一種基于需求的實時數據廣播模型

摘要:數據廣播是提高移動計算系統可伸縮性的一項重要技術，該文提出了一種實時數據廣播模型。該模型采用數據需求驅動機制，不僅充分考慮用戶對數據的時效要求，還利用數據廣播技術分發數據，有效地利用通信帶寬，滿足最多用戶的數據需求。

關鍵詞:移動計算;數據廣播;實時數據

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)14-3647-02

Based on the Demand for Real-time Data Broadcasting Model

YAN Ying， ZHAO Hai-liang

(1.Hunan Communication Polytechnic， Changsha 410000， China)

Abstract: Data broadcasting is to improve the mobile computing system scalability an important technology， this paper， a real-time data broadcast model. The model used data on demand-driven mechanism， give full consideration to the user not only the timeliness of data requirements， but also use data broadcasting technologies， dissemination of data， effective use of communications bandwidth， to meet the data needs of most users.

Key words: mobile computing; data broadcast; real-time data

1 引言

移動計算技術的快速發展使得用戶隨時隨地訪問數據成為可能。然而，與固定網絡相比，支持移動計算的無線通信具有帶寬小、通信質量差的特點。為了支持大量移動用戶并發訪問服務器上的數據，人們提出服務器向空中廣播數據，用戶從空中獲取數據的新的數據發送模式，即數據廣播(Data Broadcast)。

數據廣播是提高移動計算系統可伸縮性的一項重要技術，在公共信息發布、軍事應用等領域有著很好的應用前景。數據廣播使下行帶寬具有可伸縮性，可同時滿足大量用戶的數據需求而不出現網絡的擁塞。

2 數據廣播模式

在數據庫系統中，一些計算機是存儲各種數據的“倉庫”，是數據的“提供者”，而一些計算機是數據的“消費者”。當“消費者”請求一個數據項時，“提供者”必須將該數據項傳送給“消費者”。在移動計算環境中，這種數據傳送的方式可以分為三種，即純PULL方式(Pure-Pull-Based)、純PUSH方式(Pure-Push-Based)和混合(Hybrid)方式[1-2]。對應上述三種數據分發技術，數據廣播模式一般可分為三類:周期數據廣播(Periodic Broadcast)、聯機請求廣播(On-Demand Broadcast)和混合數據廣播(Hybrid Broadcast)。

2.1 周期數據廣播

周期數據廣播是指系統利用廣播信道周期地廣播數據，用戶不能向服務器提出數據請求，只能被動地接收數據，因此也被稱為靜態數據廣播。周期廣播對數據的選定是在服務器端，一旦選定，就按既定的內容廣播。這種純PUSH技術將整個帶寬用于廣播，雖然最大限度地利用了帶寬，但這種廣播模式是盲目的，忽略了用戶的數據需求，并且不能識別用戶和事務的特征以及對數據的時限要求。

2.2 聯機請求廣播

聯機請求廣播結合PULL和PUSH技術，給定上行和下行信道，其中上行信道帶寬較低，用于傳送用戶的數據請求事務，下行信道用于廣播被用戶頻率申請的“熱點數據”。在聯機請求廣播模式中，移動用戶在提出數據請求前先查詢數據廣播索引。通過索引，用戶可以獲知信道的頻率、數據項標識符、解密碼、所請求的數據項在廣播中到來的時間等信息。若用戶想要訪問的數據沒有包含在廣播信道中，或者通過廣播獲取該數據會超過時間限制，則用戶可通過上行信道發送數據請求給服務器。這種廣播模式，服務器不知道移動客戶機(Mobile Client，以下簡稱MC)對廣播數據項的訪問概率分布，而是根據用戶的動態需求廣播數據，有效地提高了下行信道的帶寬利用率，還可通過索引技術減少上行信道的飽和程度。

2.3 混合數據廣播

混合數據廣播中上行信道的用途與聯機請求廣播的相同，用于傳送用戶數據訪問請求。不同點是下行信道被分為周期廣播和聯機請求廣播兩部分，信道帶寬分配如圖1所示。

混合數據廣播最大的特點是通過上行信道收集用戶的動態數據請求信息，并以此為依據，不斷地調整周期廣播的內容，盡可能地滿足最多用戶的數據訪問需求，來減少用戶與服務器之間的通信。而對于不能在周期廣播中滿足的用戶數據請求，將通過聯機請求廣播。混合數據廣播比較靈活，既可以減少上行信道的飽和程度，又能最大限度地利用下行廣播的帶寬，使廣播優勢發揮得最好。但混合數據廣播的實現比周期數據廣播和聯機請求廣播更加復雜。如何根據系統的工作量動態地分配周期廣播和聯機請求廣播帶寬，以達到系統最優性能，是混合數據廣播最關鍵的問題。

3 實時數據特性

在實時應用環境中，數據類型非常復雜，有實時數據與非實時數據。實時數據與一外部有效期evi(External Valid Internal)相連，當evi很長時稱為長時限數據，當evi很短時稱為短時限數據。數據的時限由數據的本身有效期和事務的時限決定[3]。設Dvi為數據的有效期，Tvi為事務的時限，則用戶要求的數據的有效期Devi=Dvi∩Tvi。

