基于用戶QoS的網絡資源分配策略研究

（中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510064）

0 引言

無線異構網絡作為5G 網絡的典型架構，通過整合宏基站、微基站、家庭基站等方式來實現網絡資源的共享，以應對通信用戶對網絡時延、速率等QoS 指標的要求。眾多學者開展了異構無線網絡資源分配的策略研究，Han 等人[1]提出一種以網絡頻譜資源為優化目標，采用功率自適應算法來對網絡能效和帶寬進行折中分配，從物理層面對網絡頻譜資源和功率進行折中優化；Gong 等人[2]提出一種網絡容量最大化和系統功耗最小化的多目標優化算法，并通過凸理論對優化問題進行求解，最終實現網絡資源聯合分配策略；Gardellin 等人[3]在頻譜資源共享的場景下，提出了合作信道接入策略的方式以獲得網絡最大吞吐量性能；Asif 等人[4]采用博弈的方法來實現異構網絡共享頻譜資源的信道分配策略，結論表明，該策略很好地滿足異構認知網絡的特性；張強[5]以認知無線網絡的動態資源管理為背景，提出了頻譜資源分配策略和負載均衡的路由算法，通過獲取用戶對信道的歷史占用信息，為用戶動態分配合適的信道，以期提高系統的總體公平性；張蒙晰[6]提出了一種基于用戶滿意度的聯合優化策略，該策略以用戶的滿意度出發，將用戶的滿意度和速率代價為優化目標，試圖建立盡可能在滿足用戶滿意度的基礎上，盡量降低網絡的頻譜和能效的多目標優化模型。

從上述研究可知，網絡資源分配的研究從網絡性能角度開始傾向用戶滿意度角度。在考慮用戶業務需求的差異性前提下，通過用戶獲得的網絡服務質量的角度來分配網絡資源，對異構網絡性能進行優化，以此提升網絡資源的利用率。本文從這一思路出發，提出基于用戶QoS 角度的網絡資源優化分配策略模型。該模型在對實時業務等級和非實時業務等級劃分的基礎上，提出基于業務QoS 等級（傳輸速率、丟包率和時延抖動）的網絡優先節點自主控制策略，選取優先節點的比例、網絡效能、頻譜效率、網絡容量為網絡狀態評價的參量，建立貝葉斯模型對當前網絡狀態進行評價，通過學習推理，指導網絡優先節點的控制決策，實現網絡信道的優先分配。

1 基于用戶QoS的網絡分配策略

1.1 基于用戶業務的QoS等級劃分

網絡QoS 參數包括業務的傳輸速率、丟包率和時延抖動[7]，根據用戶使用的業務對QoS 參數需求的差異，將用戶業務劃分為實時業務和非實時業務[8]。實時業務對傳輸速率和時延抖動要求較高，對丟包率要求較低；相反，非實時業務對對傳輸速率和時延抖動要求較低，對丟包率要求較高。根據用戶對QoS 參數的需求，對每一個業務對傳輸速率、丟包率和時延抖動的要求進行標識。當節點i 承載某一個QoS 標簽的業務時，網絡控制節點將結合節點當前的QoS 標簽和當前網絡的性能，確定節點i 是否會被選取為優先節點，在信道分配時可將最佳信道優先分配為優先節點。

因此，采用網絡QoS 參數劃分用戶的業務等級，其QoS 標簽并不一定是劃分優先節點的標準，僅僅作為一個備選優先等級的依據。在判決節點優先等級時，需要考慮當前網絡性能和劃分等級后的網絡性能的變化。

1.2 基于QoS等級的優先節點自主選取

基于QoS 等級的優先節點選取是根據動態的網絡狀態進行判斷，如果網絡出現不平衡的狀態，將根據當前的網絡狀態值選擇或者剔除；相反，如果網絡處于平衡的狀態時，那么就維持現狀。基于QoS 等級的優先節點自主選取流程圖如圖1 所示：

圖1 基于QoS等級的優先節點自主選取

圖1 展示基于QoS 等級的優先節點自主選取流程，具體為：

第一步：根據用戶的地理位置和業務需求，上報節點i 承載的業務QoS 標簽。QoS 標簽對傳輸速率、丟包率和時延抖動要求是有差別的。一般來說，實時業務的QoS 標簽比非實時業務的QoS 標簽值小，標簽值越小的標簽，其QoS 優先級越高。

