基于傳輸速率自適應的動態帶寬分配算法初探

趙一民

北京中網華通設計咨詢有限公司，北京 100070

一直以來，國內的網絡帶寬資源都十分緊缺。伴隨著網絡技術的發展，新一代帶寬接入網得到了建設，網絡數據傳輸也開始由單一數據傳輸轉變為圖像、語音等綜合信息的傳輸，對服務質量提出了更高要求。而想要確保網絡的帶寬得到合理分配，還要采用能夠對傳輸速率進行自適應的動態帶寬分配算法，繼而使用戶可以實現網絡帶寬資源的共享。

1 帶寬分配體系架構

在帶寬接入網的過程中，需要同時提供包含實時業務在內的各種業務的高速傳輸服務。不同于普通數據傳輸，實時業務傳輸對服務質量QoS有較高的指標要求。作為端到端網絡的一段，多鏈路帶寬接入網需要具備相應QoS保障能力，即要提供更好的帶寬控制和支持多鏈路帶寬接入業務[1]。

2 帶寬分配方法及問題分析

在帶寬分配方面，目前主要可以采用靜態和動態兩種帶寬分配方法。采用靜態方法，需要對各業務傳輸速率進行比較，然后為業務分配固定數量帶寬。靜態分配分為按峰值速率分配和按平均速率分配2種，前一種方法由于無法達到業務傳輸峰值速率，容易導致帶寬資源利用率過低，后一種則容易出現無法滿足高優先級業務服務質量要求的問題。采用動態帶寬分配方法，可以對網絡中閑置的帶寬資源進行回收利用，將資源動態分配給各類等待的業務，并結合各業務QoS需求進行信息反饋，實現帶寬的動態調整，因此更能滿足新一代帶寬接入網的帶寬分配要求。但是就目前來看，現階段采用的動態帶寬分配法是通過窗口大小或速率快慢對各類業務進行適宜帶寬資源的分配，需花費較長時間才能對帶寬分配進行調整，容易導致數據分組出現較大時延，加重系統傳輸負擔[2]。而在異構網絡中，帶寬分配將對用戶傳輸速率產生直接影響，因此需要結合網絡負載狀態對各移動終端支持業務傳輸速率進行快速調整，才能使各網絡間的業務分流得以迅速完成，繼而滿足網絡傳輸需求。

3 基于傳輸速率自適應的動態帶寬分配

3.1 優先級的劃分

結合上述問題，可以采用基于傳輸速率自適應的動態帶寬分配算法進行帶寬分配，確保異構網絡中的帶寬資源得到高效利用。采用該種算法，首先需要對優先級隊列問題進行考慮，完成傳輸業務優先級合理劃分。具體來講，就是要將本地用戶組和代理用戶組進行區分，用相應集合進行表示，完成網絡中多個用戶組的劃分。針對本地注冊用戶，還要利應相應網絡為其提供業務傳輸服務，而代理用戶可以在利用專用網絡進行業務傳輸的同時，利用注冊用戶網絡進行業務傳輸。針對任意移動端，則要有限提供服務，確保移動端傳輸速率需求得到最先滿足。而在移動端的業務中，也需要完成優先級劃分。結合各業務QoS決策因子個數，則能確定業務QoS影響重要性，確定業務優先級。將業務優先級決策因子比較數值列成相應的矩陣，然后進行矩陣最大特征向量的計算，則能得到決策因子加權值。根據權值大小，則能對各業務的傳輸優先級順序進行排列。針對用戶組，則可以按照對應的用戶傳輸優先級決策規則進行優先級劃分。

