基于ZIPF分布的多址通訊快速動態信道分配方法

陳捷潔

(福州理工學院 移動通訊和物聯網福建省高校工程研究中心，福建 福州 350000)

目前，在通信技術中，無線網絡技術已經趨于成熟，在人們的日常生活中隨處可見，但是在外界環境的影響下，無線傳輸過程中兩個傳輸節點之間傳輸的能量會不斷衰減，很難保持穩定狀態[1-3]。為解決這一問題，目前大多使用中繼AP支持相距較遠的節點之間通訊，這種技術自適應性能好，是近幾年的熱門研究對象。在對無線網絡的研究中，信道的分配是一個重點，以WiFi為例，越來越多的設備支持WiFi網絡的連接，提高了對多用戶、多信道的需求，但是在多信道的情況下，依舊存在信道分配不均、信道重疊的情況[4-6]。

現階段，很多無線網絡通訊中真正正交的信道只有少數，其他的信道之間會出現重疊、干擾等情況，造成無線網絡通訊的吞吐量降低，信道性能嚴重下降[7]。因此，國內外學者逐漸將研究重點放在了對多址通訊信道的分配上，以規劃頻譜資源、減少信道間干擾為目的，從信道分配方面提高無線網絡的整體性能。現有資料顯示，很多信道分配方法將研究重點集中在降低信道干擾方面，忽略了其他因素對信道的影響[8]。如文獻[9]在軟件定義網絡架構的基礎上提出了一種適用于空基網絡業務傳輸的動態信道分配算法，將數據面與控制面分離，實現了動態規劃時隙分配。該方法在分配過程中，將數據面和控制面分離，實現動態時隙分配，有效地調整了信道分配，但是忽略了鏈路調度對信道的限制，導致其工作效率隨著時間逐漸降低。文獻[10]針對異構VLC/WiFi網絡的多接入點布局的信道干擾問題，提出了改進遺傳算法的干擾抑制子信道分配方案。該方案依據VLC信道質量狀況，為用戶決策接入網絡。該方法雖然有效地抑制了信道間的干擾，但是同樣忽略了鏈路調度對信道分配的影響。針對上述問題，提出基于ZIPF分布的多址通訊快速動態信道分配方法，在設計中改善上述研究中的存在的運行效率問題。

1 基于ZIPF分布的多址通訊快速動態信道分配方法設計

1.1 平衡多址通訊數據項

在多址通訊環境中，以多個信道和接入點的數據項訪問頻率作為輸入，假設共有M個數據項、N個信道，依據訪問頻率，將多個數據項降序排列。假設按照ZIPF分布將所有數據項分配到N個信道中，計算m=N的ZIPF分布[11]。計算公式如式(1)所示。

(1)

公式(1)中，β表示N個信道的最優調度序列。從數據項ci開始，依據數據項排列順序，將每個數據項與對應的信道實現一一對應，每個數據項分配結束的判斷依據是，信道Ui的累積訪問頻率與Qi大小的判斷，當累積訪問頻率大于Qi，則開始下一個數據項的分配，直到分配完第UN-1個信道后，完成對多址通訊數據項的平衡。

1.2 計算鏈路優先級

在數據項達到平衡后，計算鏈路的優先級，根據計算確定最優信道分配方案。該方案在確定過程中，優先選取利用率較低的信道，如果在鏈路干擾范圍內存在多條利用率較低的信道，則選擇負載較小的信道[12]。通過這種選擇條件，保證多址通訊鏈路中的負載均衡。

每條鏈路上的流量來自本鏈路節點待發送的流量和待轉發給其他鏈路節點的流量[13]?？紤]到多址通訊鏈路具有一定的指向性，需要計算鏈路r(a,b)中的流量l(r)，如公式(2)所示。

l(a,b)=l(r)=l(a)+∑r(*,a)

(2)

公式(2)中，l(r)表示節點a自身產生的流量，r(*,a)表示通過節點a轉發給目標節點的流量，即多個鏈路流量之和。經過公式2的計算，可準確得到每條鏈路的流量負載[14]。為實現鏈路最優調度，計算多址通訊中的任意一條鏈路r到目標節點的跳數v(r)和流量負載l(r)，v(r)值越小，或者l(r)值越大，均表明該條鏈路的優先級越高。若計算結果中出現相同的跳數，將其對應的鏈路劃分到同一鏈路組[15]。

