基于傳輸速率自適應的動態(tài)帶寬分配算法初探

趙一民

北京中網華通設計咨詢有限公司，北京 100070

一直以來，國內的網絡帶寬資源都十分緊缺。伴隨著網絡技術的發(fā)展，新一代帶寬接入網得到了建設，網絡數據傳輸也開始由單一數據傳輸轉變?yōu)閳D像、語音等綜合信息的傳輸，對服務質量提出了更高要求。而想要確保網絡的帶寬得到合理分配，還要采用能夠對傳輸速率進行自適應的動態(tài)帶寬分配算法，繼而使用戶可以實現網絡帶寬資源的共享。

1 帶寬分配體系架構

在帶寬接入網的過程中，需要同時提供包含實時業(yè)務在內的各種業(yè)務的高速傳輸服務。不同于普通數據傳輸，實時業(yè)務傳輸對服務質量QoS有較高的指標要求。作為端到端網絡的一段，多鏈路帶寬接入網需要具備相應QoS保障能力，即要提供更好的帶寬控制和支持多鏈路帶寬接入業(yè)務[1]。

2 帶寬分配方法及問題分析

在帶寬分配方面，目前主要可以采用靜態(tài)和動態(tài)兩種帶寬分配方法。采用靜態(tài)方法，需要對各業(yè)務傳輸速率進行比較，然后為業(yè)務分配固定數量帶寬。靜態(tài)分配分為按峰值速率分配和按平均速率分配2種，前一種方法由于無法達到業(yè)務傳輸峰值速率，容易導致帶寬資源利用率過低，后一種則容易出現無法滿足高優(yōu)先級業(yè)務服務質量要求的問題。采用動態(tài)帶寬分配方法，可以對網絡中閑置的帶寬資源進行回收利用，將資源動態(tài)分配給各類等待的業(yè)務，并結合各業(yè)務QoS需求進行信息反饋，實現帶寬的動態(tài)調整，因此更能滿足新一代帶寬接入網的帶寬分配要求。但是就目前來看，現階段采用的動態(tài)帶寬分配法是通過窗口大小或速率快慢對各類業(yè)務進行適宜帶寬資源的分配，需花費較長時間才能對帶寬分配進行調整，容易導致數據分組出現較大時延，加重系統(tǒng)傳輸負擔[2]。而在異構網絡中，帶寬分配將對用戶傳輸速率產生直接影響，因此需要結合網絡負載狀態(tài)對各移動終端支持業(yè)務傳輸速率進行快速調整，才能使各網絡間的業(yè)務分流得以迅速完成，繼而滿足網絡傳輸需求。

3 基于傳輸速率自適應的動態(tài)帶寬分配

3.1 優(yōu)先級的劃分

結合上述問題，可以采用基于傳輸速率自適應的動態(tài)帶寬分配算法進行帶寬分配，確保異構網絡中的帶寬資源得到高效利用。采用該種算法，首先需要對優(yōu)先級隊列問題進行考慮，完成傳輸業(yè)務優(yōu)先級合理劃分。具體來講，就是要將本地用戶組和代理用戶組進行區(qū)分，用相應集合進行表示，完成網絡中多個用戶組的劃分。針對本地注冊用戶，還要利應相應網絡為其提供業(yè)務傳輸服務，而代理用戶可以在利用專用網絡進行業(yè)務傳輸的同時，利用注冊用戶網絡進行業(yè)務傳輸。針對任意移動端，則要有限提供服務，確保移動端傳輸速率需求得到最先滿足。而在移動端的業(yè)務中，也需要完成優(yōu)先級劃分。結合各業(yè)務QoS決策因子個數，則能確定業(yè)務QoS影響重要性，確定業(yè)務優(yōu)先級。將業(yè)務優(yōu)先級決策因子比較數值列成相應的矩陣，然后進行矩陣最大特征向量的計算，則能得到決策因子加權值。根據權值大小，則能對各業(yè)務的傳輸優(yōu)先級順序進行排列。針對用戶組，則可以按照對應的用戶傳輸優(yōu)先級決策規(guī)則進行優(yōu)先級劃分。