同時數據時限的危急度也與事務的特性有關，硬實時事務要求數據必須在限定的時限完成，否則就會造成災難。軟實時事務都有一個完成的最終時間期限。這個時間期限可由用戶明確定義，也可由系統根據QoS隱含定義。如果獲取的數據超過了時間期限，則數據的使用價值會大打折扣，所以加在數據時限上的要求相對比較寬松。

另外，根據存取頻率還分為高頻數據和低頻數據。按數據的關鍵性，可分為關鍵數據和一般數據。鑒于數據的復雜性，廣播模型一定要有利于反映數據的特性。

基于以上因素，本文提出了基于需求的實時數據廣播模型。

4 基于需求的實時數據廣播模型

移動計算環境由若干MC和一個廣播服務器組成，MC與廣播服務器通過無線信道通信。MC利用上行信道向廣播服務器提出數據請求事務。廣播服務器響應用戶請求，將MC所需數據組織在廣播通道中，利用下行信道廣播數據。數據廣播模型如圖2。

該數據廣播模型分為接收事務、選擇廣播內容和調度三部分。服務器先接收用戶數據請求事務，儲存在用戶請求隊列中。然后根據當前用戶請求隊列狀態選取數據參與廣播，將之存儲在就緒隊列中。最后進行調度，周期地廣播數據。

鑒于移動用戶對數據需求的動態改變特性，該數據廣播模型采用需求驅動機制，根據用戶請求隊列的最新狀態選擇和調度廣播內容。為了滿足用戶對數據的時效要求，設定了數據的最大響應時間限制(Respond Time Limit，RTL)。MC在發出一個訪問請求之后，開始監聽數據廣播的內容，如果監聽的時間超過了RTL還沒有得到響應，就認為該訪問請求失敗了，不繼續監聽。同樣，數據廣播服務器在收到MC發出的訪問請求之后，如果在最大響應時間限制RTL之內不能把相應的數據項編入數據廣播中，將把該數據請求從請求隊列中刪除，作失敗處理。廣播模型的目標不僅要滿足用戶對數據的時間限制要求，還要利用數據廣播技術分發數據，有效地利用通信帶寬，滿足最多用戶的數據需求。該廣播模型的優點是:

1) 綜合了PULL和PUSH技術，允許用戶上傳請求，下傳反饋信息，與服務器直接進行溝通;

2) 能識別MC提出的用戶請求;

3) 將數據以廣播的方式分發，發揮了廣播通信的優勢，使通信帶寬具有可伸縮性;

4) 明確考慮了用戶對數據的時效要求。

用戶通過廣播獲取數據過程如下:

1) MC發出用戶請求;

2) 服務器接收用戶請求，并放置在用戶請求隊列中;

3) 廣播內容選擇程序在用戶請求隊列里選擇廣播內容，并形成就緒隊列;

4)調度程序對就緒隊列進行調度，周期地廣播數據。

為了便于研究，對廣播模型及廣播環境作了一些限制，下面是一些基本的假設:

1) 服務器向MC廣播時所基于的通信網絡具有固有的廣播能力，即被廣播的數據對所有MC都是可同時訪問的，且各個MC之間互不干擾。

2) 數據廣播的最小單位是數據項，且所有數據項長度相等，每個數據項在廣播周期中只被廣播一次。

3) 數據廣播采用固定周期的廣播方式。

4) 服務器通過單信道廣播數據項。

5) MC提出的數據請求事務中至少包含兩個數據項，任何兩個請求事務都是互相獨立的。MC對事務中數據項獲取的先后順序不作要求。

6) MC在訪問數據廣播時，每次訪問一個數據項，并且相鄰兩次訪問的數據項之間是相互獨立的。

7) 所有的數據項都是可自我標識的，即MC通過接收任意一個數據項，可以知道它是不是自己所要訪問的數據項。這可以通過在每個廣播數據項之前插入適當的頭數據來實現。

8) 每個廣播數據項擁有一個主鍵(Primary Key)，它能夠唯一地標識一個數據項，并且MC總是根據主鍵來訪問數據廣播中的數據項。

9) 廣播信道中的數據項是只讀的，不考慮數據項更新的情況。

10) 廣播信道等基礎設施是可靠的，不考慮傳輸錯誤的存在。

11) 服務器不知道MC 對廣播數據項的訪問概率分布，因為MC的數據訪問興趣隨時間動態改變。

12) 對于超過定時限制而請求失敗的事務，服務器不進行廣播重發。MC可繼續提出請求事務申請該數據。

4 結束語

該文提出了一種實時數據廣播模型。該模型采用數據需求驅動機制，不僅充分考慮用戶對數據的時效要求，還利用數據廣播技術分發數據，有效地利用通信帶寬，滿足最多用戶的數據需求。

參考文獻:

[1] Chung Y.D.， Kim M.H. QEM: a scheduling method for wireless broadcast data. In: Proc of the 6th Int Conf on Database Systems for Advanced Applications. 1999:135-142.

[2] Lee G.L.， Lo S.C. Broadcast data allocation for efficient access of multiple data items in mobile environments. Mobile Networks and Applications， 2003， 8(4):365-375.

[3] 何新貴，唐常杰，李霖，等.特種數據庫技術[M].北京:科學出版社， 2000:204-234.