基于ZIPF分布的多址通訊快速動態(tài)信道分配方法

陳捷潔

(福州理工學院 移動通訊和物聯(lián)網(wǎng)福建省高校工程研究中心，福建 福州 350000)

目前，在通信技術(shù)中，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，在人們的日常生活中隨處可見，但是在外界環(huán)境的影響下，無線傳輸過程中兩個傳輸節(jié)點之間傳輸?shù)哪芰繒粩嗨p，很難保持穩(wěn)定狀態(tài)[1-3]。為解決這一問題，目前大多使用中繼AP支持相距較遠的節(jié)點之間通訊，這種技術(shù)自適應(yīng)性能好，是近幾年的熱門研究對象。在對無線網(wǎng)絡(luò)的研究中，信道的分配是一個重點，以WiFi為例，越來越多的設(shè)備支持WiFi網(wǎng)絡(luò)的連接，提高了對多用戶、多信道的需求，但是在多信道的情況下，依舊存在信道分配不均、信道重疊的情況[4-6]。

現(xiàn)階段，很多無線網(wǎng)絡(luò)通訊中真正正交的信道只有少數(shù)，其他的信道之間會出現(xiàn)重疊、干擾等情況，造成無線網(wǎng)絡(luò)通訊的吞吐量降低，信道性能嚴重下降[7]。因此，國內(nèi)外學者逐漸將研究重點放在了對多址通訊信道的分配上，以規(guī)劃頻譜資源、減少信道間干擾為目的，從信道分配方面提高無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能?，F(xiàn)有資料顯示，很多信道分配方法將研究重點集中在降低信道干擾方面，忽略了其他因素對信道的影響[8]。如文獻[9]在軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種適用于空基網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)傳輸?shù)膭討B(tài)信道分配算法，將數(shù)據(jù)面與控制面分離，實現(xiàn)了動態(tài)規(guī)劃時隙分配。該方法在分配過程中，將數(shù)據(jù)面和控制面分離，實現(xiàn)動態(tài)時隙分配，有效地調(diào)整了信道分配，但是忽略了鏈路調(diào)度對信道的限制，導(dǎo)致其工作效率隨著時間逐漸降低。文獻[10]針對異構(gòu)VLC/WiFi網(wǎng)絡(luò)的多接入點布局的信道干擾問題，提出了改進遺傳算法的干擾抑制子信道分配方案。該方案依據(jù)VLC信道質(zhì)量狀況，為用戶決策接入網(wǎng)絡(luò)。該方法雖然有效地抑制了信道間的干擾，但是同樣忽略了鏈路調(diào)度對信道分配的影響。針對上述問題，提出基于ZIPF分布的多址通訊快速動態(tài)信道分配方法，在設(shè)計中改善上述研究中的存在的運行效率問題。

1 基于ZIPF分布的多址通訊快速動態(tài)信道分配方法設(shè)計

1.1 平衡多址通訊數(shù)據(jù)項

在多址通訊環(huán)境中，以多個信道和接入點的數(shù)據(jù)項訪問頻率作為輸入，假設(shè)共有M個數(shù)據(jù)項、N個信道，依據(jù)訪問頻率，將多個數(shù)據(jù)項降序排列。假設(shè)按照ZIPF分布將所有數(shù)據(jù)項分配到N個信道中，計算m=N的ZIPF分布[11]。計算公式如式(1)所示。

(1)

公式(1)中，β表示N個信道的最優(yōu)調(diào)度序列。從數(shù)據(jù)項ci開始，依據(jù)數(shù)據(jù)項排列順序，將每個數(shù)據(jù)項與對應(yīng)的信道實現(xiàn)一一對應(yīng)，每個數(shù)據(jù)項分配結(jié)束的判斷依據(jù)是，信道Ui的累積訪問頻率與Qi大小的判斷，當累積訪問頻率大于Qi，則開始下一個數(shù)據(jù)項的分配，直到分配完第UN-1個信道后，完成對多址通訊數(shù)據(jù)項的平衡。

