǒng)

開發(fā)、測試環(huán)境：JDK8.0+eclipse

數(shù)據(jù)庫：MySQL數(shù)據(jù)庫

2.2 測試數(shù)據(jù)

依據(jù)仿真校園網(wǎng)內(nèi)的話務(wù)量分布，以及不同的地點選擇合適的地采取室分的覆蓋方式，同時將原宏站覆蓋校園內(nèi)的扇區(qū)關(guān)閉。最后根據(jù)仿真校園網(wǎng)內(nèi)不同時間段和地點的情景定制不同的覆蓋方式。最后完全部署之后通過對仿真局域網(wǎng)的（DT/CQT）測試。在經(jīng)過對仿真校園網(wǎng)的一系列測試之后，我們可以得到仿真局域網(wǎng)優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比。下圖為優(yōu)化前后話務(wù)量對比（圖1）和優(yōu)化前后擁塞次數(shù)對比（圖2）：

圖1 優(yōu)化前后話務(wù)量對比

圖2 優(yōu)化前后擁塞次數(shù)對比

通過對仿真校園網(wǎng)CE話務(wù)量和擁塞次數(shù)的優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我們可以看出基于時分多址網(wǎng)絡(luò)的資源動態(tài)分配算法的思想中，對仿真校園網(wǎng)中的每一個規(guī)劃的地點

依據(jù)其自身的特性進行相對應(yīng)的信息統(tǒng)計，并且合理的添加載頻數(shù)量并且加以室分的覆蓋方式可以有效地對網(wǎng)絡(luò)進行精確的分配。并且優(yōu)化了單位時間內(nèi)的CE話務(wù)量以及擁塞次數(shù)。接著，我們將仿真校園網(wǎng)置于一個網(wǎng)絡(luò)流量激增的情況下進行測試，對其網(wǎng)絡(luò)波動的時間以及一段時間內(nèi)的擁塞次數(shù)進行了統(tǒng)計。結(jié)果顯示在經(jīng)過動態(tài)資源分配的調(diào)整之后，單位時間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)擁塞次數(shù)在網(wǎng)絡(luò)資源激增的情況下有所降低，但相對于其他資源分配方法，對網(wǎng)絡(luò)激增這一情況下的處理時間有較長的延遲。

綜上所述，在對仿真校園網(wǎng)里面的每一個劃定區(qū)域根據(jù)其特有的性質(zhì)來分別決定網(wǎng)絡(luò)的覆蓋方法，并且分別收集與分析其信息量，逐一進行模塊資源分配，可以較好地提升網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。在面對網(wǎng)絡(luò)激增這種特殊的情況下，系統(tǒng)可以通過對每一個模塊的流量的進行實時監(jiān)控，動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源，控制網(wǎng)絡(luò)波動的范圍，以保證用戶的使用體驗。

3 結(jié)論

優(yōu)化校園網(wǎng)是復(fù)雜的計算機系統(tǒng)工程，涉及硬件、算法、控制等因素，制定合理的優(yōu)化方案要從全局進行把控，從個體人手。研究表明，以已有的校園網(wǎng)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)實所需的應(yīng)用環(huán)境，在基于一定優(yōu)化條件的算法技術(shù)下，得到校園網(wǎng)優(yōu)化方案，對相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)性能結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性進行優(yōu)化是可操作的。

[1]孫勇.中國電信校園網(wǎng)優(yōu)化方法[J].移動通信，2012，36（17）：69-75.

[2]李瑩，李婥.定向通信網(wǎng)絡(luò)資源分配算法設(shè)計及仿真[J].中國新通信，2016，18（03）：18-21.

安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（No.s201910383289）