无线通信网络随机接入信道拥塞联合控制研究

2024-05-06吴欣华屈金娇荣剑

电子设计工程 2024年9期

吴欣华，屈金娇，荣剑

（第904 医院，江苏无锡 214044）

信道拥塞是指当通信子网中某一区域的累积分组数量过多时，因该部分网络难以及时处理数据而导致的网络整体性能下降的现象，严重情况下可能会使无线通信网络陷入瘫痪。信道拥塞也可以被理解为是一种网络死锁现象。拥塞是一种可以长时间持续的网络过载状态，在拥塞状态下，用户对于网络资源的实际需求量远超网络体系的固有容量。单就局域性无线通信网络而言，拥塞问题是网络的固有属性之一，不可能完全避免[1-2]。

大多数网络体系在共享数据资源之前，会预先设定一个数值作为预警参考条件。当用户需求量接近该数值时，管理员或其他网络管理者直接介入，对后续出现的连接请求进行干扰。但当多个IP 分组同时到达一个路由器主机时，输出端口对这些数据信息的转发能力完全相同，因此不能按照管理员设定的标准对信息样本进行处理，此时，信道拥塞情况也并不会得到明显缓解。

随着无线通信网络中信息累积量的不断增多，信道拥塞问题的发生概率也在不断增大，不但给网络体系内的数据稳定传输能力造成了影响，还造成了严重的数据丢包问题。基于局部密度预测的拥塞控制策略[3]根据周期性信标消息的输出总量，判断拥塞信道所处位置，再通过计算该信道节点与核心通信主机之间物理距离的方式，判断拥塞区域的具体长度。基于深度Q 网络的拥塞控制策略[4]通过求解信道系数的方式，判断数据样本在后续通信场景中的连续传输能力，再结合近似函数表达式，确定拥塞问题的当前表现强度。然而上述两种方法对于平均数据丢包率的控制能力有限，依然难以满足维护无线通信网络稳定运行的需求。

为解决上述问题，该文设计了新的无线通信网络随机接入信道拥塞联合控制方法。

1 随机接入信道拥塞的主要特征

为精准分析随机接入信道拥塞现象的主要特征，分别从拥塞产生、分类标准、基本控制思想三个方向展开研究。

1.1 信道拥塞产生原因分析

拥塞是对于网络状态的描述，在拥塞状态下，转发器主机中累积大量的数据信息样本，由于信息存储量远超过运行主机的实际处理能力，所以网络体系的各项性能都会出现明显下降[5]。对于无线通信网络而言，拥塞现象所造成的影响十分严重，甚至有可能威胁网络体系的安全运行能力。图1 为无线通信网络在不同状态下的具体表现情况。

图1 不同状态下的网络传输能力曲线

在低负载情况下，网络传输分组与实际负载量之间具有明显线性关系。简单来说，就是低负载情况下，所有数据分组都能在网络传输作用下，到达其目标传输位置[6]。然而，随着负载量的不断增加，数据信息被源源不断地转发到网络体系之中，当网络负荷到达一定数值水平之后，主机元件会自动丢弃一部分无法处理的数据分组，此时通信网络对于数据信息的传输能力开始下降。当丢弃数据分组达到一定数量后，网络容易陷入瘫痪。

1.2 分类标准

受到网络自然属性的影响，提供完全无拥塞的无线通信服务是非常困难的。网络体系在处理数据信息时，所面对的数据交互环境是难以预测的，即使是在已知网络拓扑结构及数据传输周期的情况下，也并不能准确掌握通信数据所处的实时传输位置[7]。再加上无线通信网络的动态响应能力极强，随时都有可能出现接入或退出信道组织的节点对象。因此，为尽可能有效地控制拥塞程度，就必须确定当前导致表现拥塞现象的具体原因。

常见的信道拥塞类型包括节点拥塞、传输组织拥塞两种类型。

①节点拥塞：其是由节点缓存空间有限引起的信道拥塞现象。在无线通信网络中，数据信息的大量累积会增加网络体系的运行负担，特别是在达到网络主机的最大处理能力之后，网络内部的缓存空间开放，主机为维持通信网络的正常运行，会延缓对于数据信息的发送[8]。但当缓存数据总量大于发送数据总量时，则会引发存储空间溢出现象，从而造成数据样本丢包问题。

②传输组织拥塞：其是指信道组织共享单元拥塞现象。由于无线通信网络中存在大量的随机接入节点，所以必然存在着多个节点共享同一个信道组织的情况。如果通信数据大量累积，这些节点都会争抢该信道，那么必然导致数据碰撞问题，而一次碰撞现象就有可能造成连续的信道拥塞。

1.3 基本控制思想

对于无线通信网络随机接入信道拥塞行为的控制，就是根据已发生拥塞现象的表现特征，确定当前情况下，网络体系的最大信息传输能力，再根据超限部分的具体数值情况，设置独立的通信设备，以实现对该部分信息样本的顺利传输[9-10]。

