王嘉宏 徐穎雯 林 可

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隨機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的帶寬分配優(yōu)化分析

王嘉宏1，2徐穎雯2林 可3

1.福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 530000 2.福建省大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 530000 3.福建工程學(xué)院海峽工學(xué)院，福建 福州 530000

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶給人們?cè)S多便利，同時(shí)產(chǎn)生了一系列有關(guān)網(wǎng)絡(luò)帶寬分配的優(yōu)化問(wèn)題。因此，提出了帶寬分配優(yōu)化策略，分析了隨機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的資源分配，以保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求。針對(duì)帶寬分配問(wèn)題，在多終端和多業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)模型的基礎(chǔ)上，研究了隨機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)合理有效的帶寬資源分配以及帶寬分配的公平性。

隨機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；帶寬分配；公平性；優(yōu)化策略

引言

近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)越來(lái)越復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及迅速增長(zhǎng)的用戶(hù)流量，帶寬資源分配的問(wèn)題無(wú)處不在，為現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)分析帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)[1-10]。中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)寬帶平均可用下載速度接近10?Mbit/s，各省的帶寬速率必須符合《互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)規(guī)范》的要求，但用戶(hù)感知總體滿(mǎn)意度較低，在大型網(wǎng)游、文件傳輸?shù)膱?chǎng)景中的用戶(hù)認(rèn)為實(shí)際網(wǎng)速與預(yù)期不符，網(wǎng)絡(luò)帶寬使用體驗(yàn)一般。盡管隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，有越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)帶寬，但依舊不能滿(mǎn)足搶占帶寬的消耗，影響互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)享有具服務(wù)質(zhì)量保證的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從而造成網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)的低效率，同時(shí)也不可避免地涉及網(wǎng)絡(luò)帶寬資源分配的公平性、分享、延遲和其他問(wèn)題[11]。

在本文中，我們研究基于預(yù)算的隨機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中帶寬分配的優(yōu)化策略。主要研究和解決的問(wèn)題：帶寬必須分配給每一個(gè)業(yè)務(wù)流，滿(mǎn)足用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）需求，并保證每個(gè)業(yè)務(wù)流間的公平性。

1 現(xiàn)有的帶寬分配技術(shù)

在下一代隨機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，由多宿主功能組成的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端會(huì)共享所有的網(wǎng)絡(luò)資源，因此合理有效的帶寬資源分配是一個(gè)重要的發(fā)展方向[12]。帶寬分配是將有限的帶寬資源合理高效地分配給用戶(hù)。帶寬分配方案有兩大類(lèi)：固定帶寬分配（Fixed Channel Assignment，F(xiàn)CA）和動(dòng)態(tài)帶寬分配（Dynamic Channel Assignment，DCA）。FCA分配方案在第一、二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而DCA分配方案是第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

固定帶寬分配方案（FCA）是一種簡(jiǎn)單而常用的分配帶寬資源策略，對(duì)于均勻分布的系統(tǒng)，每個(gè)波束小區(qū)固定地分配給一組帶寬。但FCA沒(méi)有考慮到不同小區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)量的差異，可能會(huì)導(dǎo)致在低業(yè)務(wù)量小區(qū)中有大量空閑帶寬，而在高業(yè)務(wù)量小區(qū)中則有大量呼叫產(chǎn)生阻塞。對(duì)于非均勻分布的系統(tǒng)，各波束小區(qū)可以分配不同的帶寬數(shù)，分配較多的帶寬給高業(yè)務(wù)量小區(qū)。但FCA不可能根據(jù)各小區(qū)的業(yè)務(wù)量進(jìn)行調(diào)整，不能達(dá)到帶寬利用率最優(yōu)，如某小區(qū)出現(xiàn)阻塞，而其他小區(qū)存在大量空閑帶寬。

在動(dòng)態(tài)帶寬分配方式（DCA）中，帶寬分配由網(wǎng)絡(luò)控制中心（Network Control Center）統(tǒng)一控制，沒(méi)有將帶寬分組。只要此帶寬空閑，并且滿(mǎn)足電磁干擾等約束條件，每個(gè)小區(qū)都可以任意使用此帶寬。動(dòng)態(tài)帶寬分配方式主要分為兩種：一種是業(yè)務(wù)自適應(yīng)系統(tǒng)（Traffic Adaptive System），另一種是干擾自適應(yīng)系統(tǒng)（Interference Adaptive System）。

