校園網的網絡資源精確分配研究

◆李長青 胡為成 杜宇昊 徐丹

校園網的網絡資源精確分配研究

◆李長青 胡為成 杜宇昊 徐丹

（銅陵學院數學與計算機學院 安徽 244061）

隨著網絡技術的深入發展，校園網已在生活中被廣泛運用，精確分配校園網的網絡資源是很有必要的。內容從容量估計、覆蓋結構兩個方面進行考慮，依據仿真校園網內的話務量分布和每個子地點的實時流量變化，在基于時分多址的定向通信網絡的動態資源分配算法下，通過對資源的合理調度，使網絡資源的分布更精準的作用于每一個實時情景，并及時應對突發流量激增的情況，從而提高網絡資源的利用率。

資源分配；校園仿真網絡；話務量

隨著計算機的誕生與研究，網絡理論技術以及應用水平逐漸提升，我們已經進入了網絡化和信息化時代，大學生們在生活中已經難以離開網絡，校園網在學生和教師的學習與工作中扮演著十分重要的角色，因此網絡性能的重要性可想而知。本文對仿真校園網絡資源進行精確分配，隨著話務量大幅上升，單位時間內的網絡擁塞次數得到下降，提高了資源利用率，明顯保障了仿真校園網內虛擬用戶的正常訪問，提供良好的使用體驗，網絡運行指標都明顯得到改善。

1 系統設計與實現

1.1 系統方案

用戶的增長導致校園基站無比擁塞，用戶的使用感變差。校園網用戶的行為與分布具有特殊性，如學生長時間使用QQ或微信等聊天軟件，且多在圖書館、食堂、教室和寢室等地點。隨著網絡技術及智能手機等終端設備的發展，語音話務量隨者用戶的發展增加較慢，但是流量數據卻增長極快，傳統模型將因此發生較大的變化。由于沒有準確地依據話務量分布情況準確分配資源，所以會嚴重浪費空口資源。若以傳統模型來設計方案，則在實際應用中依然會發生擁堵的情況。對于校園網現有問題，本文對仿真校園網采用了室分的覆蓋方法。在基于動態資源分配算法的思想下，我們將整個仿真校園網依據其不同的特性分成了宿舍區，教學樓和學校教務區三個主要部分。

我們對仿真校園網里面的三個分區在不同的時間段分別進行容量估算和單位時間內的話務量的統計。通過對仿真校園網里面的三個主要分區的用戶數量，CE話務量統計，仿真校園網的計劃用戶數和省網發擴容標準四個信息來估算每一個地點所需要的載頻數量。對仿真校園網在網絡流量激增的情景下進行測試，通過監控網絡延遲的波動來測試動態資源分配算法在面對突發的流量激增的情況下的應對能力，使整個仿真校園網在保證校園網深度覆蓋的基礎上，提升仿真校園網的效率。

1.2 實現原理

在時分多址網絡里，動態資源分配算法的主要原理為：在各成員入網以后，在實際需求量有改變時，能自行調整各部分資源的分配，從而優化網絡的資源利用情況。在基于時分多址的定向通信網絡的動態資源分配算法中，各成員需參照業務對通信時延以及傳輸速率的要求，在時隙資源基礎之上，科學配置其他的資源，獲取時隙頻率分配表，是其分配表在基本滿足業務要求的前提下，對整體的資源消耗最小化。

資源分配算法的求解目標概括為如下兩個方面：

（1）分配結果誤差：表示分配結果與需求間的差別，分配結果誤差盡可能小，當誤差為0時就為最佳情形。

（2）全網資源消耗：為不同類別資源分別配置不同的資源消耗系數，該系數由資源的緊缺度決定，全網資源消耗盡可能低。

綜上，資源分配算法設計的目標是，在保障資源分配誤差盡可能小的基礎下，使得全網資源消耗最小化。本文選用分布式控制策略算法，在該算法中，任何一成員僅負責自己的需求，進行獨立資源配置運算，并和局部相鄰成員協商確認資源分配情況，從而實現資源有效利用[2]。

1.3 實現過程

本文從覆蓋結構和容量估算兩角度來進行仿真校園網的優化方案設計。

1.3.1估算容量的方法

我們采用整體估算的方法，也就是以校園為整體單位對需增加載的頻數進行估算。容量估算法的四個主要條件為：

條件1：本仿真校園在網用戶總數——A；

條件2：忙時平均CE話務量——B（以一個月為例）；

條件3：仿真校園計劃總用戶數——D；

條件4：省網發擴容標準——15.82Erl/載扇（注：CE話務量22.6Erl*70%=15.82Erl）。

缺口資源估算：現網每個用戶的話務模型：B/A=C（Er1）；按計劃發展用戶后的話務量：（A+D）×C=E （Er1）；所需載頻總數：F=E/15.82；缺口資源=所需載頻總數-現網載頻數。

