一種動態帶寬資源預留分配鏈路接入控制算法*

郭小雪 ，秦 勇

（1.廣東石油化工學院 理學院，廣東 茂名 525000；2.華南理工大學 計算機科學與工程學院，廣東 廣州 510641；3.廣東石油化工學院 教育信息技術中心，廣東 茂名 525000）

在寬帶接入網和多媒體業務不斷發展的環境下，各種各樣的流媒體業務應用在接入網中占用了越來越大比例的帶寬，網絡的業務模型也發生了變化，并且流媒體業務對服務質量（QoS）要求相對較嚴格[1]。如何適應各種各樣的流媒體業務的服務質量要求并提供高效的資源利用率是寬帶接入網中的資源調度算法所面臨的新挑戰[2]。

保證應用業務流性能的前提是為其分配足夠的帶寬資源。因此，資源預留是在Internet中提供服務質量的重要機制之一。在數據傳輸前，系統首先檢查是否有足夠的帶寬資源滿足業務流的服務質量要求，并做出是否允許進入網絡的決定，這是接入控制。

由于寬帶接入網的帶寬總容量是有限的，當帶寬容量己處于飽和狀態時，新發起的業務流連接將無法得到服務質量保證，因此，系統必須采取有效的接入控制策略，使得各類業務的QoS在獲得保證的同時，盡可能為更多的用戶提供服務。接入控制過程是根據系統的實際可用帶寬容量和業務優先級決定是否接受新到達的業務流連接請求，從而控制系統中通信連接的數量，使系統的負載在一個比較穩定的水平[3]。

1 相關研究

目前部分寬帶鏈路接入系統采用的是基于帶寬請求的固定資源預留鏈路接入控制算法[4]，該類算法首先計算系統的剩余可用帶寬，若新的鏈路接入請求帶寬小于或等于系統的剩余可用帶寬，則允許該鏈路接入，否則就拒絕該鏈路接入。該類算法實現簡單、運算高效，在用戶數量少、帶寬充足的網絡環境下能起到一定的效果。但是，隨著網絡規模的擴大，該類算法不能隨系統狀態和新到達業務需求變化而變化，導致用戶鏈路接入成功率降低，而且系統總帶寬利用率不高，浪費了寶貴的帶寬資源，因此目前主要的研究方向為動態的資源預留算法[5]。

[6]提出的算法是根據業務流的特點動態預留資源，在該算法中，實時性要求較高的業務被優先進行處理，優先級低的非實時業務則被盡力而為服務進行處理，該算法考慮了業務的優先級，提高了系統容量。參考文獻[7]提出了一個QoS自適應的資源預留機制，考慮了多媒體業務QoS需求的動態適應性。當系統可用資源不足時，將最低優先級和最不可能使用的預留資源釋放出來，增大系統的可用資源。參考文獻[8]提出一種面向多媒體業務的動態分組預留機制，該方法對接入鏈路的到達進行估計，根據到達時刻落在不同的時間段內，將用戶鏈路分成不同的組，資源面向不同的組進行預留，提高了資源預留成功的概率。

本文提出了一種動態帶寬資源概率預留鏈路接入控制算法 （DBRRA），該算法基于概率為系統中不同接入點上的不同業務預留帶寬，并且根據帶寬預留接入控制算法為新到達的業務流提供接入和QoS保證。通過對比基于帶寬請求的固定資源預留鏈路接入控制算法（BRLAC），實驗證明本文算法有較高的接入成功率、系統帶寬利用率和較好的時延特性。

2 算法分析與設計

多鏈路寬帶接入網絡支持語音、數據和視頻等業務，接入點支持的業務具有多樣性和隨機性，并且每一種業務流的發送速率也是隨時間隨機變化的，因此，本文采用基于概率來設計帶寬資源預留接入控制方法。

帶寬的分配是針對每一個接入點內不同業務的帶寬請求，根據當前系統的帶寬資源使用情況和各種業務的QoS需求，將為該接入點分配的總帶寬授予這個接入點，接入點收到帶寬授權后，依據當前各個業務的QoS需求，在接入點內部再次進行帶寬分配。因此，從執行帶寬預留的中心調度系統側來看，應該以接入點為單位進行帶寬預留分配。