靈活帶寬分配方式（Flexible Channel Assignment，F(xiàn)LCA）是介于FCA和DCA之間的方式，主要有兩類(lèi)方法。第一類(lèi)是把系統(tǒng)帶寬分為兩部分：一組固定分配給每個(gè)波束小區(qū)，使其滿(mǎn)足輕業(yè)務(wù)量負(fù)荷時(shí)的要求；另一組稱(chēng)為靈活帶寬，由網(wǎng)絡(luò)控制中心控制，在某個(gè)波束內(nèi)帶寬發(fā)生擁擠或產(chǎn)生大量突發(fā)業(yè)務(wù)的時(shí)候，臨時(shí)分配給該小區(qū)。第二類(lèi)稱(chēng)為借帶寬機(jī)制，在系統(tǒng)帶寬正常負(fù)荷情況下，每個(gè)小區(qū)有固定的一組帶寬，當(dāng)系統(tǒng)帶寬發(fā)生擁擠的情況下，在不產(chǎn)生沖突的前提下，向臨近空閑小區(qū)借用帶寬。

考慮帶寬分配策略的公平性時(shí)，可以將用戶(hù)對(duì)所分配帶寬的效用函數(shù)作為優(yōu)化方案的目標(biāo)函數(shù)，就是將所需的帶寬分配約束的總效用最大化[13-19]。實(shí)現(xiàn)公平的帶寬分配方法就是使分配到每個(gè)用戶(hù)的帶寬最大限度地平等，而這可能會(huì)導(dǎo)致它無(wú)法增加某些非阻塞的帶寬分配。

然而，現(xiàn)有研究的帶寬分配技術(shù)并沒(méi)有考慮到多業(yè)務(wù)同時(shí)傳輸時(shí)的帶寬分配策略，也沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)變化對(duì)帶寬分配的影響。因此本文研究一種面向多終端多業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的帶寬分配技術(shù)，以達(dá)到更好的用戶(hù)滿(mǎn)意度。

2 面向多終端多業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的帶寬分配策略

在異構(gòu)隨機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，具有多宿主功能的移動(dòng)終端有多個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口。當(dāng)移動(dòng)終端請(qǐng)求業(yè)務(wù)時(shí)，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源可同時(shí)提供給移動(dòng)終端使用，移動(dòng)終端共享所有的帶寬資源。多個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接口構(gòu)成用戶(hù)的移動(dòng)終端，用戶(hù)運(yùn)用移動(dòng)終端來(lái)請(qǐng)求一些業(yè)務(wù)，所以用戶(hù)的業(yè)務(wù)一定不是單一化的，它涉及不同種類(lèi)的媒體流。這些由不同路徑的同時(shí)協(xié)同傳輸?shù)臄?shù)據(jù)保證了業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和用戶(hù)良好的體驗(yàn)度。

本文提出的帶寬分配策略主要思想是保障高優(yōu)先級(jí)通信的通信質(zhì)量。我們用通信帶寬來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，由應(yīng)答信號(hào)中的帶寬分配信息來(lái)分配相應(yīng)的帶寬，以用來(lái)建立帶寬的連接，通過(guò)此連接數(shù)據(jù)幀被發(fā)送給相應(yīng)的設(shè)備。帶寬競(jìng)爭(zhēng)策略是，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，高優(yōu)先級(jí)總是能先于低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)接入帶寬。帶寬壓縮策略是，當(dāng)帶寬擁擠時(shí)，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)總是后于低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)被壓縮直至不可再次被壓縮。提出帶寬補(bǔ)償策略，補(bǔ)償?shù)蛢?yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的帶寬防止低優(yōu)先級(jí)無(wú)法執(zhí)行的現(xiàn)象。系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)來(lái)分配合理的帶寬以提高帶寬的利用率和接入的滿(mǎn)意度。

