王嘉宏 徐颖雯 林 可



随机互联网络的带宽分配优化分析

王嘉宏1，2徐颖雯2林 可3

1.福建工程学院信息科学与工程学院，福建 福州 530000 2.福建省大数据挖掘与应用技术重点实验室，福建 福州 530000 3.福建工程学院海峡工学院，福建 福州 530000

互联网技术的飞速发展，带给人们许多便利，同时产生了一系列有关网络带宽分配的优化问题。因此，提出了带宽分配优化策略，分析了随机互联网络的资源分配，以保证网络服务质量的要求。针对带宽分配问题，在多终端和多业务优先级模型的基础上，研究了随机互联网络合理有效的带宽资源分配以及带宽分配的公平性。

随机互联网络；带宽分配；公平性；优化策略

引言

近年来，随着网络技术的快速发展，出现越来越复杂的网络拓扑结构以及迅速增长的用户流量，带宽资源分配的问题无处不在，为现在的网络管理、网络维护和网络分析带来了巨大的挑战[1-10]。中国互联网网络宽带平均可用下载速度接近10 Mbit/s，各省的带宽速率必须符合《互联网接入服务规范》的要求，但用户感知总体满意度较低，在大型网游、文件传输的场景中的用户认为实际网速与预期不符，网络带宽使用体验一般。尽管随着互联网络技术发展，有越来越多的网络带宽，但依旧不能满足抢占带宽的消耗，影响互联网用户享有具服务质量保证的网络服务，从而造成网络访问服务的低效率，同时也不可避免地涉及网络带宽资源分配的公平性、分享、延迟和其他问题[11]。

在本文中，我们研究基于预算的随机互联网络中带宽分配的优化策略。主要研究和解决的问题：带宽必须分配给每一个业务流，满足用户的服务质量（QoS）需求，并保证每个业务流间的公平性。

1 现有的带宽分配技术

在下一代随机互联网络中，由多宿主功能组成的移动网络终端会共享所有的网络资源，因此合理有效的带宽资源分配是一个重要的发展方向[12]。带宽分配是将有限的带宽资源合理高效地分配给用户。带宽分配方案有两大类：固定带宽分配（Fixed Channel Assignment，FCA）和动态带宽分配（Dynamic Channel Assignment，DCA）。FCA分配方案在第一、二代蜂窝移动通信系统中得到了广泛的应用，而DCA分配方案是第三代蜂窝移动通信系统中的关键技术。

固定带宽分配方案（FCA）是一种简单而常用的分配带宽资源策略，对于均匀分布的系统，每个波束小区固定地分配给一组带宽。但FCA没有考虑到不同小区内业务量的差异，可能会导致在低业务量小区中有大量空闲带宽，而在高业务量小区中则有大量呼叫产生阻塞。对于非均匀分布的系统，各波束小区可以分配不同的带宽数，分配较多的带宽给高业务量小区。但FCA不可能根据各小区的业务量进行调整，不能达到带宽利用率最优，如某小区出现阻塞，而其他小区存在大量空闲带宽。

在动态带宽分配方式（DCA）中，带宽分配由网络控制中心（Network Control Center）统一控制，没有将带宽分组。只要此带宽空闲，并且满足电磁干扰等约束条件，每个小区都可以任意使用此带宽。动态带宽分配方式主要分为两种：一种是业务自适应系统（Traffic Adaptive System），另一种是干扰自适应系统（Interference Adaptive System）。

灵活带宽分配方式（Flexible Channel Assignment，FLCA）是介于FCA和DCA之间的方式，主要有两类方法。第一类是把系统带宽分为两部分：一组固定分配给每个波束小区，使其满足轻业务量负荷时的要求；另一组称为灵活带宽，由网络控制中心控制，在某个波束内带宽发生拥挤或产生大量突发业务的时候，临时分配给该小区。第二类称为借带宽机制，在系统带宽正常负荷情况下，每个小区有固定的一组带宽，当系统带宽发生拥挤的情况下，在不产生冲突的前提下，向临近空闲小区借用带宽。

考虑带宽分配策略的公平性时，可以将用户对所分配带宽的效用函数作为优化方案的目标函数，就是将所需的带宽分配约束的总效用最大化[13-19]。实现公平的带宽分配方法就是使分配到每个用户的带宽最大限度地平等，而这可能会导致它无法增加某些非阻塞的带宽分配。

然而，现有研究的带宽分配技术并没有考虑到多业务同时传输时的带宽分配策略，也没有考虑动态的网络变化对带宽分配的影响。因此本文研究一种面向多终端多业务优先级的带宽分配技术，以达到更好的用户满意度。

2 面向多终端多业务优先级的带宽分配策略

在异构随机互联网络中，具有多宿主功能的移动终端有多个无线网络接口。当移动终端请求业务时，多个网络带宽资源可同时提供给移动终端使用，移动终端共享所有的带宽资源。多个无线网络的接口构成用户的移动终端，用户运用移动终端来请求一些业务，所以用户的业务一定不是单一化的，它涉及不同种类的媒体流。这些由不同路径的同时协同传输的数据保证了业务的服务质量和用户良好的体验度。