第二步：統計現有網絡性能信息，包括網絡容量、頻譜資源效率以及能耗等指標信息。

第三步：結合業務最低QoS 標準（速率、丟包率、時延抖動）和運營商網絡性能要求（容量、資源利用率、能耗）識別當前網絡性能的狀態。

第四步：結合現有網絡性能信息、業務最低QoS 標準和運營商網絡性能要求，采用貝葉斯模型判斷當前網絡狀態。如果當前網絡狀態處于平衡（當前時刻QoS 指標值近似等于業務標準），那么就保持當前優先節點的數量；否則，判定為非平衡狀態。

第五步：非平衡狀態的處理。非平衡狀態的處理包括兩種情況：（1）當前時刻QoS 指標值低于業務標準，那么需要逐個增加優先節點，直到QoS 指標達到業務標準，且當前業務容量、整體網絡資源利用率、能耗達到最低要求；（2）當前時刻QoS 指標值高于業務標準，那么需要逐個刪除優先節點，直到QoS 不低于業務標準，且當前業務容量、整體網絡資源利用率、能耗達到最低要求。

第六步：更新優先節點數量并輸出優先節點集。本文考慮到用戶使用業務以及優先節點選取的隨機性，將在下一小節詳細闡述基于貝葉斯的網絡狀態評價模型的實現過程。

1.3 基于貝葉斯的網絡狀態評價模型

貝葉斯網絡通過有向無環圖來刻畫各屬性之間的依賴關系以此來推理屬性之間的因果關系，采用條件概率來描述屬性之間的聯合概率分布，解決屬性之間的隨機、不確定關系。因此，本文采用貝葉斯網絡來描述具有隨機性移動通信網絡狀態。

由于用戶使用業務在時空上具有一定的隨機性，因此，各節點承載不同的QoS 要求的業務也具有一定的隨機性[9-10]。在不同的時間段，各個節點承載業務的網絡狀態、業務的QoS 要求以及網絡容量會發生變化[11-12]，各節點被選為優先節點也具有隨機性。因此，本文采用貝葉斯模型來解決網絡狀態隨機性的問題，基于貝葉斯的網絡狀態評價模型如圖2 所示：

圖2 基于貝葉斯的網絡狀態評價模型

如圖2，根據當前時刻優先節點數量以及所分配的信道情況，結合當前承載業務的節點信息進行QoS 指標信息的統計，得到當前時刻的網絡狀態。網絡狀態有3 種：當前QoS 指標低于、近似等于、高于業務標準。第一種和第三種狀態統稱為不平衡的網絡狀態，第二種狀態稱為平衡網絡狀態。針對不平衡的網絡狀態，需要基于現有的知識庫，采用貝葉斯模型推理當前時刻優先節點選擇策略，對節點進行調整，力求在運營效益和業務性能要求兩方面實現平衡。如果當前時刻QoS 指標值低于業務標準，那么采用逐個增加優先節點的方式對網絡狀態進行調整，直到QoS 指標達到業務標準，且當前業務容量、整體網絡資源利用率、能耗達到運營最低要求；相反，如果當前時刻QoS 指標值高于業務標準，那么采用逐個減少優先節點的方式對網絡狀態進行調整，直到QoS 指標不低于業務標準，且當前業務容量、整體網絡資源利用率、能耗達到運營最低要求。基于上述的推理，確定優先節點數量更新，并以此作為知識更新到下一時刻的知識庫中。同理，在下一時刻，網絡根據當前時刻的優先節點數量和信道分配的情況判斷當前的網絡狀態，結合該時刻知識庫，采用貝葉斯網絡確定優先節點選擇策略，確定優先節點數量的更新，如此不斷循環，形成一個優先節點數量不斷完善的網絡優先節點選擇策略。