帶寬分配要解決的核心問(wèn)題是將有限的帶寬資源合理地分配。通過(guò)分析帶寬的使用情況可生成一個(gè)優(yōu)先級(jí)表，根據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)排列帶寬分配。帶寬在接入和接出的時(shí)候會(huì)發(fā)生不同的競(jìng)爭(zhēng)，終端會(huì)由優(yōu)先級(jí)的大小來(lái)判斷競(jìng)爭(zhēng)力的大小，當(dāng)接入的時(shí)候競(jìng)爭(zhēng)接入權(quán)。接入后不同移動(dòng)終端競(jìng)爭(zhēng)空閑帶寬的使用權(quán)，但是當(dāng)系統(tǒng)中無(wú)空閑塊帶寬的時(shí)候，啟動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制并且啟動(dòng)定時(shí)器。當(dāng)沒(méi)有空閑帶寬的時(shí)候，競(jìng)爭(zhēng)模塊將會(huì)在所有正在運(yùn)行的業(yè)務(wù)中查找出可以丟失的數(shù)據(jù)，這樣就可以保證高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)先通過(guò)以確保網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

當(dāng)接入請(qǐng)求到達(dá)率很高的時(shí)候，帶寬會(huì)產(chǎn)生擁塞現(xiàn)象，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)壓縮策略以釋放部分帶寬來(lái)緩解擁塞。在帶寬壓縮策略中，第一步判斷該業(yè)務(wù)是否能夠執(zhí)行壓縮策略操作：若能，則在系統(tǒng)中查找是否存在能夠被壓縮的任務(wù)；若有，則執(zhí)行壓縮任務(wù)。壓縮任務(wù)按照業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)來(lái)執(zhí)行，先壓縮優(yōu)先級(jí)低的業(yè)務(wù)，再壓縮優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)。例如，多媒體類(lèi)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)低于數(shù)據(jù)類(lèi)業(yè)務(wù)低于通話(huà)類(lèi)業(yè)務(wù)。當(dāng)帶寬擁擠時(shí)，我們先壓縮優(yōu)先級(jí)低的業(yè)務(wù)，再壓縮優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)，然后先壓縮多媒體類(lèi)業(yè)務(wù)，再壓縮數(shù)據(jù)類(lèi)業(yè)務(wù)，當(dāng)帶寬依然擁擠時(shí)，最后壓縮通話(huà)類(lèi)業(yè)務(wù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

5G網(wǎng)絡(luò)作為下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，具有超密集異構(gòu)的特性，因此5G網(wǎng)絡(luò)中將含有更多的終端和業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)類(lèi)型不同主要體現(xiàn)在對(duì)帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率的需求不同，這將給網(wǎng)絡(luò)帶寬分配帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。下一代大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)資源分配優(yōu)化方面應(yīng)以用戶(hù)需求為導(dǎo)向保障QoS的要求。不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量有著不同的需求。依據(jù)各自的需求智能地管理分配系統(tǒng)有限的資源，是提高系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的有效方法。在本文所提出的帶寬分配優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬分配，更好地提高網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的利用率，以滿(mǎn)足未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的要求。

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Optimal Analysis of Bandwidth Allocation for Random Interconnected Networks

Wang Jiahong1，2Xu Yingwen2Lin Ke3

1. School of Information Science and Engineering of Fujian University of Technology, Fujian Fuzhou 530000 2. Key Laboratory of Big Data Mining and Application Technology in Fujian Province, Fujian Fuzhou 530000 3. Straits College of Engineering of Fujian University of Technology, Fujian Fuzhou 530000

The rapid development of Internet technology brings people a lot of convenience. At the same time, a series of optimization problems about network bandwidth allocation have been produced. Therefore, the bandwidth allocation optimization strategy is proposed, and the resource allocation of the random network is analyzed in order to ensure the requirements of the network service quality. Aiming at the bandwidth allocation problem and based on the multi-terminal and multi service priority model, the paper studies the reasonable and effective bandwidth resource allocation and the fairness of bandwidth allocation in stochastic interconnected networks.

random interconnected network; bandwidth allocation; fairness; optimization strategy

TN929.5；TP393.0

A

?福建省科技廳自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(2016J01330)；福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目資助(JAT160337)。

王嘉宏博士，現(xiàn)任福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授、福建省大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員，主要研究領(lǐng)域?yàn)檫\(yùn)籌學(xué)、大數(shù)據(jù)分析、排隊(duì)論、網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)模擬等方面的研究。