3.2 最優帶寬分配

在異構網絡中，移動端向網絡發送帶寬集中控制單元進行服務請求的發送后，控制單元可以獲得終端形態、業務等級，帶寬需求等信息，然后進行適合帶寬的分配。在確定業務移動端在網絡中傳輸速率后，發揮網絡多宿主功能，對所有終端進行帶寬分配，同樣需要完成最優帶寬分配矩陣的建立。根據矩陣，可以確定網絡中某個帶寬資源對業務移動終端傳輸頻譜效率。結合網絡容量和傳輸信噪比等要求，可以確定可分配矩陣的約束條件。采用無線接入網，則能為移動終端分配帶寬資源。對各網絡效用進行疊加，則能完成整個網絡效用計算。在總的傳輸速率QoS需求和容量約束下，可以對網絡中各移動終端支持的業務傳輸速率進行確認，實現帶寬重分配，使網絡效用最大化[3]。

3.3 動態優化分配

通過上述分析可以發現，傳輸速率自適應的動態帶寬分配其實為動態優化迭代分析過程，可以通過不斷迭代得到最優的帶寬分配矩陣，確保網絡效用函數得到最大化。按照這一思路，可以先將兩類用戶組按照傳輸速率要求進行降序排列，然后結合網絡可用帶寬資源進行網絡升序排列，將可用帶寬優先分配給本地用戶組，確保其中最大傳輸速率需求能夠得到滿足。在通信環境和位置發生變化后，網絡負載將出現動態變化，促使業務請求發生改變。結合網絡容量要求，需要對動態優化迭代算法中if條件進行逐次執行，確保傳輸速率動態調整可以實現，繼而實現帶寬自適應分配。因此在傳輸速率自適應調整過程中，帶寬動態分配優化其實為一個優化步驟，還要按照偽代碼進行迭代分析。采用迭代算法，則能獲得最優的帶寬重分配矩陣，繼而達到網絡效用最大化的目標。

3.4 算法仿真分析

為確定算法效果，還要利用仿真軟件進行算法實現。利用IEEE 802.16e WMAN、IEEE 802.11b WMAN和移動蜂窩網絡則能得到異構網絡，網絡容量分別為20、15和2MBit/s，網絡中用戶數量分別為40、0～60、3。在該網絡中，包含多模移動終端，需要進行多個無線空中接口的設置。在網絡重疊覆蓋區內，各終端擁有多宿主功能，可以利用多個無線網進行業務承載。在移動網絡不在網絡覆蓋區域內的情況下，網絡傳輸速率將為0。在實際分析過程中，需要設定三個業務，業務傳輸速率為1024、512、256kbit/s，傳輸頻譜效率為1.5、2、1，傳輸優先級分別為三級、二級和一級。按照算法，需要根據提出的傳輸速率進行動態帶寬分配，實現帶寬動態優化迭代分析。

圖1 各網絡帶寬分配仿真效果圖

如圖1所示，為仿真分析結果。結合分析結果可知，在無線網絡用戶數量不斷增加的情況下，帶寬分配向量會隨之改變，促使各網絡給用戶分配的帶寬發生變化。在無線網絡中的用戶數量達到29時，用戶分配得到的帶寬會隨之減少，僅能為傳輸速率較低的業務提供支持，而節省下的帶寬則用于為新增加用戶提供數據傳輸支持。在無線網絡用戶數量提升至34的情況下，網絡容量已經較高，網絡對用戶傳輸速率服務質量需求進行了降低，確保有足夠帶寬為新增用戶提供業務傳輸服務。在無線網絡用戶數量持續增加時，各網絡都會對用戶業務傳輸速率對服務質量的需求進行降低。因此在異構網絡中，用戶數量的增加，將導致網絡帶寬分配發生調整，確保整個網絡能夠通過降低傳輸速率需求實現網絡帶寬資源的共享。

4 結語

通過研究可以發現，在網絡帶寬分配方面，采用傳輸速率自適應的動態帶寬分配算法，能夠在對帶寬資源進行高效利用的同時，使用戶和各類業務間的公平性得到兼顧，確保業務得到適宜的帶寬資源分配，從而使以往動態帶寬分配遭遇的困難得到解決。因此相信在新一代網絡建設的過程中，該種帶寬分配算法能夠得到較好的使用。