在式（1）的基础上，推导信道拥塞行为的基本控制标准表达式，结果如下：

式中，c表示数据编码系数，δ表示标准控制参数，β表示通信数据的超限传输系数，m0表示超限部分的通信数据量值，χ表示拥塞行为判别向量。为实现对随机接入信道拥塞行为的有限控制，应选择存储容量较大的通信主机作为外接处理设备。

2 联合控制策略

2.1 无线通信网络的拓扑结构

无线通信网络的拓扑结构如图2 所示。

图2 无线通信网络的基础拓扑结构

无线通信网络拓扑结构由核心通信设备、信号收发器、数据分发器、拓扑节点几部分共同组成。无线通信网络输出的数据样本可根据传输目的地的不同，分别进入不同的处理设备之中，当数据样本累积量达到一定数值标准之后，这些处理设备自发建立与拓扑节点的连接关系，并借助传输通路，将信息参量反馈至核心信道中[11-12]。

在设计联合控制方法时，为避免信道组织中出现数据拥塞行为，必须同时设置多个大容量拓扑节点。

2.2 信道拥塞状态检测

信道拥塞状态检测是一种实时检测思想，通过分析信道组织中数据样本存储量的方式，来判断当前通信网络在未来一段时间之内发生拥塞现象的概率[13-14]。

假设ε表示实时检测系数，S～表示无线通信数据的实时存储特征，d表示通信数据转存速率，φ表示转存系数。在上述物理量的支持下，联立式（2），推导信道拥塞状态检测定义式为：

将A视为信道组织中信息拥塞现象的行为等级条件。若A＜1，则表示信道拥塞行为能够得到有效控制；若A≥1，表示信道拥塞现象存在继续加重的可能。

2.3 联合控制参数

联合控制参数也叫联合控制项系数，决定了联合控制算法对于无线通信网络随机接入信道拥塞现象的实际处理能力[15-16]。

假设g1、g2、…、gn表示n个不相等的拥塞行为判定指标，其取值条件满足式（4）：

根据拥塞行为判定指标，推导核心控制参数K的求解表达式如下：

式中，ι表示无线网络环境中数据的传输步长。联立式（3）、式（5），可将联合控制参数定义式表示为：

至此，完成对相关参数指标的计算与处理，在不考虑其他干扰条件的情况下，实现无线通信网络随机接入信道拥塞联合控制方法的顺利应用。

3 实验与分析

为验证无线通信网络随机接入信道拥塞联合控制的应用性能，设计如下实验。

3.1 实验步骤

步骤一：选择上述设计的无线通信网络随机接入信道拥塞联合控制方法作为实验组方法，将其应用程序输入通信网络主机中，记录在既定实验时间内，数据丢包率的数值变化情况；

步骤二：断开控制开关，使通信网络主机恢复至空闲状态；

步骤三：将基于局部密度预测的拥塞控制策略作为对照A 组方法，将其应用程序输入通信网络主机中，记录在既定实验时间内，数据丢包率的数值变化情况；

步骤四：重复步骤二操作；

步骤五：将基于深度Q 网络的拥塞控制策略作为对照B 组方法，记录数据丢包率的数值变化情况；

步骤六：统计实验数据，总结数据丢包率的变化规律。

3.2 实验原理

搭建如图3 所示的无线网络实验环境。

图3 无线网络实验环境

分别应用实验组、对照组方法控制网络中的信道拥塞行为，记录在不同方法作用下，数据丢包率的具体实验数值。

该次实验所选用实验设备具体型号如表1所示。

表1 实验设备选型

出于公平性考虑，实验组、对照组所采用实验设备型号完全一致。

3.3 结果与讨论

图4 反映了实验组、对照组控制方法作用下，通信数据丢包率的具体实验数值。

图4 通信数据丢包率

分析图4 可知，整个实验过程中，实验组丢包率一直保持不断增大的数值变化态势，至第30 min，其最大值达到15%；对照A 组丢包率在一段时间的上升状态后，开始趋于稳定并有轻微的下降，至第24 min，又开始继续上升，实验时间为30 min 时，丢包率取得最大值75.01%，与实验组最大值相比，上升了45.01%；对照B 组丢包率保持先增大、在减小、最后来回波动的变化态势，当实验时间为9 min 时，取得最大值74.97%，与实验组最大值相比，上升了44.97%。

综上可知该次实验结论为：

①传统的基于局部密度预测的拥塞控制策略、基于深度Q 网络的拥塞控制策略对于通信数据丢包率的控制能力有限，在信道拥塞期间，难以有效解决数据频繁丢包的问题；

②该文设计的无线通信网络随机接入信道拥塞联合控制方法对于丢包率指标的控制能力较强，在信道拥塞期间，可以更好地解决数据频繁丢包的问题。