異構網絡中貪婪資源分配策略的研究

吳燕玲，李 明，劉運城

（1.東莞理工學院城市學院 計算機與信息科學系，廣東 東莞523106；2.東莞理工學院 電子工程學院，廣東 東莞523808）

0 引 言

第三代合作伙伴計劃（3rd generation partnership project，3GPP）為多媒體流服務（如視頻會議、視頻電話、手機電視等）制訂了一系列的規范［1－3］，并且提出了基于RTP/UDP/IP的解決方案，旨在為用戶提供良好的服務質量（quality of service，QoS）。但在不可靠的無線信道上使用RTP傳輸視頻還需要解決嚴重的時延抖動和切換帶來的分組丟失問題，尤其是發生在兩個接入特性完全不同的異構網絡中的垂直切換影響更大。因此，最大程度上消除垂直切換的不良影響一直是研究的熱點。

1 研究背景

無線信道的不可靠性會嚴重影響網絡的QoS，目前通常使用分層編碼和預留資源兩種解決方法。

分層編碼將多媒體流分為若干層，每層都獨立對多媒體流質量進行優化處理。這種方法可以在一定程度上使得網絡參數在會話中隨著多媒體流狀況而進行相應的調整。但是分層編碼對多媒體流的優化存在著一定的局限性，因為多媒體流在重新生成時嚴重依賴這些相對獨立的跨層信息，最終結果并不理想。

預留資源可以分為靜態預留和動態預留兩種方式。靜態預留主要是通過預留足以滿足多媒體流峰值的帶寬來完成的。但是，這種方法在大多數時候會造成資源利用率低下。文獻 ［4］提出了一種自適應的QoS框架，根據網絡的實際情況為多媒體業務預留帶寬；文獻 ［5］使用了一種模糊邏輯帶寬預測方法來完成差分服務網絡中的帶寬預測；文獻 ［6］在充分考慮了用戶體驗質量（quality of experience，QoE）的基礎上，提出了先確定影響用戶QoE的分組丟失上限，再使用Markov模型確定應提供的帶寬；文獻 ［7－8］評估了視頻流媒體應用在蜂窩網絡中的性能。

但是，以上研究均沒有考慮蜂窩網絡中切換用戶的需求。另一方面，3GPP和因特網工程任務組（internet engineering task force，IETF）為移動用戶切換時的移動性管理提出了一些解決方案［9－11］。但是，沒有在資源分配方面提出建議。

2 系統模型

文獻 ［12］根據切換發生的場景不同將切換分為水平切換（horizontal handoff，HHO）和垂直切換（vertical handoff，VHO）：

（1）HHO發生在使用相同無線接入技術由不同基站或接入點控制的不同區域；

（2）VHO發生在使用不同無線接入技術由不同基站或接入點控制的不同區域。

圖1是我們建立的異構網絡模型。

圖1 提出的異構網絡模型

圖1中，WiMAX網絡和UMTS網絡形成部分覆蓋重疊的結構，各自分布著一些可工作于WiMAX/UMTS網絡中的多模移動臺（mobile station，MS）。當 MS從一個網絡移動到另一個網絡（foreign network，FN）時，會觸發VHO。

WiMAX網絡和UMTS網絡都有各自的資源管理中心（resource management center，RMC），每個 RMC管理若干個蜂窩小區；這兩個網絡通過同一個網關和Internet相連。每個RMC包含6個模塊（見圖2），負責處理來自BS（或Node B）的資源請求：

（1）優先權判決：根據移動臺（mobile station，MS）所發的資源請求內容，確定該請求是切換業務（vertical handoff service，VHOS）， 還 是 新 發 起 業 務（originating service，OS），并賦予相應的優先權。

