翟 莉,賈慧英,楊 征

(1.武警石家莊指揮學(xué)院,河北石家莊050061;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

認知網(wǎng)絡(luò)是近幾年比較熱點的研究領(lǐng)域,是針對未來網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、異構(gòu)性和可靠性要求而提出的,其目標是提供比非認知網(wǎng)絡(luò)更好的端到端性能。資源接納控制是人們在下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)中引入的一個全新的概念,通過資源接納控制可合理調(diào)配認知網(wǎng)絡(luò)資源,從而保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。提出了一種認知網(wǎng)絡(luò)資源接納控制的框架結(jié)構(gòu),通過仿真驗證了其技術(shù)可行性,并對采用資源接納控制的認知網(wǎng)絡(luò)的端到端服務(wù)質(zhì)量(QoS)改善情況進行了分析。

1 體系結(jié)構(gòu)分析與框架設(shè)計

1.1 認知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

認知網(wǎng)絡(luò)能夠感知當前網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境,并可按照端到端目標要求,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行規(guī)劃、決策和執(zhí)行下一步的操作。認知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可抽象為“目標—認知決策—重配置”3個層次[1]。

目標層是認知網(wǎng)絡(luò)的最頂層,包括端到端目標,該目標是根據(jù)用戶、應(yīng)用或資源提出的。這些目標通過認知規(guī)范語言(Cognitive Specification Language,CSL)映射為特定的機制要求,饋送給1個或多個相關(guān)的認知元素。

認知決策層根據(jù)目標層的要求、相關(guān)認知元素之間交換的元素狀態(tài)以及認知元素感知的當前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),按照一定的方法得出網(wǎng)絡(luò)配置的決策。網(wǎng)絡(luò)的認知可以是集中控制模式,也可以是分布式模式。

重配置層根據(jù)認知決策層的決策對實體網(wǎng)元進行配置調(diào)整,以滿足目標層的需求;同時將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)通過狀態(tài)傳感器饋送給認知決策層。

1.2 資源接納控制功能架構(gòu)

在NGN的架構(gòu)中,資源接納控制功能(RACF)在服務(wù)控制功能(SCF)和傳送功能(TF)之間[2],就網(wǎng)絡(luò)中與QoS有關(guān)的傳送資源控制充當著仲裁者的角色。

SCF是NGN業(yè)務(wù)層中抽象的功能實體,為指定的業(yè)務(wù)媒體流進行QoS資源和準入控制請求。

RACF由策略決定功能實體(PD-FE)和傳送資源控制功能實體(TRC-FE)組成。其中,PD-FE是綜合決策點和策略的下發(fā)點,它面向業(yè)務(wù)控制功能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)策略規(guī)則、SCF提供的業(yè)務(wù)信息、以及TRCFE提供的資源可用性信息做出最后的資源和準入控制決定。TRC-FE面向傳送功能,與鏈路層技術(shù)相關(guān),分網(wǎng)段管理傳送資源,進行基于網(wǎng)段資源狀態(tài)的準入決策。

TF在傳送層接收RACF的指示,完成具體的資源提供和連接功能。TF由策略執(zhí)行功能實體(PEFE)和傳送資源執(zhí)行功能實體(TRE-FE)組成。

1.3 框架設(shè)計

圖1 認知網(wǎng)絡(luò)的資源接納控制框架結(jié)構(gòu)

認知網(wǎng)絡(luò)的資源接納控制框架結(jié)構(gòu)如圖1所示,由應(yīng)用層模塊、傳輸層模塊、網(wǎng)絡(luò)層模塊、媒體訪問控制(MAC)層模塊、無線信道模塊、業(yè)務(wù)感知模塊、網(wǎng)絡(luò)感知模塊、資源接納控制模塊、可重配置模塊以及網(wǎng)關(guān)控制模塊構(gòu)成。

應(yīng)用層模塊實現(xiàn)面向用戶的各種業(yè)務(wù)的產(chǎn)生、發(fā)送和接收;業(yè)務(wù)感知模塊的主要功能是根據(jù)用戶業(yè)務(wù)類型,對用戶數(shù)據(jù)按照端到端的要求進行描述,為指定的業(yè)務(wù)媒體流進行QoS資源和準入控制請求。