1.2 計算鏈路優(yōu)先級

在數(shù)據(jù)項達到平衡后，計算鏈路的優(yōu)先級，根據(jù)計算確定最優(yōu)信道分配方案。該方案在確定過程中，優(yōu)先選取利用率較低的信道，如果在鏈路干擾范圍內(nèi)存在多條利用率較低的信道，則選擇負載較小的信道[12]。通過這種選擇條件，保證多址通訊鏈路中的負載均衡。

每條鏈路上的流量來自本鏈路節(jié)點待發(fā)送的流量和待轉(zhuǎn)發(fā)給其他鏈路節(jié)點的流量[13]?？紤]到多址通訊鏈路具有一定的指向性，需要計算鏈路r(a,b)中的流量l(r)，如公式(2)所示。

l(a,b)=l(r)=l(a)+∑r(*,a)

(2)

公式(2)中，l(r)表示節(jié)點a自身產(chǎn)生的流量，r(*,a)表示通過節(jié)點a轉(zhuǎn)發(fā)給目標節(jié)點的流量，即多個鏈路流量之和。經(jīng)過公式2的計算，可準確得到每條鏈路的流量負載[14]。為實現(xiàn)鏈路最優(yōu)調(diào)度，計算多址通訊中的任意一條鏈路r到目標節(jié)點的跳數(shù)v(r)和流量負載l(r)，v(r)值越小，或者l(r)值越大，均表明該條鏈路的優(yōu)先級越高。若計算結(jié)果中出現(xiàn)相同的跳數(shù)，將其對應(yīng)的鏈路劃分到同一鏈路組[15]。

在上述計算完成后，根據(jù)計算結(jié)果判斷鏈路優(yōu)先級，除跳數(shù)和流量負載外，還可以根據(jù)鏈路受到的干擾程度進行判斷，即干擾程度越高，多址通訊鏈路的優(yōu)先級越高[16]。在確定鏈路優(yōu)先級后，依次為每條鏈路分配正交信道，直到每一鏈路組中的每一條鏈路都存在對應(yīng)的信道，在初次分配過程中，只是消除了鏈路對信道分配的干擾，其分配的信道可能存在一對多的情況[17]。因此，在上述處理完成后，統(tǒng)一對多址通通訊信道進行調(diào)整和二次分配。

1.3 分配動態(tài)信道

在多址通訊信道動態(tài)分配中，以“最大限度滿足用戶業(yè)務(wù)需求”為目的，根據(jù)業(yè)務(wù)需求量為多個信道的動態(tài)分配選擇合理的方案。主要過程分為三個部分，分別是感知過程、決策過程和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)[18]。

在感知過程，主要是通過計算機周期性掃描，獲得多址通訊環(huán)境中數(shù)據(jù)分布情況和鏈路的優(yōu)先級。根據(jù)滿足ZIPF分布的數(shù)據(jù)項，預(yù)測多址通訊下用戶業(yè)務(wù)量大小[19]。計算公式如式(3)-(5)所示。

(3)

(4)

(5)

在感知到周圍環(huán)境后，通過接入點監(jiān)聽接口上的服務(wù)速率，計算最大吞吐量，將計算結(jié)果傳輸?shù)郊锌刂破魃?，通過集中控制器進行學習和訓練，訓練結(jié)束后預(yù)測多址通訊中的各條鏈路接入點的用戶業(yè)務(wù)需求量，根據(jù)預(yù)測結(jié)果決定觸發(fā)決策的時間。

在決策過程中，多址通訊中的集中控制器根據(jù)預(yù)測的業(yè)務(wù)量，結(jié)合感知信息進行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和調(diào)整決策，選擇最大限度滿足業(yè)務(wù)需求的分配模式。

