基于ZIPF分布的多址通讯快速动态信道分配方法

陈捷洁

(福州理工学院 移动通讯和物联网福建省高校工程研究中心，福建 福州 350000)

目前，在通信技术中，无线网络技术已经趋于成熟，在人们的日常生活中随处可见，但是在外界环境的影响下，无线传输过程中两个传输节点之间传输的能量会不断衰减，很难保持稳定状态[1-3]。为解决这一问题，目前大多使用中继AP支持相距较远的节点之间通讯，这种技术自适应性能好，是近几年的热门研究对象。在对无线网络的研究中，信道的分配是一个重点，以WiFi为例，越来越多的设备支持WiFi网络的连接，提高了对多用户、多信道的需求，但是在多信道的情况下，依旧存在信道分配不均、信道重叠的情况[4-6]。

现阶段，很多无线网络通讯中真正正交的信道只有少数，其他的信道之间会出现重叠、干扰等情况，造成无线网络通讯的吞吐量降低，信道性能严重下降[7]。因此，国内外学者逐渐将研究重点放在了对多址通讯信道的分配上，以规划频谱资源、减少信道间干扰为目的，从信道分配方面提高无线网络的整体性能。现有资料显示，很多信道分配方法将研究重点集中在降低信道干扰方面，忽略了其他因素对信道的影响[8]。如文献[9]在软件定义网络架构的基础上提出了一种适用于空基网络业务传输的动态信道分配算法，将数据面与控制面分离，实现了动态规划时隙分配。该方法在分配过程中，将数据面和控制面分离，实现动态时隙分配，有效地调整了信道分配，但是忽略了链路调度对信道的限制，导致其工作效率随着时间逐渐降低。文献[10]针对异构VLC/WiFi网络的多接入点布局的信道干扰问题，提出了改进遗传算法的干扰抑制子信道分配方案。该方案依据VLC信道质量状况，为用户决策接入网络。该方法虽然有效地抑制了信道间的干扰，但是同样忽略了链路调度对信道分配的影响。针对上述问题，提出基于ZIPF分布的多址通讯快速动态信道分配方法，在设计中改善上述研究中的存在的运行效率问题。

1 基于ZIPF分布的多址通讯快速动态信道分配方法设计

1.1 平衡多址通讯数据项

在多址通讯环境中，以多个信道和接入点的数据项访问频率作为输入，假设共有M个数据项、N个信道，依据访问频率，将多个数据项降序排列。假设按照ZIPF分布将所有数据项分配到N个信道中，计算m=N的ZIPF分布[11]。计算公式如式(1)所示。

(1)

公式(1)中，β表示N个信道的最优调度序列。从数据项ci开始，依据数据项排列顺序，将每个数据项与对应的信道实现一一对应，每个数据项分配结束的判断依据是，信道Ui的累积访问频率与Qi大小的判断，当累积访问频率大于Qi，则开始下一个数据项的分配，直到分配完第UN-1个信道后，完成对多址通讯数据项的平衡。

1.2 计算链路优先级

在数据项达到平衡后，计算链路的优先级，根据计算确定最优信道分配方案。该方案在确定过程中，优先选取利用率较低的信道，如果在链路干扰范围内存在多条利用率较低的信道，则选择负载较小的信道[12]。通过这种选择条件，保证多址通讯链路中的负载均衡。

每条链路上的流量来自本链路节点待发送的流量和待转发给其他链路节点的流量[13]。考虑到多址通讯链路具有一定的指向性，需要计算链路r(a,b)中的流量l(r)，如公式(2)所示。

l(a,b)=l(r)=l(a)+∑r(*,a)

(2)

公式(2)中，l(r)表示节点a自身产生的流量，r(*,a)表示通过节点a转发给目标节点的流量，即多个链路流量之和。经过公式2的计算，可准确得到每条链路的流量负载[14]。为实现链路最优调度，计算多址通讯中的任意一条链路r到目标节点的跳数v(r)和流量负载l(r)，v(r)值越小，或者l(r)值越大，均表明该条链路的优先级越高。若计算结果中出现相同的跳数，将其对应的链路划分到同一链路组[15]。