3.2 最優(yōu)帶寬分配

在異構網絡中，移動端向網絡發(fā)送帶寬集中控制單元進行服務請求的發(fā)送后，控制單元可以獲得終端形態(tài)、業(yè)務等級，帶寬需求等信息，然后進行適合帶寬的分配。在確定業(yè)務移動端在網絡中傳輸速率后，發(fā)揮網絡多宿主功能，對所有終端進行帶寬分配，同樣需要完成最優(yōu)帶寬分配矩陣的建立。根據矩陣，可以確定網絡中某個帶寬資源對業(yè)務移動終端傳輸頻譜效率。結合網絡容量和傳輸信噪比等要求，可以確定可分配矩陣的約束條件。采用無線接入網，則能為移動終端分配帶寬資源。對各網絡效用進行疊加，則能完成整個網絡效用計算。在總的傳輸速率QoS需求和容量約束下，可以對網絡中各移動終端支持的業(yè)務傳輸速率進行確認，實現帶寬重分配，使網絡效用最大化[3]。

3.3 動態(tài)優(yōu)化分配

通過上述分析可以發(fā)現，傳輸速率自適應的動態(tài)帶寬分配其實為動態(tài)優(yōu)化迭代分析過程，可以通過不斷迭代得到最優(yōu)的帶寬分配矩陣，確保網絡效用函數得到最大化。按照這一思路，可以先將兩類用戶組按照傳輸速率要求進行降序排列，然后結合網絡可用帶寬資源進行網絡升序排列，將可用帶寬優(yōu)先分配給本地用戶組，確保其中最大傳輸速率需求能夠得到滿足。在通信環(huán)境和位置發(fā)生變化后，網絡負載將出現動態(tài)變化，促使業(yè)務請求發(fā)生改變。結合網絡容量要求，需要對動態(tài)優(yōu)化迭代算法中if條件進行逐次執(zhí)行，確保傳輸速率動態(tài)調整可以實現，繼而實現帶寬自適應分配。因此在傳輸速率自適應調整過程中，帶寬動態(tài)分配優(yōu)化其實為一個優(yōu)化步驟，還要按照偽代碼進行迭代分析。采用迭代算法，則能獲得最優(yōu)的帶寬重分配矩陣，繼而達到網絡效用最大化的目標。

3.4 算法仿真分析

為確定算法效果，還要利用仿真軟件進行算法實現。利用IEEE 802.16e WMAN、IEEE 802.11b WMAN和移動蜂窩網絡則能得到異構網絡，網絡容量分別為20、15和2MBit/s，網絡中用戶數量分別為40、0～60、3。在該網絡中，包含多模移動終端，需要進行多個無線空中接口的設置。在網絡重疊覆蓋區(qū)內，各終端擁有多宿主功能，可以利用多個無線網進行業(yè)務承載。在移動網絡不在網絡覆蓋區(qū)域內的情況下，網絡傳輸速率將為0。在實際分析過程中，需要設定三個業(yè)務，業(yè)務傳輸速率為1024、512、256kbit/s，傳輸頻譜效率為1.5、2、1，傳輸優(yōu)先級分別為三級、二級和一級。按照算法，需要根據提出的傳輸速率進行動態(tài)帶寬分配，實現帶寬動態(tài)優(yōu)化迭代分析。

圖1 各網絡帶寬分配仿真效果圖

如圖1所示，為仿真分析結果。結合分析結果可知，在無線網絡用戶數量不斷增加的情況下，帶寬分配向量會隨之改變，促使各網絡給用戶分配的帶寬發(fā)生變化。在無線網絡中的用戶數量達到29時，用戶分配得到的帶寬會隨之減少，僅能為傳輸速率較低的業(yè)務提供支持，而節(jié)省下的帶寬則用于為新增加用戶提供數據傳輸支持。在無線網絡用戶數量提升至34的情況下，網絡容量已經較高，網絡對用戶傳輸速率服務質量需求進行了降低，確保有足夠帶寬為新增用戶提供業(yè)務傳輸服務。在無線網絡用戶數量持續(xù)增加時，各網絡都會對用戶業(yè)務傳輸速率對服務質量的需求進行降低。因此在異構網絡中，用戶數量的增加，將導致網絡帶寬分配發(fā)生調整，確保整個網絡能夠通過降低傳輸速率需求實現網絡帶寬資源的共享。

4 結語

通過研究可以發(fā)現，在網絡帶寬分配方面，采用傳輸速率自適應的動態(tài)帶寬分配算法，能夠在對帶寬資源進行高效利用的同時，使用戶和各類業(yè)務間的公平性得到兼顧，確保業(yè)務得到適宜的帶寬資源分配，從而使以往動態(tài)帶寬分配遭遇的困難得到解決。因此相信在新一代網絡建設的過程中，該種帶寬分配算法能夠得到較好的使用。