在具體設(shè)計中，把運行階段的兩種分配模型轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆N分配策略，選擇不同的分配策略就等于選擇分配模式。分配策略一，由于多址通訊環(huán)境中存在多條鏈路，因此其中會存在相鄰且獨立的空閑鏈路，此時在業(yè)務(wù)分配時需要將其進行捆綁[20]。分配策略二，從分配策略一中可知，多址通訊鏈路中存在空閑鏈路，因此若其中有且只有一對空閑鏈路，則將接入點請求躍遷到此信道對上。分配策略三，若捆綁的空閑鏈路被占用時，集中控制器需要及時選擇一條相鄰的鏈路作為備用擴展鏈路，該條鏈路需要滿足重構(gòu)代價小的條件，且需要協(xié)調(diào)鏈路中的各個接入點，如果對應(yīng)的接入點接受協(xié)調(diào)請求，此時需要根據(jù)實際感知信息重新分配各個接入點的鏈路，并且將該條鏈路讓出，重新請求和捆綁鏈路，實現(xiàn)信道的合理分配。分配策略四為節(jié)能型分配方案，當多址通訊環(huán)境中接入點的需求量開始減少時，集中控制器壓縮多址通訊鏈路的帶寬，節(jié)省調(diào)度資源，讓鏈路中的剩余接入點切換為普通模式。

多址通訊快速動態(tài)信道分配的實現(xiàn)就是動態(tài)選擇上述四種分配方案的過程，根據(jù)上述決策結(jié)果，指導(dǎo)多址通訊環(huán)境中接入點和集中控制器進行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。對于四種分配方案，采取不同的手段重構(gòu)，對于第一種分配方案，由接入點通知集中控制器，改變帶寬和模式切換，完成重構(gòu)；對于第二種，同樣由接入點通知集中控制器，利用集中控制器實現(xiàn)鏈路之間的遷移和模式切換等功能；對于第三種，由集中控制器指導(dǎo)協(xié)同接入點，利用相鄰空閑鏈路作為擴展鏈路的方式實現(xiàn)鏈路重構(gòu)和接入點分配；對于第四種分配策略，通過集中控制器改變帶寬，控制模式切換，接入點直接釋放輔助信道實現(xiàn)上述操作，快速關(guān)聯(lián)完成重構(gòu)。重構(gòu)完成即分配完成，至此，基于ZIPF分布的多址通訊快速動態(tài)信道分配方法設(shè)計完成。

2 基于ZIPF分布的多址通訊快速動態(tài)信道分配方法實驗研究

2.1 搭建實驗平臺

實驗平臺由軟件和硬件組成，構(gòu)建實驗平臺主要目的是在平臺上實現(xiàn)多址通訊快速動態(tài)信道分配，要求實驗平臺支持不同動態(tài)信道分配方法的實時運行。將無線網(wǎng)卡配置為軟接入點，在網(wǎng)卡的選擇上，選擇支持AP模式以及兼容IEEE協(xié)議的網(wǎng)卡。

實驗平臺中使用的軟件工具有Qt應(yīng)用程序框架和Ifstat網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測工具。在后續(xù)實驗過程中，使用Ifstat工具監(jiān)控信道分配方法運行狀態(tài)，可根據(jù)實驗需求定義一個或多個網(wǎng)絡(luò)接口；Qt工具主要提供圖形用戶界面所需的展示功能，該工具通過多進程技術(shù)可實現(xiàn)后臺應(yīng)用程序與前臺界面的實時信息交互，在實驗中，可實現(xiàn)對實驗過程及結(jié)果的可視化?；谏鲜鲞x擇的軟硬件，構(gòu)建實驗平臺架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 實驗平臺架構(gòu)

在搭建的實驗平臺中運行不同的信道分配方法，通過Qt工具監(jiān)控分配方法執(zhí)行過程，實驗中以對比實驗為主，為了保證實驗的公平公正，設(shè)置統(tǒng)一的實驗參數(shù)。

