無線通信網絡隨機接入信道擁塞聯合控制研究

吳欣華，屈金嬌，榮劍

（第904 醫院，江蘇 無錫 214044）

信道擁塞是指當通信子網中某一區域的累積分組數量過多時，因該部分網絡難以及時處理數據而導致的網絡整體性能下降的現象，嚴重情況下可能會使無線通信網絡陷入癱瘓。信道擁塞也可以被理解為是一種網絡死鎖現象。擁塞是一種可以長時間持續的網絡過載狀態，在擁塞狀態下，用戶對于網絡資源的實際需求量遠超網絡體系的固有容量。單就局域性無線通信網絡而言，擁塞問題是網絡的固有屬性之一，不可能完全避免[1-2]。

大多數網絡體系在共享數據資源之前，會預先設定一個數值作為預警參考條件。當用戶需求量接近該數值時，管理員或其他網絡管理者直接介入，對后續出現的連接請求進行干擾。但當多個IP 分組同時到達一個路由器主機時，輸出端口對這些數據信息的轉發能力完全相同，因此不能按照管理員設定的標準對信息樣本進行處理，此時，信道擁塞情況也并不會得到明顯緩解。

隨著無線通信網絡中信息累積量的不斷增多，信道擁塞問題的發生概率也在不斷增大，不但給網絡體系內的數據穩定傳輸能力造成了影響，還造成了嚴重的數據丟包問題。基于局部密度預測的擁塞控制策略[3]根據周期性信標消息的輸出總量，判斷擁塞信道所處位置，再通過計算該信道節點與核心通信主機之間物理距離的方式，判斷擁塞區域的具體長度。基于深度Q 網絡的擁塞控制策略[4]通過求解信道系數的方式，判斷數據樣本在后續通信場景中的連續傳輸能力，再結合近似函數表達式，確定擁塞問題的當前表現強度。然而上述兩種方法對于平均數據丟包率的控制能力有限，依然難以滿足維護無線通信網絡穩定運行的需求。

為解決上述問題，該文設計了新的無線通信網絡隨機接入信道擁塞聯合控制方法。

1 隨機接入信道擁塞的主要特征

為精準分析隨機接入信道擁塞現象的主要特征，分別從擁塞產生、分類標準、基本控制思想三個方向展開研究。

1.1 信道擁塞產生原因分析

擁塞是對于網絡狀態的描述，在擁塞狀態下，轉發器主機中累積大量的數據信息樣本，由于信息存儲量遠超過運行主機的實際處理能力，所以網絡體系的各項性能都會出現明顯下降[5]。對于無線通信網絡而言，擁塞現象所造成的影響十分嚴重，甚至有可能威脅網絡體系的安全運行能力。圖1 為無線通信網絡在不同狀態下的具體表現情況。

圖1 不同狀態下的網絡傳輸能力曲線

在低負載情況下，網絡傳輸分組與實際負載量之間具有明顯線性關系。簡單來說，就是低負載情況下，所有數據分組都能在網絡傳輸作用下，到達其目標傳輸位置[6]。然而，隨著負載量的不斷增加，數據信息被源源不斷地轉發到網絡體系之中，當網絡負荷到達一定數值水平之后，主機元件會自動丟棄一部分無法處理的數據分組，此時通信網絡對于數據信息的傳輸能力開始下降。當丟棄數據分組達到一定數量后，網絡容易陷入癱瘓。

1.2 分類標準

受到網絡自然屬性的影響，提供完全無擁塞的無線通信服務是非常困難的。網絡體系在處理數據信息時，所面對的數據交互環境是難以預測的，即使是在已知網絡拓撲結構及數據傳輸周期的情況下，也并不能準確掌握通信數據所處的實時傳輸位置[7]。再加上無線通信網絡的動態響應能力極強，隨時都有可能出現接入或退出信道組織的節點對象。因此，為盡可能有效地控制擁塞程度，就必須確定當前導致表現擁塞現象的具體原因。

常見的信道擁塞類型包括節點擁塞、傳輸組織擁塞兩種類型。

①節點擁塞：其是由節點緩存空間有限引起的信道擁塞現象。在無線通信網絡中，數據信息的大量累積會增加網絡體系的運行負擔，特別是在達到網絡主機的最大處理能力之后，網絡內部的緩存空間開放，主機為維持通信網絡的正常運行，會延緩對于數據信息的發送[8]。但當緩存數據總量大于發送數據總量時，則會引發存儲空間溢出現象，從而造成數據樣本丟包問題。

②傳輸組織擁塞：其是指信道組織共享單元擁塞現象。由于無線通信網絡中存在大量的隨機接入節點，所以必然存在著多個節點共享同一個信道組織的情況。如果通信數據大量累積，這些節點都會爭搶該信道，那么必然導致數據碰撞問題，而一次碰撞現象就有可能造成連續的信道擁塞。

1.3 基本控制思想

對于無線通信網絡隨機接入信道擁塞行為的控制，就是根據已發生擁塞現象的表現特征，確定當前情況下，網絡體系的最大信息傳輸能力，再根據超限部分的具體數值情況，設置獨立的通信設備，以實現對該部分信息樣本的順利傳輸[9-10]。