2.1 基于概率的帶寬預留分析

設整個寬帶接入系統內共有i個接入點APi（i=1，2，…，m），φi為接入點 i的權重系數，并且滿足：

設系統支持 j種業務類型（j=1，2，…，n），ωj為業務j的權重系數，并且假設各業務的權重系數滿足：ω1≥ω2≥…≥ωn，即高優先級業務的權重系數大于低優先級業務的權重系數。

對于為接入點i預留帶寬的概率，它等于接入點i上各類業務預留帶寬概率的總和，而且還要考慮接入點i在系統內的權重系數，因此，系統為接入點i預留帶寬的概率可以表達如下：

設Bsystem為系統的總可用帶寬，為接入點預留的帶寬分別為接入點 i上 j類業務的請求帶寬、預留帶寬和實際分配帶寬。那么，對于接入點i需要預留帶寬的大小，等于系統的可用帶寬和接入點i預留概率的乘積，也等于接入點i上各類業務預留的帶寬的總和，因此可以得到：

2.2 基于帶寬預留的接入控制算法設計

本文提出的DBRRA算法的思想是：系統首先通過概率計算接入點上為業務流預留的帶寬，當業務流到達接入點并請求帶寬時，系統對比業務流的請求帶寬和預留帶寬，若請求帶寬小于預留帶寬，則接受業務流；若請求帶寬大于預留帶寬，則暫時不接受業務流，轉到判斷業務流和其他業務流的優先級。計算其他比業務流優先級低的業務是否有空閑預留帶寬，若有，則從低優先級的業務借用空閑預留帶寬，若借用后能夠滿足業務流的請求帶寬，則接受業務流，否則拒絕接入。算法具體步驟如下：

3 仿真實驗及結果分析

3.1 仿真實驗環境及對比指標設計

為了評估DBRRA算法的性能指標，本文基于OPNET Modeler建立仿真模型，仿真實驗環境中包括50個接入點，每個接入點連接的鏈路的固定時延為2 ms，最大傳輸速率為100 Mb/s，系統的總可分配帶寬為100 Mb，產生的流量包含3種不同優先級的業務流，并且假設每個鏈路業務流接入到達接入點的時刻、請求帶寬都是服從平均分布的隨機變量。評估的主要方法是將DBRRA算法與基于帶寬請求的固定資源預留鏈路接入控制算法（BRLAC）進行比較，主要對輕負載情況下和重負載環境中的以下3個方面的性能指標進行比較：

（1）新業務流接入成功率。該指標表示新發起的業務流請求接入成功數與業務流請求接入總數的比率。

（2）系統帶寬資源利用率。該指標表示網絡中各種業務流使用的帶寬資源綜合與系統所能提供的總的可用帶寬資源之比。

式中： tr——發射信號與回波信號之間的時間差；k——回波的衰減系數；R——目標與雷達間的距離；c——電磁波傳播速度。

（3）時延。即鏈路端到端數據傳輸的時延監測。

3.2 仿真實驗結果分析

圖1和圖2表示在不同負載情況下的接入成功率比較。由圖1可以看出，在業務流請求數比較低，大約少于100時，由于業務流請求數少且系統的可用剩余帶寬較充足，因此，在輕負載情況下DBRRA算法與BRLAC算法的接入成功率較為接近，兩者相差約3%。由圖2可以看出，隨著業務流請求數不斷增大到1 000，系統的剩余可用帶寬不斷減少，由于BRLAC算法部分較大帶寬資源請求的業務流無法得到全部保證帶寬，導致無法接入，接入成功率下降較快，而本文DBRRA算法對每個接入點的不同業務進行了帶寬資源預留，并且允許從其他空閑業務流動態調整帶寬分配，使得較多的業務流仍然可以接入，成功率相對BRLAC算法有較好的性能提高。