在上述計算完成后，根據計算結果判斷鏈路優先級，除跳數和流量負載外，還可以根據鏈路受到的干擾程度進行判斷，即干擾程度越高，多址通訊鏈路的優先級越高[16]。在確定鏈路優先級后，依次為每條鏈路分配正交信道，直到每一鏈路組中的每一條鏈路都存在對應的信道，在初次分配過程中，只是消除了鏈路對信道分配的干擾，其分配的信道可能存在一對多的情況[17]。因此，在上述處理完成后，統一對多址通通訊信道進行調整和二次分配。

1.3 分配動態信道

在多址通訊信道動態分配中，以“最大限度滿足用戶業務需求”為目的，根據業務需求量為多個信道的動態分配選擇合理的方案。主要過程分為三個部分，分別是感知過程、決策過程和網絡重構[18]。

在感知過程，主要是通過計算機周期性掃描，獲得多址通訊環境中數據分布情況和鏈路的優先級。根據滿足ZIPF分布的數據項，預測多址通訊下用戶業務量大小[19]。計算公式如式(3)-(5)所示。

(3)

(4)

(5)

在感知到周圍環境后，通過接入點監聽接口上的服務速率，計算最大吞吐量，將計算結果傳輸到集中控制器上，通過集中控制器進行學習和訓練，訓練結束后預測多址通訊中的各條鏈路接入點的用戶業務需求量，根據預測結果決定觸發決策的時間。

在決策過程中，多址通訊中的集中控制器根據預測的業務量，結合感知信息進行網絡重構和調整決策，選擇最大限度滿足業務需求的分配模式。

在具體設計中，把運行階段的兩種分配模型轉變為四種分配策略，選擇不同的分配策略就等于選擇分配模式。分配策略一，由于多址通訊環境中存在多條鏈路，因此其中會存在相鄰且獨立的空閑鏈路，此時在業務分配時需要將其進行捆綁[20]。分配策略二，從分配策略一中可知，多址通訊鏈路中存在空閑鏈路，因此若其中有且只有一對空閑鏈路，則將接入點請求躍遷到此信道對上。分配策略三，若捆綁的空閑鏈路被占用時，集中控制器需要及時選擇一條相鄰的鏈路作為備用擴展鏈路，該條鏈路需要滿足重構代價小的條件，且需要協調鏈路中的各個接入點，如果對應的接入點接受協調請求，此時需要根據實際感知信息重新分配各個接入點的鏈路，并且將該條鏈路讓出，重新請求和捆綁鏈路，實現信道的合理分配。分配策略四為節能型分配方案，當多址通訊環境中接入點的需求量開始減少時，集中控制器壓縮多址通訊鏈路的帶寬，節省調度資源，讓鏈路中的剩余接入點切換為普通模式。

多址通訊快速動態信道分配的實現就是動態選擇上述四種分配方案的過程，根據上述決策結果，指導多址通訊環境中接入點和集中控制器進行網絡重構。對于四種分配方案，采取不同的手段重構，對于第一種分配方案，由接入點通知集中控制器，改變帶寬和模式切換，完成重構；對于第二種，同樣由接入點通知集中控制器，利用集中控制器實現鏈路之間的遷移和模式切換等功能；對于第三種，由集中控制器指導協同接入點，利用相鄰空閑鏈路作為擴展鏈路的方式實現鏈路重構和接入點分配；對于第四種分配策略，通過集中控制器改變帶寬，控制模式切換，接入點直接釋放輔助信道實現上述操作，快速關聯完成重構。重構完成即分配完成，至此，基于ZIPF分布的多址通訊快速動態信道分配方法設計完成。

2 基于ZIPF分布的多址通訊快速動態信道分配方法實驗研究

2.1 搭建實驗平臺

實驗平臺由軟件和硬件組成，構建實驗平臺主要目的是在平臺上實現多址通訊快速動態信道分配，要求實驗平臺支持不同動態信道分配方法的實時運行。將無線網卡配置為軟接入點，在網卡的選擇上，選擇支持AP模式以及兼容IEEE協議的網卡。