在式（1）的基礎上，推導信道擁塞行為的基本控制標準表達式，結果如下：

式中，c表示數據編碼系數，δ表示標準控制參數，β表示通信數據的超限傳輸系數，m0表示超限部分的通信數據量值，χ表示擁塞行為判別向量。為實現對隨機接入信道擁塞行為的有限控制，應選擇存儲容量較大的通信主機作為外接處理設備。

2 聯合控制策略

2.1 無線通信網絡的拓撲結構

無線通信網絡的拓撲結構如圖2 所示。

圖2 無線通信網絡的基礎拓撲結構

無線通信網絡拓撲結構由核心通信設備、信號收發器、數據分發器、拓撲節點幾部分共同組成。無線通信網絡輸出的數據樣本可根據傳輸目的地的不同，分別進入不同的處理設備之中，當數據樣本累積量達到一定數值標準之后，這些處理設備自發建立與拓撲節點的連接關系，并借助傳輸通路，將信息參量反饋至核心信道中[11-12]。

在設計聯合控制方法時，為避免信道組織中出現數據擁塞行為，必須同時設置多個大容量拓撲節點。

2.2 信道擁塞狀態檢測

信道擁塞狀態檢測是一種實時檢測思想，通過分析信道組織中數據樣本存儲量的方式，來判斷當前通信網絡在未來一段時間之內發生擁塞現象的概率[13-14]。

假設ε表示實時檢測系數，S～ 表示無線通信數據的實時存儲特征，d表示通信數據轉存速率，φ表示轉存系數。在上述物理量的支持下，聯立式（2），推導信道擁塞狀態檢測定義式為：

將A視為信道組織中信息擁塞現象的行為等級條件。若A＜1，則表示信道擁塞行為能夠得到有效控制；若A≥1，表示信道擁塞現象存在繼續加重的可能。

2.3 聯合控制參數

聯合控制參數也叫聯合控制項系數，決定了聯合控制算法對于無線通信網絡隨機接入信道擁塞現象的實際處理能力[15-16]。

假設g1、g2、…、gn表示n個不相等的擁塞行為判定指標，其取值條件滿足式（4）：

根據擁塞行為判定指標，推導核心控制參數K的求解表達式如下：

式中，ι表示無線網絡環境中數據的傳輸步長。聯立式（3）、式（5），可將聯合控制參數定義式表示為：

至此，完成對相關參數指標的計算與處理，在不考慮其他干擾條件的情況下，實現無線通信網絡隨機接入信道擁塞聯合控制方法的順利應用。

3 實驗與分析

為驗證無線通信網絡隨機接入信道擁塞聯合控制的應用性能，設計如下實驗。

3.1 實驗步驟

步驟一：選擇上述設計的無線通信網絡隨機接入信道擁塞聯合控制方法作為實驗組方法，將其應用程序輸入通信網絡主機中，記錄在既定實驗時間內，數據丟包率的數值變化情況；

步驟二：斷開控制開關，使通信網絡主機恢復至空閑狀態；

步驟三：將基于局部密度預測的擁塞控制策略作為對照A 組方法，將其應用程序輸入通信網絡主機中，記錄在既定實驗時間內，數據丟包率的數值變化情況；

步驟四：重復步驟二操作；

步驟五：將基于深度Q 網絡的擁塞控制策略作為對照B 組方法，記錄數據丟包率的數值變化情況；

步驟六：統計實驗數據，總結數據丟包率的變化規律。

3.2 實驗原理

搭建如圖3 所示的無線網絡實驗環境。

圖3 無線網絡實驗環境

分別應用實驗組、對照組方法控制網絡中的信道擁塞行為，記錄在不同方法作用下，數據丟包率的具體實驗數值。

該次實驗所選用實驗設備具體型號如表1所示。

表1 實驗設備選型

出于公平性考慮，實驗組、對照組所采用實驗設備型號完全一致。

3.3 結果與討論

圖4 反映了實驗組、對照組控制方法作用下，通信數據丟包率的具體實驗數值。

圖4 通信數據丟包率

分析圖4 可知，整個實驗過程中，實驗組丟包率一直保持不斷增大的數值變化態勢，至第30 min，其最大值達到15%；對照A 組丟包率在一段時間的上升狀態后，開始趨于穩定并有輕微的下降，至第24 min，又開始繼續上升，實驗時間為30 min 時，丟包率取得最大值75.01%，與實驗組最大值相比，上升了45.01%；對照B 組丟包率保持先增大、在減小、最后來回波動的變化態勢，當實驗時間為9 min 時，取得最大值74.97%，與實驗組最大值相比，上升了44.97%。

綜上可知該次實驗結論為：

①傳統的基于局部密度預測的擁塞控制策略、基于深度Q 網絡的擁塞控制策略對于通信數據丟包率的控制能力有限，在信道擁塞期間，難以有效解決數據頻繁丟包的問題；

②該文設計的無線通信網絡隨機接入信道擁塞聯合控制方法對于丟包率指標的控制能力較強，在信道擁塞期間，可以更好地解決數據頻繁丟包的問題。

4 結束語

無線通信網絡隨機接入信道擁塞聯合控制方法根據擁塞現象產生原因，對信道擁塞行為進行分類，又通過檢測擁塞狀態的方式，確定聯合控制參數的實際取值范圍。與傳統擁塞控制策略相比，這種新型控制方法的應用可以更好解決信道擁塞期間頻繁發生的數據丟包問題，滿足實際應用需求。