在上述计算完成后，根据计算结果判断链路优先级，除跳数和流量负载外，还可以根据链路受到的干扰程度进行判断，即干扰程度越高，多址通讯链路的优先级越高[16]。在确定链路优先级后，依次为每条链路分配正交信道，直到每一链路组中的每一条链路都存在对应的信道，在初次分配过程中，只是消除了链路对信道分配的干扰，其分配的信道可能存在一对多的情况[17]。因此，在上述处理完成后，统一对多址通通讯信道进行调整和二次分配。

1.3 分配动态信道

在多址通讯信道动态分配中，以“最大限度满足用户业务需求”为目的，根据业务需求量为多个信道的动态分配选择合理的方案。主要过程分为三个部分，分别是感知过程、决策过程和网络重构[18]。

在感知过程，主要是通过计算机周期性扫描，获得多址通讯环境中数据分布情况和链路的优先级。根据满足ZIPF分布的数据项，预测多址通讯下用户业务量大小[19]。计算公式如式(3)-(5)所示。

(3)

(4)

(5)

在感知到周围环境后，通过接入点监听接口上的服务速率，计算最大吞吐量，将计算结果传输到集中控制器上，通过集中控制器进行学习和训练，训练结束后预测多址通讯中的各条链路接入点的用户业务需求量，根据预测结果决定触发决策的时间。

在决策过程中，多址通讯中的集中控制器根据预测的业务量，结合感知信息进行网络重构和调整决策，选择最大限度满足业务需求的分配模式。

在具体设计中，把运行阶段的两种分配模型转变为四种分配策略，选择不同的分配策略就等于选择分配模式。分配策略一，由于多址通讯环境中存在多条链路，因此其中会存在相邻且独立的空闲链路，此时在业务分配时需要将其进行捆绑[20]。分配策略二，从分配策略一中可知，多址通讯链路中存在空闲链路，因此若其中有且只有一对空闲链路，则将接入点请求跃迁到此信道对上。分配策略三，若捆绑的空闲链路被占用时，集中控制器需要及时选择一条相邻的链路作为备用扩展链路，该条链路需要满足重构代价小的条件，且需要协调链路中的各个接入点，如果对应的接入点接受协调请求，此时需要根据实际感知信息重新分配各个接入点的链路，并且将该条链路让出，重新请求和捆绑链路，实现信道的合理分配。分配策略四为节能型分配方案，当多址通讯环境中接入点的需求量开始减少时，集中控制器压缩多址通讯链路的带宽，节省调度资源，让链路中的剩余接入点切换为普通模式。

多址通讯快速动态信道分配的实现就是动态选择上述四种分配方案的过程，根据上述决策结果，指导多址通讯环境中接入点和集中控制器进行网络重构。对于四种分配方案，采取不同的手段重构，对于第一种分配方案，由接入点通知集中控制器，改变带宽和模式切换，完成重构；对于第二种，同样由接入点通知集中控制器，利用集中控制器实现链路之间的迁移和模式切换等功能；对于第三种，由集中控制器指导协同接入点，利用相邻空闲链路作为扩展链路的方式实现链路重构和接入点分配；对于第四种分配策略，通过集中控制器改变带宽，控制模式切换，接入点直接释放辅助信道实现上述操作，快速关联完成重构。重构完成即分配完成，至此，基于ZIPF分布的多址通讯快速动态信道分配方法设计完成。

2 基于ZIPF分布的多址通讯快速动态信道分配方法实验研究

2.1 搭建实验平台

实验平台由软件和硬件组成，构建实验平台主要目的是在平台上实现多址通讯快速动态信道分配，要求实验平台支持不同动态信道分配方法的实时运行。将无线网卡配置为软接入点，在网卡的选择上，选择支持AP模式以及兼容IEEE协议的网卡。