資源接納控制模塊由接納控制子模塊和傳送控制子模塊構(gòu)成。接納控制子模塊的功能是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的策略規(guī)則,業(yè)務(wù)感知模塊提供的服務(wù)信息,以及傳送控制子模塊提供的基于資源的接納判斷結(jié)果,就網(wǎng)絡(luò)資源和接納控制做出最終的決定,并在每個信息流的基礎(chǔ)上控制網(wǎng)關(guān)控制模塊的關(guān)口;傳送控制子模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)感知模塊提供的網(wǎng)絡(luò)資源信息,為信息流的接入進行傳送資源接納控制授權(quán)。

網(wǎng)關(guān)控制模塊根據(jù)接納控制子模塊做出的決定,實現(xiàn)對信息流傳送的門控;可重配置模塊根據(jù)傳送控制子模塊的決策,對可配置網(wǎng)絡(luò)元素進行調(diào)整;網(wǎng)絡(luò)感知模塊的主要功能包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境信息的獲取、表示、融合和利用。

傳輸網(wǎng)絡(luò)由傳輸層模塊、網(wǎng)絡(luò)層模塊、MAC層模塊和無線信道模塊組成,用于向應(yīng)用層提供可靠的端到端服務(wù),并根據(jù)資源接納控制結(jié)果高效的利用網(wǎng)絡(luò)資源。無線信道模塊采用OPNET中的管道模型實現(xiàn),為模擬真實的環(huán)境,在包傳輸?shù)倪^程中按一定的分布插入誤碼。誤碼分布計算如下:

式中,Pk為k個比特錯誤的概率;p為比特誤碼率;N為包的長度;r為0～1之間的隨機數(shù);k為比特錯誤個數(shù)。首先根據(jù)比特誤碼率計算有k個比特數(shù)錯誤的概率,再和0～1之間的隨機數(shù)比較,如果大于這個隨機數(shù),則給包分配k個比特錯誤。

2 基于OPNET的仿真實現(xiàn)

2.1 仿真模型

認知網(wǎng)絡(luò)資源接納控制框架采用OPNET仿真軟件實現(xiàn),仿真模型在OPNET中MANET節(jié)點模型的基礎(chǔ)上,增加應(yīng)用層仿真進程、業(yè)務(wù)感知仿真進程、接納控制仿真進程、傳送控制仿真進程、網(wǎng)關(guān)控制仿真進程、可重配置仿真進程以及網(wǎng)絡(luò)感知仿真進程而構(gòu)成,如圖2所示。

圖2 仿真模型

2.2 仿真運行過程

仿真運行過程步驟如下:

①應(yīng)用層仿真進程實現(xiàn)業(yè)務(wù)的產(chǎn)生、發(fā)送和接收;業(yè)務(wù)源、目的和信息類型等均在此進程進行設(shè)置;

②業(yè)務(wù)感知仿真進程提取應(yīng)用層業(yè)務(wù)的QoS參數(shù)(包括業(yè)務(wù)源、目的和優(yōu)先級等信息),向接納控制仿真進程提出包含QoS信息的傳送資源請求;

③接納控制仿真進程將從業(yè)務(wù)感知仿真進程接收到的業(yè)務(wù)QoS參數(shù),基于策略規(guī)則,映射到網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù);向傳送控制仿真進程發(fā)送資源發(fā)起請求信息,以檢查網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)資源的可用性;

④傳送控制仿真進程根據(jù)網(wǎng)絡(luò)感知仿真進程上報的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息,就傳送資源方面做出接納與否的決定,并將決策結(jié)果反饋到接納控制仿真進程,同時根據(jù)決策結(jié)果對可重配置仿真進程進行相應(yīng)的設(shè)置;

⑤接納控制仿真進程根據(jù)傳送控制仿真進程上報的決策結(jié)果以及接納策略規(guī)則做出最終的接納與否的決定,并將結(jié)果發(fā)送到業(yè)務(wù)感知仿真進程,同時根據(jù)決策結(jié)果對網(wǎng)關(guān)控制仿真進程進行相應(yīng)的設(shè)置;

