隨機互聯網絡的帶寬分配優化分析

王嘉宏 徐穎雯 林 可

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隨機互聯網絡的帶寬分配優化分析

王嘉宏1，2徐穎雯2林 可3

1.福建工程學院信息科學與工程學院，福建 福州 530000 2.福建省大數據挖掘與應用技術重點實驗室，福建 福州 530000 3.福建工程學院海峽工學院，福建 福州 530000

互聯網技術的飛速發展，帶給人們許多便利，同時產生了一系列有關網絡帶寬分配的優化問題。因此，提出了帶寬分配優化策略，分析了隨機互聯網絡的資源分配，以保證網絡服務質量的要求。針對帶寬分配問題，在多終端和多業務優先級模型的基礎上，研究了隨機互聯網絡合理有效的帶寬資源分配以及帶寬分配的公平性。

隨機互聯網絡；帶寬分配；公平性；優化策略

引言

近年來，隨著網絡技術的快速發展，出現越來越復雜的網絡拓撲結構以及迅速增長的用戶流量，帶寬資源分配的問題無處不在，為現在的網絡管理、網絡維護和網絡分析帶來了巨大的挑戰[1-10]。中國互聯網網絡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《互聯網接入服務規范》的要求，但用戶感知總體滿意度較低，在大型網游、文件傳輸的場景中的用戶認為實際網速與預期不符，網絡帶寬使用體驗一般。盡管隨著互聯網絡技術發展，有越來越多的網絡帶寬，但依舊不能滿足搶占帶寬的消耗，影響互聯網用戶享有具服務質量保證的網絡服務，從而造成網絡訪問服務的低效率，同時也不可避免地涉及網絡帶寬資源分配的公平性、分享、延遲和其他問題[11]。

在本文中，我們研究基于預算的隨機互聯網絡中帶寬分配的優化策略。主要研究和解決的問題：帶寬必須分配給每一個業務流，滿足用戶的服務質量（QoS）需求，并保證每個業務流間的公平性。

1 現有的帶寬分配技術

在下一代隨機互聯網絡中，由多宿主功能組成的移動網絡終端會共享所有的網絡資源，因此合理有效的帶寬資源分配是一個重要的發展方向[12]。帶寬分配是將有限的帶寬資源合理高效地分配給用戶。帶寬分配方案有兩大類：固定帶寬分配（Fixed Channel Assignment，FCA）和動態帶寬分配（Dynamic Channel Assignment，DCA）。FCA分配方案在第一、二代蜂窩移動通信系統中得到了廣泛的應用，而DCA分配方案是第三代蜂窩移動通信系統中的關鍵技術。

固定帶寬分配方案（FCA）是一種簡單而常用的分配帶寬資源策略，對于均勻分布的系統，每個波束小區固定地分配給一組帶寬。但FCA沒有考慮到不同小區內業務量的差異，可能會導致在低業務量小區中有大量空閑帶寬，而在高業務量小區中則有大量呼叫產生阻塞。對于非均勻分布的系統，各波束小區可以分配不同的帶寬數，分配較多的帶寬給高業務量小區。但FCA不可能根據各小區的業務量進行調整，不能達到帶寬利用率最優，如某小區出現阻塞，而其他小區存在大量空閑帶寬。

在動態帶寬分配方式（DCA）中，帶寬分配由網絡控制中心（Network Control Center）統一控制，沒有將帶寬分組。只要此帶寬空閑，并且滿足電磁干擾等約束條件，每個小區都可以任意使用此帶寬。動態帶寬分配方式主要分為兩種：一種是業務自適應系統（Traffic Adaptive System），另一種是干擾自適應系統（Interference Adaptive System）。

靈活帶寬分配方式（Flexible Channel Assignment，FLCA）是介于FCA和DCA之間的方式，主要有兩類方法。第一類是把系統帶寬分為兩部分：一組固定分配給每個波束小區，使其滿足輕業務量負荷時的要求；另一組稱為靈活帶寬，由網絡控制中心控制，在某個波束內帶寬發生擁擠或產生大量突發業務的時候，臨時分配給該小區。第二類稱為借帶寬機制，在系統帶寬正常負荷情況下，每個小區有固定的一組帶寬，當系統帶寬發生擁擠的情況下，在不產生沖突的前提下，向臨近空閑小區借用帶寬。

