王嘉宏 徐穎雯 林 可

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隨機互聯(lián)網(wǎng)絡的帶寬分配優(yōu)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(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，帶給人們許多便利，同時產(chǎn)生了一系列有關網(wǎng)絡帶寬分配的優(yōu)化問題。因此，提出了帶寬分配優(yōu)化策略，分析了隨機互聯(lián)網(wǎng)絡的資源分配，以保證網(wǎng)絡服務質量的要求。針對帶寬分配問題，在多終端和多業(yè)務優(yōu)先級模型的基礎上，研究了隨機互聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)絡；帶寬分配；公平性；優(yōu)化策略

引言

近年來，隨著網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，出現(xiàn)越來越復雜的網(wǎng)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(xiàn)在的網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡維護和網(wǎng)絡分析帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1-10]。中國互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)接入服務規(guī)范》的要求，但用戶感知總體滿意度較低，在大型網(wǎng)游、文件傳輸?shù)膱鼍爸械挠脩粽J為實際網(wǎng)速與預期不符，網(wǎng)絡帶寬使用體驗一般。盡管隨著互聯(lián)網(wǎng)絡技術發(fā)展，有越來越多的網(wǎng)絡帶寬，但依舊不能滿足搶占帶寬的消耗，影響互聯(lián)網(wǎng)用戶享有具服務質量保證的網(wǎng)絡服務，從而造成網(wǎng)絡訪問服務的低效率，同時也不可避免地涉及網(wǎng)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(lián)網(wǎng)絡中帶寬分配的優(yōu)化策略。主要研究和解決的問題：帶寬必須分配給每一個業(yè)務流，滿足用戶的服務質量（QoS）需求，并保證每個業(yè)務流間的公平性。

1 現(xiàn)有的帶寬分配技術

在下一代隨機互聯(lián)網(wǎng)絡中，由多宿主功能組成的移動網(wǎng)絡終端會共享所有的網(wǎng)絡資源，因此合理有效的帶寬資源分配是一個重要的發(fā)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，F(xiàn)CA）和動態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，每個波束小區(qū)固定地分配給一組帶寬。但FCA沒有考慮到不同小區(qū)內業(yè)務量的差異，可能會導致在低業(yè)務量小區(qū)中有大量空閑帶寬，而在高業(yè)務量小區(qū)中則有大量呼叫產(chǎn)生阻塞。對于非均勻分布的系統(tǒng)，各波束小區(qū)可以分配不同的帶寬數(shù)，分配較多的帶寬給高業(yè)務量小區(qū)。但FCA不可能根據(jù)各小區(qū)的業(yè)務量進行調整，不能達到帶寬利用率最優(yōu)，如某小區(qū)出現(xiàn)阻塞，而其他小區(qū)存在大量空閑帶寬。

在動態(tài)帶寬分配方式（DCA）中，帶寬分配由網(wǎng)絡控制中心（Network Control Center）統(tǒng)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(qū)都可以任意使用此帶寬。動態(tài)帶寬分配方式主要分為兩種：一種是業(yè)務自適應系統(tǒng)（Traffic Adaptive System），另一種是干擾自適應系統(tǒng)（Interference Adaptive System）。

靈活帶寬分配方式（Flexible Channel Assignment，F(xiàn)LCA）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(tǒng)帶寬分為兩部分：一組固定分配給每個波束小區(qū)，使其滿足輕業(yè)務量負荷時的要求；另一組稱為靈活帶寬，由網(wǎng)絡控制中心控制，在某個波束內帶寬發(fā)生擁擠或產(chǎn)生大量突發(fā)業(yè)務的時候，臨時分配給該小區(qū)。第二類稱為借帶寬機制，在系統(tǒng)帶寬正常負荷情況下，每個小區(qū)有固定的一組帶寬，當系統(tǒng)帶寬發(fā)生擁擠的情況下，在不產(chǎn)生沖突的前提下，向臨近空閑小區(qū)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(shù)作為優(yōu)化方案的目標函數(shù)，就是將所需的帶寬分配約束的總效用最大化[13-19]。實現(xiàn)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(xiàn)有研究的帶寬分配技術并沒有考慮到多業(yè)務同時傳輸時的帶寬分配策略，也沒有考慮動態(tài)的網(wǎng)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(yè)務優(yōu)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(yè)務優(yōu)先級的帶寬分配策略

