基于認知網絡資源接納控制技術分析

翟 莉,賈慧英,楊 征

(1.武警石家莊指揮學院,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

認知網絡是近幾年比較熱點的研究領域,是針對未來網絡的復雜性、異構性和可靠性要求而提出的,其目標是提供比非認知網絡更好的端到端性能。資源接納控制是人們在下一代網絡(NGN)中引入的一個全新的概念,通過資源接納控制可合理調配認知網絡資源,從而保證業務的服務質量。提出了一種認知網絡資源接納控制的框架結構,通過仿真驗證了其技術可行性,并對采用資源接納控制的認知網絡的端到端服務質量(QoS)改善情況進行了分析。

1 體系結構分析與框架設計

1.1 認知網絡結構

認知網絡能夠感知當前網絡工作環境,并可按照端到端目標要求,根據網絡狀態進行規劃、決策和執行下一步的操作。認知網絡結構可抽象為“目標—認知決策—重配置”3個層次[1]。

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

認知決策層根據目標層的要求、相關認知元素之間交換的元素狀態以及認知元素感知的當前網絡狀態,按照一定的方法得出網絡配置的決策。網絡的認知可以是集中控制模式,也可以是分布式模式。

重配置層根據認知決策層的決策對實體網元進行配置調整,以滿足目標層的需求;同時將網絡狀態通過狀態傳感器饋送給認知決策層。

1.2 資源接納控制功能架構

在NGN的架構中,資源接納控制功能(RACF)在服務控制功能(SCF)和傳送功能(TF)之間[2],就網絡中與QoS有關的傳送資源控制充當著仲裁者的角色。

SCF是NGN業務層中抽象的功能實體,為指定的業務媒體流進行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點,它面向業務控制功能根據網絡策略規則、SCF提供的業務信息、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,與鏈路層技術相關,分網段管理傳送資源,進行基于網段資源狀態的準入決策。

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由策略執行功能實體(PEFE)和傳送資源執行功能實體(TRE-FE)組成。

1.3 框架設計

圖1 認知網絡的資源接納控制框架結構

認知網絡的資源接納控制框架結構如圖1所示,由應用層模塊、傳輸層模塊、網絡層模塊、媒體訪問控制(MAC)層模塊、無線信道模塊、業務感知模塊、網絡感知模塊、資源接納控制模塊、可重配置模塊以及網關控制模塊構成。

應用層模塊實現面向用戶的各種業務的產生、發送和接收;業務感知模塊的主要功能是根據用戶業務類型,對用戶數據按照端到端的要求進行描述,為指定的業務媒體流進行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成。接納控制子模塊的功能是依據網絡的策略規則,業務感知模塊提供的服務信息,以及傳送控制子模塊提供的基于資源的接納判斷結果,就網絡資源和接納控制做出最終的決定,并在每個信息流的基礎上控制網關控制模塊的關口;傳送控制子模塊根據網絡感知模塊提供的網絡資源信息,為信息流的接入進行傳送資源接納控制授權。

網關控制模塊根據接納控制子模塊做出的決定,實現對信息流傳送的門控;可重配置模塊根據傳送控制子模塊的決策,對可配置網絡元素進行調整;網絡感知模塊的主要功能包括網絡環境信息的獲取、表示、融合和利用。

傳輸網絡由傳輸層模塊、網絡層模塊、MAC層模塊和無線信道模塊組成,用于向應用層提供可靠的端到端服務,并根據資源接納控制結果高效的利用網絡資源。無線信道模塊采用OPNET中的管道模型實現,為模擬真實的環境,在包傳輸的過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;k為比特錯誤個數。首先根據比特誤碼率計算有k個比特數錯誤的概率,再和0～1之間的隨機數比較,如果大于這個隨機數,則給包分配k個比特錯誤。

2 基于OPNET的仿真實現

2.1 仿真模型

認知網絡資源接納控制框架采用OPNET仿真軟件實現,仿真模型在OPNET中MANET節點模型的基礎上,增加應用層仿真進程、業務感知仿真進程、接納控制仿真進程、傳送控制仿真進程、網關控制仿真進程、可重配置仿真進程以及網絡感知仿真進程而構成,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應用層仿真進程實現業務的產生、發送和接收;業務源、目的和信息類型等均在此進程進行設置;

②業務感知仿真進程提取應用層業務的QoS參數(包括業務源、目的和優先級等信息),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務感知仿真進程接收到的業務QoS參數,基于策略規則,映射到網絡的QoS參數;向傳送控制仿真進程發送資源發起請求信息,以檢查網絡中相關資源的可用性;

④傳送控制仿真進程根據網絡感知仿真進程上報的網絡狀態信息,就傳送資源方面做出接納與否的決定,并將決策結果反饋到接納控制仿真進程,同時根據決策結果對可重配置仿真進程進行相應的設置;

⑤接納控制仿真進程根據傳送控制仿真進程上報的決策結果以及接納策略規則做出最終的接納與否的決定,并將結果發送到業務感知仿真進程,同時根據決策結果對網關控制仿真進程進行相應的設置;

⑥業務感知仿真進程根據接納控制仿真進程發送的接納決策結果,通知應用層仿真進程是否開始業務的傳輸。

2.3 仿真場景設計

以地震通信為背景進行仿真場景設計。通信網絡分為指揮中心(ZH)、安置中心(AZ)、災區現場(ZQ)和救援物資中轉中心(JY)4個區域,每個區域包含5個通信節點。救災任務對通信網絡的需求是:保障救災物資在指揮中心的調度下,順利中轉到災區現場和安置中心,在通信業務沖突的情況下,優先保障災區現場的信息業務傳輸。業務信息流程如圖3所示。

災區現場和安置中心向指揮中心匯報物資需求;指揮中心把調度信息發送到救援物資中轉中心;救援物資中轉中心接到任務后把相應的物資發送到災區現場和安置中心。在此過程中,救援物資中轉中心會和災區現場和安置中心交互物資運輸的信息。業務產生參數配置如表1所示。

圖3 業務信息流程

表1 業務產生參數配置表

3 仿真結果分析

采用資源接納控制和未采用資源接納控制2種模式下災區現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 業務傳輸成功率對比

從圖4中可以看出,由于采用了資源接納控制機制,對災區現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、速率動態調整和優先級隊列調度等機制,使得其業務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種模式下災區現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,災區現場到指揮中心的物資請求信息的傳輸時延要優于未采用資源接納控制的方式。

4 結束語

通過在OPNET仿真平臺搭建仿真模型,進而以災后救援物資的轉運為背景,構建了仿真場景,對引入資源接納控制機制后認知網絡的通信性能進行了仿真分析和評估。認知網絡采用資源接納控制機制后可以通過調整業務優先級和修改保障策略等方式實現對重要業務的按需傳送;在資源受限情況下,可優先保障高優先級業務的傳輸,改善了傳輸時延及成功率等全網性能指標,從而保證了在資源受限情況下用戶要求的業務傳輸服務質量。

[1]糜正琨.認知網絡與網絡融合[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與網絡仿真[M].北京:人民郵電出版社,2003.