對缺口資源進行估算的步驟：

（1）計算每用戶話務量

每用戶話務量=扇區話務量/（全天激活用戶*數忙時激活用戶比扇*區占總話務量的比重）其中，忙時激活比為全天激活總用戶數與忙時激活總用戶數的比值。

（2）求解扇區發展用戶后占激活用戶總時隙數

扇區發展用戶后占激活用戶總時隙數=激活用戶總時隙數+每話務量占用的總時隙數*（扇區話務量/全天激活用戶）*新發展CDMA用戶數*2.7。

（3）計算扇區發展用戶后的傳輸用戶數

扇區發展用戶的傳輸用戶數=（扇區發展后占激活用戶的總時隙數/3600）/600。

（4）計算每載扇需要的EV-DO載頻數

每扇區需要的EV-DO載頻數=扇區發展用戶的傳輸用戶數/扇區支持的最大產生用戶數。

（5）計算資源缺口：

缺口資源＝每載扇需要的EV-DO載頻數-現網EV-DO載頻數

1.3.2覆蓋結構設計

（1）對本次優化實驗的仿真校園網進行模擬試驗，得到仿真校園網內話務量分布律。

（2）根據在線用戶數目、預計發展數目，估計需要的載頻總數，從而對缺口資源進行計算。

（3）根據仿真校內話務量分布律，選有助于小區域覆蓋的宿舍樓安裝室內分接器，并輔以室外覆蓋天線，同時滿足寢室和教室內外同PN覆蓋，提升室分信源的利用效率[1]。

1.4 軟件流程

基于網絡精確分配的網絡優化系統設計可以根據仿真校園網的需求來分別對不同地點以及不同時間段下的使用情況進行實時模擬，我們需要根據現實的應用領域，針對性確定具體的系統設計流程，對系統采用模塊化的方式進行物理拆分，摸清系統的邏輯面向對象，給出仿真校園網內不同情景下最優的網絡資源分配。在運行中，各設計模塊間緊密聯系，表現了在研發進程中不斷學習改進的過程，通過各個子信息的匯總來達到最優的網絡資源分配。

2 實驗測試與分析

2.1 測試方案

根據系統設計，基于網絡資源精確分配信息管理系統的開發環境和部署環境存在差異，并且現有資源較少，故系統的部署與開發以簡潔實用為主。移植性較強的Java程序也讓系統部署變得簡明，以下是主要系統開發環境和部署和測試環境簡介。

系統開發、測試是在 Windows 平臺中產生，下面為框架平臺和應用程序：

系統開發的計算機系統：Windows 系統

開發、測試環境：JDK8.0+eclipse

數據庫：MySQL數據庫

2.2 測試數據

依據仿真校園網內的話務量分布，以及不同的地點選擇合適的地采取室分的覆蓋方式，同時將原宏站覆蓋校園內的扇區關閉。最后根據仿真校園網內不同時間段和地點的情景定制不同的覆蓋方式。最后完全部署之后通過對仿真局域網的（DT/CQT）測試。在經過對仿真校園網的一系列測試之后，我們可以得到仿真局域網優化前后的數據對比。下圖為優化前后話務量對比（圖1）和優化前后擁塞次數對比（圖2）：

圖1 優化前后話務量對比

圖2 優化前后擁塞次數對比

通過對仿真校園網CE話務量和擁塞次數的優化前后的數據統計，我們可以看出基于時分多址網絡的資源動態分配算法的思想中，對仿真校園網中的每一個規劃的地點

依據其自身的特性進行相對應的信息統計，并且合理的添加載頻數量并且加以室分的覆蓋方式可以有效地對網絡進行精確的分配。并且優化了單位時間內的CE話務量以及擁塞次數。接著，我們將仿真校園網置于一個網絡流量激增的情況下進行測試，對其網絡波動的時間以及一段時間內的擁塞次數進行了統計。結果顯示在經過動態資源分配的調整之后，單位時間內的網絡擁塞次數在網絡資源激增的情況下有所降低，但相對于其他資源分配方法，對網絡激增這一情況下的處理時間有較長的延遲。

綜上所述，在對仿真校園網里面的每一個劃定區域根據其特有的性質來分別決定網絡的覆蓋方法，并且分別收集與分析其信息量，逐一進行模塊資源分配，可以較好地提升網絡資源的利用率。在面對網絡激增這種特殊的情況下，系統可以通過對每一個模塊的流量的進行實時監控，動態分配網絡資源，控制網絡波動的范圍，以保證用戶的使用體驗。

3 結論

優化校園網是復雜的計算機系統工程，涉及硬件、算法、控制等因素，制定合理的優化方案要從全局進行把控，從個體人手。研究表明，以已有的校園網為基礎，結合現實所需的應用環境，在基于一定優化條件的算法技術下，得到校園網優化方案，對相應網絡性能結構和穩定性進行優化是可操作的。

[1]孫勇.中國電信校園網優化方法[J].移動通信，2012，36（17）：69-75.

[2]李瑩，李婥.定向通信網絡資源分配算法設計及仿真[J].中國新通信，2016，18（03）：18-21.

安徽省大學生創新創業訓練計劃項目（No.s201910383289）