在異構隨機互聯(lián)網(wǎng)絡中，具有多宿主功能的移動終端有多個無線網(wǎng)絡接口。當移動終端請求業(yè)務時，多個網(wǎng)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(wǎng)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(yè)務，所以用戶的業(yè)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(xié)同傳輸?shù)臄?shù)據(jù)保證了業(yè)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(yōu)先級通信的通信質量。我們用通信帶寬來傳輸數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)幀被發(fā)送給相應的設備。帶寬競爭策略是，當發(fā)生碰撞時，高優(yōu)先級總是能先于低優(yōu)先級業(yè)務接入帶寬。帶寬壓縮策略是，當帶寬擁擠時，高優(yōu)先級業(yè)務總是后于低優(yōu)先級業(yè)務被壓縮直至不可再次被壓縮。提出帶寬補償策略，補償?shù)蛢?yōu)先級業(yè)務的帶寬防止低優(yōu)先級無法執(zhí)行的現(xiàn)象。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)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(yōu)先級表，根據(jù)優(yōu)先級來排列帶寬分配。帶寬在接入和接出的時候會發(fā)生不同的競爭，終端會由優(yōu)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(tǒng)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(yè)務中查找出可以丟失的數(shù)據(jù)，這樣就可以保證高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)先通過以確保網(wǎng)絡的服務質量。

當接入請求到達率很高的時候，帶寬會產(chǎn)生擁塞現(xiàn)象，這時系統(tǒng)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(yè)務是否能夠執(zhí)行壓縮策略操作：若能，則在系統(tǒng)中查找是否存在能夠被壓縮的任務；若有，則執(zhí)行壓縮任務。壓縮任務按照業(yè)務的優(yōu)先級來執(zhí)行，先壓縮優(yōu)先級低的業(yè)務，再壓縮優(yōu)先級高的業(yè)務。例如，多媒體類業(yè)務的優(yōu)先級低于數(shù)據(jù)類業(yè)務低于通話類業(yè)務。當帶寬擁擠時，我們先壓縮優(yōu)先級低的業(yè)務，再壓縮優(yōu)先級高的業(yè)務，然后先壓縮多媒體類業(yè)務，再壓縮數(shù)據(jù)類業(yè)務，當帶寬依然擁擠時，最后壓縮通話類業(yè)務。

3 結束語

5G網(wǎng)絡作為下一代移動通信網(wǎng)絡，具有超密集異構的特性，因此5G網(wǎng)絡中將含有更多的終端和業(yè)務。網(wǎng)絡的業(yè)務類型不同主要體現(xiàn)在對帶寬、時延、抖動、丟包率的需求不同，這將給網(wǎng)絡帶寬分配帶來極大的挑戰(zhàn)。下一代大規(guī)模互聯(lián)網(wǎng)是一個復雜龐大的網(wǎng)絡系統(tǒng)。在網(wǎng)絡資源分配優(yōu)化方面應以用戶需求為導向保障QoS的要求。不同類型的業(yè)務對服務質量有著不同的需求。依據(jù)各自的需求智能地管理分配系統(tǒng)有限的資源，是提高系統(tǒng)服務質量的有效方法。在本文所提出的帶寬分配優(yōu)化分析的基礎上進一步研究適應5G網(wǎng)絡的帶寬分配，更好地提高網(wǎng)絡帶寬資源的利用率，以滿足未來5G網(wǎng)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(xiàn)任福建工程學院信息科學與工程學院副教授、福建省大數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析、排隊論、網(wǎng)絡管理、系統(tǒng)模擬等方面的研究。