考慮帶寬分配策略的公平性時，可以將用戶對所分配帶寬的效用函數作為優化方案的目標函數，就是將所需的帶寬分配約束的總效用最大化[13-19]。實現公平的帶寬分配方法就是使分配到每個用戶的帶寬最大限度地平等，而這可能會導致它無法增加某些非阻塞的帶寬分配。

然而，現有研究的帶寬分配技術并沒有考慮到多業務同時傳輸時的帶寬分配策略，也沒有考慮動態的網絡變化對帶寬分配的影響。因此本文研究一種面向多終端多業務優先級的帶寬分配技術，以達到更好的用戶滿意度。

2 面向多終端多業務優先級的帶寬分配策略

在異構隨機互聯網絡中，具有多宿主功能的移動終端有多個無線網絡接口。當移動終端請求業務時，多個網絡帶寬資源可同時提供給移動終端使用，移動終端共享所有的帶寬資源。多個無線網絡的接口構成用戶的移動終端，用戶運用移動終端來請求一些業務，所以用戶的業務一定不是單一化的，它涉及不同種類的媒體流。這些由不同路徑的同時協同傳輸的數據保證了業務的服務質量和用戶良好的體驗度。

本文提出的帶寬分配策略主要思想是保障高優先級通信的通信質量。我們用通信帶寬來傳輸數據，由應答信號中的帶寬分配信息來分配相應的帶寬，以用來建立帶寬的連接，通過此連接數據幀被發送給相應的設備。帶寬競爭策略是，當發生碰撞時，高優先級總是能先于低優先級業務接入帶寬。帶寬壓縮策略是，當帶寬擁擠時，高優先級業務總是后于低優先級業務被壓縮直至不可再次被壓縮。提出帶寬補償策略，補償低優先級業務的帶寬防止低優先級無法執行的現象。系統通過數據幀中的數據來分配合理的帶寬以提高帶寬的利用率和接入的滿意度。

帶寬分配要解決的核心問題是將有限的帶寬資源合理地分配。通過分析帶寬的使用情況可生成一個優先級表，根據優先級來排列帶寬分配。帶寬在接入和接出的時候會發生不同的競爭，終端會由優先級的大小來判斷競爭力的大小，當接入的時候競爭接入權。接入后不同移動終端競爭空閑帶寬的使用權，但是當系統中無空閑塊帶寬的時候，啟動競爭機制并且啟動定時器。當沒有空閑帶寬的時候，競爭模塊將會在所有正在運行的業務中查找出可以丟失的數據，這樣就可以保證高優先級的數據先通過以確保網絡的服務質量。

當接入請求到達率很高的時候，帶寬會產生擁塞現象，這時系統就會啟動壓縮策略以釋放部分帶寬來緩解擁塞。在帶寬壓縮策略中，第一步判斷該業務是否能夠執行壓縮策略操作：若能，則在系統中查找是否存在能夠被壓縮的任務；若有，則執行壓縮任務。壓縮任務按照業務的優先級來執行，先壓縮優先級低的業務，再壓縮優先級高的業務。例如，多媒體類業務的優先級低于數據類業務低于通話類業務。當帶寬擁擠時，我們先壓縮優先級低的業務，再壓縮優先級高的業務，然后先壓縮多媒體類業務，再壓縮數據類業務，當帶寬依然擁擠時，最后壓縮通話類業務。

3 結束語

5G網絡作為下一代移動通信網絡，具有超密集異構的特性，因此5G網絡中將含有更多的終端和業務。網絡的業務類型不同主要體現在對帶寬、時延、抖動、丟包率的需求不同，這將給網絡帶寬分配帶來極大的挑戰。下一代大規模互聯網是一個復雜龐大的網絡系統。在網絡資源分配優化方面應以用戶需求為導向保障QoS的要求。不同類型的業務對服務質量有著不同的需求。依據各自的需求智能地管理分配系統有限的資源，是提高系統服務質量的有效方法。在本文所提出的帶寬分配優化分析的基礎上進一步研究適應5G網絡的帶寬分配，更好地提高網絡帶寬資源的利用率，以滿足未來5G網絡的要求。

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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基金面上項目資助(2016J01330)；福建省教育廳中青年教師教育科研項目資助(JAT160337)。

王嘉宏博士，現任福建工程學院信息科學與工程學院副教授、福建省大數據挖掘與應用技術重點實驗室研究員，主要研究領域為運籌學、大數據分析、排隊論、網絡管理、系統模擬等方面的研究。