實驗平臺中使用的軟件工具有Qt應用程序框架和Ifstat網絡接口監測工具。在后續實驗過程中，使用Ifstat工具監控信道分配方法運行狀態，可根據實驗需求定義一個或多個網絡接口；Qt工具主要提供圖形用戶界面所需的展示功能，該工具通過多進程技術可實現后臺應用程序與前臺界面的實時信息交互，在實驗中，可實現對實驗過程及結果的可視化?；谏鲜鲞x擇的軟硬件，構建實驗平臺架構，如圖1所示。

圖1 實驗平臺架構

在搭建的實驗平臺中運行不同的信道分配方法，通過Qt工具監控分配方法執行過程，實驗中以對比實驗為主，為了保證實驗的公平公正，設置統一的實驗參數。

2.2 實驗參數設置

多址通訊快速動態信道分配方法實驗在Linux操作平臺上實現，使用關系平等的21個節點，在搭建的實驗平臺中，將其中的一個節點作為主服務器，另外20個節點作為客戶端服務器?？紤]到設計的分配方法在ZIPF分布下實現，因此在保持客戶端服務器參數不變的情況下，調整讀寫比例，選取實驗數據時需要選擇具有隨機性的符合ZIPF分布的數據集，并且將其存儲于Memcached服務器，實現多址通訊。20個節點的網絡結構如圖2所示。

圖2 實驗節點網絡結構圖

根據圖2的實驗節點網絡結構圖可知，實驗中選取的20個節點，每個節點均配置了多個接口，保證無線多址通訊網絡中存在多條可利用的信道，具體的實驗環境參數如表1所示。

表1 實驗環境參數設置

在參數設置完成后，設計兩組實驗項目，一組為內存利用率實驗，一組為多信道傳輸時延抖動實驗，在實驗過程中選取引言中提到的文獻[9]面向空基網絡的動態TDMA信道分配算法和文獻[10]基于干擾管理的異構VLC/WiFi網絡子信道分配方法作為對比方法，分別記為常規信道分配方法1和2，在實驗結束后，結合兩組實驗結果對比分析信道分配方法的實際性能。

2.3 內存利用率實驗結果及分析

初始化實驗平臺和各參數后，分別部署信道分配方法，在完成各個節點的信道分配后，計算其占用空間大小、每個數據記錄的內存開銷和內存利用率。實驗中多次進行上述步驟，計算各個實驗指標的平均值。實驗結果如表2所示。

表2 不同信道分配方法內存利用率實驗結果

表2中結果顯示，提出的基于ZIPF分布的信道分配方法內存利用率更高，在三組結果中其信道分配過程占用空間最小，每個數據記錄的內存開銷平均值為6.57bytes，遠低于另外兩種分配方法。綜上所述，設計的基于ZIPF分布的多址通訊快速動態信道分配方法占用空間更少，處理更多數據，既保證了信道分配的合理性，又體現了信道分配的工作效率。

2.4 多信道傳輸時延抖動實驗結果及分析

傳輸時延是從一個節點到另一節點傳輸產生的時間差，分別測試本文提出的信道分配方法與常規信道分配方法1和2的多址通訊信道傳輸時延抖動情況。實驗結果如圖3所示。

(a)常規信道分配方法1實驗結果

(b)常規信道分配方法2實驗結果

(c)提出的信道分配方法實驗結果圖3 不同信道分配方法的多信道傳輸時延抖動實驗結果

根據圖3的不同信道分配方法的多信道傳輸時延抖動實驗結果可知，多址通訊環境中兩種常規信道分配方法網絡波動頻率較高，時延抖動比較大，相比之下，提出的信道分配方法時延抖動較小，基本維持在0附近，網絡穩定。結合內存利用率實驗結果可知，設計的基于ZIPF分布的多址通訊快速動態信道分配方法內存消耗少、信道分配穩定，其實際工作效率高，能夠滿足實際應用需求。

結語

本文以多址通訊動態信道分配為研究重點，研究了基于ZIPF分布的多址通訊快速動態信道分配方法，并通過對比實驗驗證了提出方法的可行性和可靠性，證明了所提方法可以有效地解決以往信道分配方法中存在的問題，為多址通訊的動態信道分配提供更多的可能。但是由于時間限制，在研究中忽略了一些影響因素，如節點接口與信道的異構性對分配的影響，在未來研究中將從這一方面展開深入研究與分析。