2.2 實驗參數(shù)設(shè)置

多址通訊快速動態(tài)信道分配方法實驗在Linux操作平臺上實現(xiàn)，使用關(guān)系平等的21個節(jié)點，在搭建的實驗平臺中，將其中的一個節(jié)點作為主服務(wù)器，另外20個節(jié)點作為客戶端服務(wù)器。考慮到設(shè)計的分配方法在ZIPF分布下實現(xiàn)，因此在保持客戶端服務(wù)器參數(shù)不變的情況下，調(diào)整讀寫比例，選取實驗數(shù)據(jù)時需要選擇具有隨機性的符合ZIPF分布的數(shù)據(jù)集，并且將其存儲于Memcached服務(wù)器，實現(xiàn)多址通訊。20個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 實驗節(jié)點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2的實驗節(jié)點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖可知，實驗中選取的20個節(jié)點，每個節(jié)點均配置了多個接口，保證無線多址通訊網(wǎng)絡(luò)中存在多條可利用的信道，具體的實驗環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 實驗環(huán)境參數(shù)設(shè)置

在參數(shù)設(shè)置完成后，設(shè)計兩組實驗項目，一組為內(nèi)存利用率實驗，一組為多信道傳輸時延抖動實驗，在實驗過程中選取引言中提到的文獻[9]面向空基網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)TDMA信道分配算法和文獻[10]基于干擾管理的異構(gòu)VLC/WiFi網(wǎng)絡(luò)子信道分配方法作為對比方法，分別記為常規(guī)信道分配方法1和2，在實驗結(jié)束后，結(jié)合兩組實驗結(jié)果對比分析信道分配方法的實際性能。

2.3 內(nèi)存利用率實驗結(jié)果及分析

初始化實驗平臺和各參數(shù)后，分別部署信道分配方法，在完成各個節(jié)點的信道分配后，計算其占用空間大小、每個數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)存開銷和內(nèi)存利用率。實驗中多次進行上述步驟，計算各個實驗指標的平均值。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同信道分配方法內(nèi)存利用率實驗結(jié)果

表2中結(jié)果顯示，提出的基于ZIPF分布的信道分配方法內(nèi)存利用率更高，在三組結(jié)果中其信道分配過程占用空間最小，每個數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)存開銷平均值為6.57bytes，遠低于另外兩種分配方法。綜上所述，設(shè)計的基于ZIPF分布的多址通訊快速動態(tài)信道分配方法占用空間更少，處理更多數(shù)據(jù)，既保證了信道分配的合理性，又體現(xiàn)了信道分配的工作效率。

2.4 多信道傳輸時延抖動實驗結(jié)果及分析

傳輸時延是從一個節(jié)點到另一節(jié)點傳輸產(chǎn)生的時間差，分別測試本文提出的信道分配方法與常規(guī)信道分配方法1和2的多址通訊信道傳輸時延抖動情況。實驗結(jié)果如圖3所示。

(a)常規(guī)信道分配方法1實驗結(jié)果

(b)常規(guī)信道分配方法2實驗結(jié)果

(c)提出的信道分配方法實驗結(jié)果圖3 不同信道分配方法的多信道傳輸時延抖動實驗結(jié)果

根據(jù)圖3的不同信道分配方法的多信道傳輸時延抖動實驗結(jié)果可知，多址通訊環(huán)境中兩種常規(guī)信道分配方法網(wǎng)絡(luò)波動頻率較高，時延抖動比較大，相比之下，提出的信道分配方法時延抖動較小，基本維持在0附近，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。結(jié)合內(nèi)存利用率實驗結(jié)果可知，設(shè)計的基于ZIPF分布的多址通訊快速動態(tài)信道分配方法內(nèi)存消耗少、信道分配穩(wěn)定，其實際工作效率高，能夠滿足實際應(yīng)用需求。

結(jié)語

本文以多址通訊動態(tài)信道分配為研究重點，研究了基于ZIPF分布的多址通訊快速動態(tài)信道分配方法，并通過對比實驗驗證了提出方法的可行性和可靠性，證明了所提方法可以有效地解決以往信道分配方法中存在的問題，為多址通訊的動態(tài)信道分配提供更多的可能。但是由于時間限制，在研究中忽略了一些影響因素，如節(jié)點接口與信道的異構(gòu)性對分配的影響，在未來研究中將從這一方面展開深入研究與分析。