在這里，需要對當前時刻知識庫的運作情況進行說明。該知識庫的運作過程包括獲取當前是時刻網絡狀態數據獲取、QoS 指標值選擇、QoS 指標解析3 大模塊。

網絡狀態數據獲取，是根據當前業務所在的信道情況，對影響網絡狀態的指標，如：速率、丟包率以及時延抖動等指標的實時獲取。

QoS 指標值選擇，基于數據庫的選擇模塊，篩選出基于業務種類和數量規則的QoS 指標。

QoS 指標解析，基于當前的業務種類和數量，計算滿足用戶業務需求的QoS 指標值，也就是將當前時刻業務特征的QoS 指標知識放進知識庫中，重新計算當前業務特征的QoS 指標，以保證QoS 指標解析的正確性。

1.4 優先節點的信道分配策略

優先節點的信道分配策略遵循優先級高低進行擇優分配策略。也就是，如果節點的優先級較高且節點所擁有的信道數量小于底線，那么優先級較高的節點優先從可用信道集合中選擇容量最大的信道；相反，如果節點的優先級較低且節點所擁有的信道數量小于底線，那么優先級較低的節點則要等待優先節點信道分配結束后才能選擇信道。為了保證網絡信道分配的公平性，在第k次分配中，從QoS 標簽排序為k的節點開始，到第k-1 個節點結束。

2 實驗分析

本文仿真的網絡環境是在廣州市某區5 km×5 km 的范圍內，該范圍隨機部署1 000 個節點，該節點擁有帶寬1 MHz 的正交信道20 個。

為了對比不同策略的網絡性能，將基于信道容量的信道資源分配策略與基于用戶QoS 的網絡資源分配策略進行網絡性能對比。按照該區實時業務的使用頻率和數量，將優先節點的數量設置的閾值定為5%—10%范圍內。

（1）網絡總容量的對比

如圖3 所示，隨著使用節點數量的增加，無論是基于用戶QoS 的網絡資源分配策略還是基于信道容量的信道資源分配策略，網絡總容量不斷增加。隨著頻譜資源的利用率增加，網絡的平均容量不斷降低。這是因為隨著節點數量的增加，更多的優質信道會被選中，資源得到充分利用。由于基于用戶QoS 的網絡資源分配策略考慮了用戶使用業務的QoS 指標，也就是針對節點i 承載的業務對傳輸速率、丟包率和時延抖動要求，優先從信道集合中容量最大的信道作為傳輸信道，因此，不僅滿足用戶使用業務的QoS，還能有針對性應對該地區實時業務的需求，提升總體的網絡容量。

圖3 網絡總容量對比

（2）網絡公平性的對比

如圖4 所示，隨著使用節點數量的增加，無論是基于用戶QoS 的網絡資源分配策略還是基于信道容量的信道資源分配策略，網絡公平性不斷增加。隨著頻譜資源的利用率增加，網絡公平性在逐漸降低。這是因為隨著節點數量的增加，更多的信道可以被選中，因此，網絡公平性相對提升。由于本文的方法在每一輪信道的分配過程中，跟基于信道容量的信道資源分配策略相比是有區別的：在第k次分配中，從QoS 標簽排序為k的節點開始，到第k-1 個節點結束。這種分配策略能夠保證排名第k名的節點在第k輪的信道分配時，能夠優先選擇可用信道集中性能最好的信道，因此在一定程度上保證網絡信道分配的公平性。

圖4 網絡公平性對比

從上述實驗結果可知，可用信道和業務QoS 的感知和檢測都能在一定程度上提升頻率資源的利用率，在滿足用戶最低QoS 的情況下，合理控制優先節點選取可用信道策略有利于提升頻譜利用率。

3 結束語

本文在5G 異構網絡的架構上，介紹一種基于用戶QoS 的網絡資源分配策略，該策略是在兼顧收益和實時業務QoS 的需求，利用貝葉斯網絡推理當前優先節點的選擇策略，然后基于確定的優先節點和節點自身擁有的信道數量，從可用信道集合中選擇容量最大的信道。實驗證明，該策略與基于信道容量的信道資源分配策略相比，無論在網絡總體容量還是在網絡公平性上，都具有良好的表現，而且基于用戶QoS 的網絡資源分配策略考慮了用戶的QoS 指標，能夠更好滿足異構網絡的實際需求。