（2）切換決策：根據優先權值將請求分發到兩個不同的隊列。相同優先權的請求遵循先進先出（first in first out，FIFO）準則。

（3）請求分發器：在同時有VHOS和OS都申請資源時，該模塊將VHOS和OS兩類的資源請求發送給 “資源估算及預留”模塊。

（4）資源估算及預留：當且僅當可用資源不小于任何一個所請求的資源時，才進行下一步操作。該模塊為每個資源請求進行帶寬估算及預留。

（5）連接管理：對于由VHOS觸發的，在經過 “資源估算及預留”后，將此類連接從當前網絡轉接到目標網絡。

（6）資源分配：OS的請求在 “資源估算及預留”完成后直接進入 “資源分配”階段（見圖2中虛線）；VHOS業務的請求在切換完成后，使用為其預留的資源。

圖2 RMC架構

3 貪婪資源分配策略

GRAS的原則是：當VHOS和OS同時申請資源的時候，優先滿足VHOS后再將剩余資源分配給OS。

圖3為MS從WiMAX網絡向UMTS網絡移動切換時申請資源的信息流描述；

切換時，資源分配流程如下：

（1）MSi向基站（base station，BS）周期性地發出含有自己的國際移動設備代碼（international mobile equipment identity，IMEIi）的 測 量 報 告 Measurement＿Report（IMEIi）；

圖3 WiMAX向UMTS切換時的資源分配流程

（2）在基于對 Measurement＿Report（IMEIi）信息解碼的基礎上，BS決定為MSi發起VHO，發出VHO＿Command（IMEIi）；

（3）收到BS發出的 VHO＿Command（IMEIi）后，MS發出VHO＿BW＿REQ（IMEIi）的切換及資源請求；

（4）BS將基站代碼（base station identity，BSID）封裝入該請求后，產生VHO＿BW＿REQ（IMEIi，BSID）被BS發往網關；

（5）網關將此請求轉發給UMTS＿RMC；

（6）UMTS＿RMC立即進行資源估算：若資源充足的話，為MSi預留并分配資源；同時向Node B發出CON＿REQ（IMEIi，BSID），通知Node B有 MS需要切換；

（7）Node B向 UMTS＿RMC發出CON＿RSP（IMEIi，BSID）；

（8）確定 MS可以切換后，UMTS＿RMC立即發送VHO＿BW ＿RSP（IMEIi，BSID）給網關；

（9）網關將 VHO ＿BW ＿RSP（IMEIi，BSID）轉發給BS；

（10）BS利用IMEIi，以廣播的形式發送VHO＿BW＿RSP（IMEIi）通知 MSi；

（11）MSi轉接到Node B，切換完成。

MS從UMTS網絡向WiMAX網絡移動切換時的資源分配可以同理得出。

OS業務的資源分配流程相對簡單，圖4為發生在WiMAX網絡中的資源分配流程（發生在UMTS網絡中的可以同理得出）：

（1）MSj向BS發出資源申請BW ＿REQ（IMEIj）；

（2）BS將自己的BSID封裝到該申請中，并產生BW＿REQ（IMEIj，BSID）發送給 WiMAX＿RMC；

（3）WiMAX＿RMC收到BW ＿REQ（IMEIj，BSID）后，立即進行資源估算，若資源充足的話，分配資源給MSj；

（4）WiMAX＿RMC發送 BW ＿RSP（IMEIj，BSID）給BS；

（5）BS收到BW＿RSP（IMEIj，BSID）后，產生BW＿RSP（IMEIj）在蜂窩小區內廣播；

（6）OS業務開始。

圖4 WiMAX中新發起業務的資源分配流程

從圖3和圖4可以看出，切換時MS除了要向VN申請帶寬外，還要申請切換，VN中的RMC可以從到達的消息中甄別出哪些屬于VHOS業務，哪些屬于OS業務，并為VHOS業務賦予高的優先權。

考慮到中斷進行中的切換業務比拒絕新業務接入請求給用戶帶來的不舒適感要大得多，因此設定：系統優先滿足VHOS的資源，保證進行中業務的QoS；在滿足全部VHOS后，再將剩余資源分配給OS；當資源不足以分配時，FN將拒絕所有的業務。