实验平台中使用的软件工具有Qt应用程序框架和Ifstat网络接口监测工具。在后续实验过程中，使用Ifstat工具监控信道分配方法运行状态，可根据实验需求定义一个或多个网络接口；Qt工具主要提供图形用户界面所需的展示功能，该工具通过多进程技术可实现后台应用程序与前台界面的实时信息交互，在实验中，可实现对实验过程及结果的可视化。基于上述选择的软硬件，构建实验平台架构，如图1所示。

图1 实验平台架构

在搭建的实验平台中运行不同的信道分配方法，通过Qt工具监控分配方法执行过程，实验中以对比实验为主，为了保证实验的公平公正，设置统一的实验参数。

2.2 实验参数设置

多址通讯快速动态信道分配方法实验在Linux操作平台上实现，使用关系平等的21个节点，在搭建的实验平台中，将其中的一个节点作为主服务器，另外20个节点作为客户端服务器。考虑到设计的分配方法在ZIPF分布下实现，因此在保持客户端服务器参数不变的情况下，调整读写比例，选取实验数据时需要选择具有随机性的符合ZIPF分布的数据集，并且将其存储于Memcached服务器，实现多址通讯。20个节点的网络结构如图2所示。

图2 实验节点网络结构图

根据图2的实验节点网络结构图可知，实验中选取的20个节点，每个节点均配置了多个接口，保证无线多址通讯网络中存在多条可利用的信道，具体的实验环境参数如表1所示。

表1 实验环境参数设置

在参数设置完成后，设计两组实验项目，一组为内存利用率实验，一组为多信道传输时延抖动实验，在实验过程中选取引言中提到的文献[9]面向空基网络的动态TDMA信道分配算法和文献[10]基于干扰管理的异构VLC/WiFi网络子信道分配方法作为对比方法，分别记为常规信道分配方法1和2，在实验结束后，结合两组实验结果对比分析信道分配方法的实际性能。

2.3 内存利用率实验结果及分析

初始化实验平台和各参数后，分别部署信道分配方法，在完成各个节点的信道分配后，计算其占用空间大小、每个数据记录的内存开销和内存利用率。实验中多次进行上述步骤，计算各个实验指标的平均值。实验结果如表2所示。

表2 不同信道分配方法内存利用率实验结果

表2中结果显示，提出的基于ZIPF分布的信道分配方法内存利用率更高，在三组结果中其信道分配过程占用空间最小，每个数据记录的内存开销平均值为6.57bytes，远低于另外两种分配方法。综上所述，设计的基于ZIPF分布的多址通讯快速动态信道分配方法占用空间更少，处理更多数据，既保证了信道分配的合理性，又体现了信道分配的工作效率。

2.4 多信道传输时延抖动实验结果及分析

传输时延是从一个节点到另一节点传输产生的时间差，分别测试本文提出的信道分配方法与常规信道分配方法1和2的多址通讯信道传输时延抖动情况。实验结果如图3所示。

(a)常规信道分配方法1实验结果

(b)常规信道分配方法2实验结果

(c)提出的信道分配方法实验结果图3 不同信道分配方法的多信道传输时延抖动实验结果

根据图3的不同信道分配方法的多信道传输时延抖动实验结果可知，多址通讯环境中两种常规信道分配方法网络波动频率较高，时延抖动比较大，相比之下，提出的信道分配方法时延抖动较小，基本维持在0附近，网络稳定。结合内存利用率实验结果可知，设计的基于ZIPF分布的多址通讯快速动态信道分配方法内存消耗少、信道分配稳定，其实际工作效率高，能够满足实际应用需求。

结语

本文以多址通讯动态信道分配为研究重点，研究了基于ZIPF分布的多址通讯快速动态信道分配方法，并通过对比实验验证了提出方法的可行性和可靠性，证明了所提方法可以有效地解决以往信道分配方法中存在的问题，为多址通讯的动态信道分配提供更多的可能。但是由于时间限制，在研究中忽略了一些影响因素，如节点接口与信道的异构性对分配的影响，在未来研究中将从这一方面展开深入研究与分析。