基于传输速率自适应的动态带宽分配算法初探

2018-09-05赵一民

智能城市 2018年15期

赵一民

北京中网华通设计咨询有限公司，北京 100070

一直以来，国内的网络带宽资源都十分紧缺。伴随着网络技术的发展，新一代带宽接入网得到了建设，网络数据传输也开始由单一数据传输转变为图像、语音等综合信息的传输，对服务质量提出了更高要求。而想要确保网络的带宽得到合理分配，还要采用能够对传输速率进行自适应的动态带宽分配算法，继而使用户可以实现网络带宽资源的共享。

1 带宽分配体系架构

在带宽接入网的过程中，需要同时提供包含实时业务在内的各种业务的高速传输服务。不同于普通数据传输，实时业务传输对服务质量QoS有较高的指标要求。作为端到端网络的一段，多链路带宽接入网需要具备相应QoS保障能力，即要提供更好的带宽控制和支持多链路带宽接入业务[1]。

2 带宽分配方法及问题分析

在带宽分配方面，目前主要可以采用静态和动态两种带宽分配方法。采用静态方法，需要对各业务传输速率进行比较，然后为业务分配固定数量带宽。静态分配分为按峰值速率分配和按平均速率分配2种，前一种方法由于无法达到业务传输峰值速率，容易导致带宽资源利用率过低，后一种则容易出现无法满足高优先级业务服务质量要求的问题。采用动态带宽分配方法，可以对网络中闲置的带宽资源进行回收利用，将资源动态分配给各类等待的业务，并结合各业务QoS需求进行信息反馈，实现带宽的动态调整，因此更能满足新一代带宽接入网的带宽分配要求。但是就目前来看，现阶段采用的动态带宽分配法是通过窗口大小或速率快慢对各类业务进行适宜带宽资源的分配，需花费较长时间才能对带宽分配进行调整，容易导致数据分组出现较大时延，加重系统传输负担[2]。而在异构网络中，带宽分配将对用户传输速率产生直接影响，因此需要结合网络负载状态对各移动终端支持业务传输速率进行快速调整，才能使各网络间的业务分流得以迅速完成，继而满足网络传输需求。

3 基于传输速率自适应的动态带宽分配

3.1 优先级的划分

结合上述问题，可以采用基于传输速率自适应的动态带宽分配算法进行带宽分配，确保异构网络中的带宽资源得到高效利用。采用该种算法，首先需要对优先级队列问题进行考虑，完成传输业务优先级合理划分。具体来讲，就是要将本地用户组和代理用户组进行区分，用相应集合进行表示，完成网络中多个用户组的划分。针对本地注册用户，还要利应相应网络为其提供业务传输服务，而代理用户可以在利用专用网络进行业务传输的同时，利用注册用户网络进行业务传输。针对任意移动端，则要有限提供服务，确保移动端传输速率需求得到最先满足。而在移动端的业务中，也需要完成优先级划分。结合各业务QoS决策因子个数，则能确定业务QoS影响重要性，确定业务优先级。将业务优先级决策因子比较数值列成相应的矩阵，然后进行矩阵最大特征向量的计算，则能得到决策因子加权值。根据权值大小，则能对各业务的传输优先级顺序进行排列。针对用户组，则可以按照对应的用户传输优先级决策规则进行优先级划分。

3.2 最优带宽分配

在异构网络中，移动端向网络发送带宽集中控制单元进行服务请求的发送后，控制单元可以获得终端形态、业务等级，带宽需求等信息，然后进行适合带宽的分配。在确定业务移动端在网络中传输速率后，发挥网络多宿主功能，对所有终端进行带宽分配，同样需要完成最优带宽分配矩阵的建立。根据矩阵，可以确定网络中某个带宽资源对业务移动终端传输频谱效率。结合网络容量和传输信噪比等要求，可以确定可分配矩阵的约束条件。采用无线接入网，则能为移动终端分配带宽资源。对各网络效用进行叠加，则能完成整个网络效用计算。在总的传输速率QoS需求和容量约束下，可以对网络中各移动终端支持的业务传输速率进行确认，实现带宽重分配，使网络效用最大化[3]。

3.3 动态优化分配

通过上述分析可以发现，传输速率自适应的动态带宽分配其实为动态优化迭代分析过程，可以通过不断迭代得到最优的带宽分配矩阵，确保网络效用函数得到最大化。按照这一思路，可以先将两类用户组按照传输速率要求进行降序排列，然后结合网络可用带宽资源进行网络升序排列，将可用带宽优先分配给本地用户组，确保其中最大传输速率需求能够得到满足。在通信环境和位置发生变化后，网络负载将出现动态变化，促使业务请求发生改变。结合网络容量要求，需要对动态优化迭代算法中if条件进行逐次执行，确保传输速率动态调整可以实现，继而实现带宽自适应分配。因此在传输速率自适应调整过程中，带宽动态分配优化其实为一个优化步骤，还要按照伪代码进行迭代分析。采用迭代算法，则能获得最优的带宽重分配矩阵，继而达到网络效用最大化的目标。

3.4 算法仿真分析

为确定算法效果，还要利用仿真软件进行算法实现。利用IEEE 802.16e WMAN、IEEE 802.11b WMAN和移动蜂窝网络则能得到异构网络，网络容量分别为20、15和2MBit/s，网络中用户数量分别为40、0～60、3。在该网络中，包含多模移动终端，需要进行多个无线空中接口的设置。在网络重叠覆盖区内，各终端拥有多宿主功能，可以利用多个无线网进行业务承载。在移动网络不在网络覆盖区域内的情况下，网络传输速率将为0。在实际分析过程中，需要设定三个业务，业务传输速率为1024、512、256kbit/s，传输频谱效率为1.5、2、1，传输优先级分别为三级、二级和一级。按照算法，需要根据提出的传输速率进行动态带宽分配，实现带宽动态优化迭代分析。

图1 各网络带宽分配仿真效果图

如图1所示，为仿真分析结果。结合分析结果可知，在无线网络用户数量不断增加的情况下，带宽分配向量会随之改变，促使各网络给用户分配的带宽发生变化。在无线网络中的用户数量达到29时，用户分配得到的带宽会随之减少，仅能为传输速率较低的业务提供支持，而节省下的带宽则用于为新增加用户提供数据传输支持。在无线网络用户数量提升至34的情况下，网络容量已经较高，网络对用户传输速率服务质量需求进行了降低，确保有足够带宽为新增用户提供业务传输服务。在无线网络用户数量持续增加时，各网络都会对用户业务传输速率对服务质量的需求进行降低。因此在异构网络中，用户数量的增加，将导致网络带宽分配发生调整，确保整个网络能够通过降低传输速率需求实现网络带宽资源的共享。