⑥業(yè)務(wù)感知仿真進程根據(jù)接納控制仿真進程發(fā)送的接納決策結(jié)果,通知應(yīng)用層仿真進程是否開始業(yè)務(wù)的傳輸。

2.3 仿真場景設(shè)計

以地震通信為背景進行仿真場景設(shè)計。通信網(wǎng)絡(luò)分為指揮中心(ZH)、安置中心(AZ)、災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(ZQ)和救援物資中轉(zhuǎn)中心(JY)4個區(qū)域,每個區(qū)域包含5個通信節(jié)點。救災(zāi)任務(wù)對通信網(wǎng)絡(luò)的需求是:保障救災(zāi)物資在指揮中心的調(diào)度下,順利中轉(zhuǎn)到災(zāi)區(qū)現(xiàn)場和安置中心,在通信業(yè)務(wù)沖突的情況下,優(yōu)先保障災(zāi)區(qū)現(xiàn)場的信息業(yè)務(wù)傳輸。業(yè)務(wù)信息流程如圖3所示。

災(zāi)區(qū)現(xiàn)場和安置中心向指揮中心匯報物資需求;指揮中心把調(diào)度信息發(fā)送到救援物資中轉(zhuǎn)中心;救援物資中轉(zhuǎn)中心接到任務(wù)后把相應(yīng)的物資發(fā)送到災(zāi)區(qū)現(xiàn)場和安置中心。在此過程中,救援物資中轉(zhuǎn)中心會和災(zāi)區(qū)現(xiàn)場和安置中心交互物資運輸?shù)男畔?。業(yè)務(wù)產(chǎn)生參數(shù)配置如表1所示。

圖3 業(yè)務(wù)信息流程

表1 業(yè)務(wù)產(chǎn)生參數(shù)配置表

3 仿真結(jié)果分析

采用資源接納控制和未采用資源接納控制2種模式下災(zāi)區(qū)現(xiàn)場到指揮中心物資請求信息傳輸成功率的對比情況如圖4所示。

圖4 業(yè)務(wù)傳輸成功率對比

從圖4中可以看出,由于采用了資源接納控制機制,對災(zāi)區(qū)現(xiàn)場到指揮中心的物資請求信息的傳輸采用了帶寬按需分配、速率動態(tài)調(diào)整和優(yōu)先級隊列調(diào)度等機制,使得其業(yè)務(wù)傳輸成功率相對未采用資源接納控制機制的通信方式有了明顯改善。

采用資源接納控制和未采用資源接納控制2種模式下災(zāi)區(qū)現(xiàn)場到指揮中心物資請求信息傳輸時延的對比情況如圖5所示。

圖5 平均傳輸時延對比

從圖5中可以看出,由于采用了資源接納控制機制,災(zāi)區(qū)現(xiàn)場到指揮中心的物資請求信息的傳輸時延要優(yōu)于未采用資源接納控制的方式。

4 結(jié)束語

通過在OPNET仿真平臺搭建仿真模型,進而以災(zāi)后救援物資的轉(zhuǎn)運為背景,構(gòu)建了仿真場景,對引入資源接納控制機制后認知網(wǎng)絡(luò)的通信性能進行了仿真分析和評估。認知網(wǎng)絡(luò)采用資源接納控制機制后可以通過調(diào)整業(yè)務(wù)優(yōu)先級和修改保障策略等方式實現(xiàn)對重要業(yè)務(wù)的按需傳送;在資源受限情況下,可優(yōu)先保障高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的傳輸,改善了傳輸時延及成功率等全網(wǎng)性能指標,從而保證了在資源受限情況下用戶要求的業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)質(zhì)量。

[1]糜正琨.認知網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)融合[J].中國新通信,2009(6):5-10.

[2]Recommendation ITU-T Y.2111:Resource and Admission Control Functions in Next Generation Networks[S].

[3]王文博,張金文.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京:人民郵電出版社,2003.