4 仿真及結果分析

為了更好地考察本文算法的性能，和公平性資源分配策略（fairness resource assignment scheme，FRAS）進行了對比：應用FRAS時，圖1中的RMC沒有優先權確定功能，RMC根據先到先服務 FIFS（first in first service）的原則處理所有請求，VHOS和OS具有相同優先權；當資源不足以分配時，FN將拒絕所有的業務。

仿真是在NS2下完成的。仿真時，考察的兩個蜂窩小區分別隸屬于WiMAX網絡和UMTS網絡，蜂窩小區半徑為1400米兩個蜂窩小區部分重疊，重疊部分最大處為400米，Node B和BS都位于蜂窩小區中央。圖5是仿真場景。

圖5 仿真場景

MS在蜂窩小區中任何位置都可發起OS申請資源；逐漸離開當前蜂窩小區的MS在離蜂窩小區邊緣200米時會觸發VHOS。每個蜂窩小區中各隨機分布著50臺MS，OS的到達率記作λOS，VHOS的到達率記作λVHOS。仿真時的主要參數見表1。

由于呼損率反映了通信網絡的服務等級。工程上根據服務區域的特征將服務區域分為重點區域和非重點區域，對應的呼損率分別是2%和5%。仿真時，首先考察了應用GRAS的網絡中呼損率是否合理。此處的呼損率有別于文獻 ［13］的研究對象，本文研究的兩種業務均屬于分組業務，呼損率指的是不成功的帶寬申請次數占總的帶寬申請次數的比例。

從圖6可以發現當發起資源請求的MS數量不超過15時，呼損率為0；當請求資源的MS數量介于15～25之間時，呼損率隨著MS數量的增加緩慢增長；當請求資源的MS數量大于25時，呼損率上升較快，最高時達到了4%左右。這說明提出的GRAS策略在呼損率方面符合工程上的要求。

接著，對比了GRAS策略和FRAS在資源利用率方面的性能。

表1 仿真主要參數

圖7顯示，FRAS策略中，隨著發生業務MS數量的增加，資源利用率同步增長；在MS達到25左右時，資源利用率的增長趨于平緩，最后穩定在77%左右。提出的GRAS策略的資源利用率在MS數量不大于15時，整體性能和FRAS策略差不多；但當MS數量超過15時，資源利用率的曲線斜率更陡；在MS數量達到25左右時，增長趨于平緩，最后穩定在90%左右，比FRAS策略要高13%左右。

這是因為在FRAS策略中，當VHOS的業務請求和OS的業務請求同時到達RMC時，如果此時系統中可分配資源不足以滿足全部請求的話，所有的請求都被拒絕了。而在不公平性資源分配策略中，當VHOS的業務請求和OS的業務請求同時到達RMC時，如果此時系統中可分配資源不足以滿足全部請求的話，但是可以滿足VHOS，RMC將分配資源給VHOS，從而提高了系統的資源利用率。圖8是兩者分組丟失率的對比。

圖8 GRAS和FRAS分組丟失率的對比

圖8的結果顯示，GRAS策略的分組丟失率比FRAS策略要低14%左右。經分析，其中原因與資源利用率相同：當可用資源不足以同時滿足VHOS業務請求和OS業務請求時，VHOS業務請求在FRAS策略中可以優先獲得資源，因此，分組丟失率要低。

5 結束語

多種無線通信網絡共存的異構網絡是當今及以后移動通信發展的一大趨勢。當移動臺當前網絡變化時，必將造成非切換業務和由此觸發的切換業務通過競爭資源來保證各自的QoS。本文提出了一種基于貪婪的資源分配策略，通過賦予異構網絡中VHOS業務更高優先權來提高進行中業務的QoS。仿真結果表明，該策略不但可以將呼損率控制在正常水平，而且，與公平資源分配策略相比，該策略可以將資源利用率提高約13%，分組丟失率降低了14%左右。

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