圖1 輕負載情況下接入成功率比較

圖2 重負載情況下接入成功率比較

圖3和圖4表示在不同負載情況下系統總帶寬利用率的比較。由圖3可以看出，在輕負載情況下，由于系統剩余可用帶寬比較多，大部分業務流的帶寬能得到滿足，隨著業務流接入數的增加，DBRRA算法與BRLAC算法的平均系統帶寬利用率基本呈線性增長關系，DBRRA算法比BRLAC算法的平均系統帶寬利用率大約只高2%。圖4表示在重負載情況下，由于業務流到達時刻、離開時刻和請求帶寬大小不同的隨機性，BRLAC算法不能滿足部分有較大帶寬請求的業務流而拒絕該業務流接入，同時，由于某些業務流服務完畢釋放帶寬，因此導致系統的剩余可用帶寬較多，平均系統帶寬利用率最高只能維持在83%左右；DBRRA算法由于保持較高的接入成功率，并且為鏈路預留的帶寬可以重新分配給新接入的高優先級的業務流，系統總帶寬利用率可以達到約96%，在重負載情況下比BRLAC算法提高約10%的性能。

圖5和圖6分別表示在輕負載和重負載情況下系統中數據包的傳輸時延對比。由圖5可以看出，輕負載情況下由于系統剩余帶寬較多，DBRRA算法與BRLAC算法控制的業務流處于非擁塞狀態，相鄰數據包的在緩沖區中的排隊等待時間基本相同，系統處理時延隨著業務流的數量增加稍為增大，數據包的端到端時延呈平穩趨勢，總體上DBRRA算法與BRLAC算法在輕負載情況下時延性能相差不大。圖6表示隨著業務流的不斷增加，在重負載情況下，系統處于擁塞階段，鏈路不斷有數據包排隊，隊列不斷加大，數據包的端到端時延也同時加大，由于BRLAC算法不區分不同優先級的業務流，隨著高優先級業務流帶寬請求的變化，部分高優先級的業務流無法得到服務質量保證，平均時延比DBRRA算法上升得快。

圖3 輕負載情況下系統帶寬利用率比較

圖4 重負載情況下系統帶寬利用率比較

圖5 輕負載情況下時延比較

寬帶接入網多媒體業務應用的日益豐富需要合理利用網絡資源，并在網絡中進行有效的接入控制機制才能消除網絡擁塞和保證業務的服務質量。本文針對寬帶接入網中不同的業務流提出了基于概率預留的帶寬分配機制，并設計了相應的業務流接入控制算法。該算法可以根據業務優先級從其他比其優先級低的業務調用空閑預留帶寬，改善了系統帶寬資源利用率。未來的研究工作主要在本文的基礎上基于時延限制進行帶寬分配調度研究。

圖6 重負載情況下時延比較

參考文獻

[2]馬宏偉，葛敬國，秦松，等.基于速率測量的資源預留速率調整機制[J].計算機工程，2010，36（13）：242-244.

[3]伍仁勇，朱光喜.無線網絡一種新的基于實測的呼叫接入控制算法 [J].小型微型計算機系統，2007，28（4）：615-618.

[4]戴新發，徐火生，陳鵬，等.基于分布策略的微移動資源預留方案[J].計算機工程，2008，34（15）：114-116.

[5]ALI S H，LEE K D，LEUNG V C M.Dynamic resource allocation in OFDMA wireless metropolitan area networks[J].IEEE Wireless Communications， 2007，14（1）：6-13.

[6]Huang Lei， KUMAR S， KUO C C J.Adaptive resource allocation formultimedia QoS managementin wireless networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2004，53（2）：547-558.

[7]Wang Ming， KUO G S.A QoS-adaptive resource reservation scheme for MPEG4-based services in wireless networks [C].Proceedings of2005 IEEE International Conference on Communications （ICC 2005）， 2005 （5）：3261-3265.

[8]KOWN T，CHO D H.Quasi-dedicated access scheme for uplink real time services in future wireless communication systems[C].ProceedingsofIEEE VehicularTechnology Conference， 2005：3117-3121.