本文提出的带宽分配策略主要思想是保障高优先级通信的通信质量。我们用通信带宽来传输数据，由应答信号中的带宽分配信息来分配相应的带宽，以用来建立带宽的连接，通过此连接数据帧被发送给相应的设备。带宽竞争策略是，当发生碰撞时，高优先级总是能先于低优先级业务接入带宽。带宽压缩策略是，当带宽拥挤时，高优先级业务总是后于低优先级业务被压缩直至不可再次被压缩。提出带宽补偿策略，补偿低优先级业务的带宽防止低优先级无法执行的现象。系统通过数据帧中的数据来分配合理的带宽以提高带宽的利用率和接入的满意度。

带宽分配要解决的核心问题是将有限的带宽资源合理地分配。通过分析带宽的使用情况可生成一个优先级表，根据优先级来排列带宽分配。带宽在接入和接出的时候会发生不同的竞争，终端会由优先级的大小来判断竞争力的大小，当接入的时候竞争接入权。接入后不同移动终端竞争空闲带宽的使用权，但是当系统中无空闲块带宽的时候，启动竞争机制并且启动定时器。当没有空闲带宽的时候，竞争模块将会在所有正在运行的业务中查找出可以丢失的数据，这样就可以保证高优先级的数据先通过以确保网络的服务质量。

当接入请求到达率很高的时候，带宽会产生拥塞现象，这时系统就会启动压缩策略以释放部分带宽来缓解拥塞。在带宽压缩策略中，第一步判断该业务是否能够执行压缩策略操作：若能，则在系统中查找是否存在能够被压缩的任务；若有，则执行压缩任务。压缩任务按照业务的优先级来执行，先压缩优先级低的业务，再压缩优先级高的业务。例如，多媒体类业务的优先级低于数据类业务低于通话类业务。当带宽拥挤时，我们先压缩优先级低的业务，再压缩优先级高的业务，然后先压缩多媒体类业务，再压缩数据类业务，当带宽依然拥挤时，最后压缩通话类业务。

3 结束语

5G网络作为下一代移动通信网络，具有超密集异构的特性，因此5G网络中将含有更多的终端和业务。网络的业务类型不同主要体现在对带宽、时延、抖动、丢包率的需求不同，这将给网络带宽分配带来极大的挑战。下一代大规模互联网是一个复杂庞大的网络系统。在网络资源分配优化方面应以用户需求为导向保障QoS的要求。不同类型的业务对服务质量有着不同的需求。依据各自的需求智能地管理分配系统有限的资源，是提高系统服务质量的有效方法。在本文所提出的带宽分配优化分析的基础上进一步研究适应5G网络的带宽分配，更好地提高网络带宽资源的利用率，以满足未来5G网络的要求。

[1]刘龙庚，罗光春.大数据通信中带宽优化技术仿真[J].计算机仿真，2014，31（9）：225-228.

[2]刘广旭.基于业务特征分析的配电通信网络带宽优化算法研究[D].北京：华北电力大学（北京），2017.

[3]丛鑫，訾玲玲.企业级网络虚拟映射带宽与能耗优化平衡策略[J].计算机应用研究，2017，34（10）：3144-3148.

[4]胡成娟.校园网带宽优化方法研究[J].数字通信世界，2016（12）：65-66.

[5]范雪.弹性光网络中带宽分配的优化机制研究[D].重庆：重庆邮电大学，2016.

[6]吴诗颖.支持云计算的带宽资源优化技术研究[D].南京：南京大学，2016.

[7]王义杰.无线多媒体网络带宽分配优化算法[D].武汉：华中师范大学，2016.

[8]陈卓，周江.基于网络编码的对等网流媒体网络中优化的带宽分配策略[J].计算机应用，2015，35（6）：1509-1513，1551.

[9]杨军，吕璐，徐冠，等.基于SDN的MapReduce带宽优化设计[J].计算机应用研究，2016，33（10）：3109-3113.

[10]何林波，盛志伟，蔺冰.基于社会距离的下一代网络带宽资源分配方法研究[J].南开大学学报（自然科学版），2015，48（4）：5-11.

[11]陈赓，夏玮玮，沈连丰.基于多门限预留机制的自适应带宽分配算法[J].通信学报，2014，35（12）：78-88.

[12]别玉霞，卜瑞杰，刘海燕.多优先级的卫星网络信道分配算法[J].计算机科学，2017，44（3）：132-136，144.

[13]Chia-Hung Wang and Hsing Luh. A Fair QoS Scheme for Bandwidth Allocation by Precomputation-Based Approach[J]. International Journal of Information and Management Sciences， 2008，19（3）：391-412.

[14]Ya-Hui Cheng， Hsing Luh， and Chia-Hung Wang. Modeling on Weighted Utilizations of Network Dimensioning Problems[J].International Journal of Operations Research，2010，7（1）：41-52.

[15]Chia-Hung Wang and Hsing Paul Luh. Analysis of Bandwidth Allocation on End-to-End QoS Networks under Budget Control[J]. Computers and Mathematics with Applications，2011，62：419-439.

[16]Chia-Hung Wang，Revenue Management on Communication Networks with Blocking[J]. Germany ：LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH& Co. KG，2012.

[17]Chia-Hung Wang， Chia-Jung Lee， Wei-Ho Chung， and Mu-En Wu. An Atomic Routing Game for Multi-class Communication Networks with Quality of Service Requirements[C]//Proceedings of the 24th Wireless and Optical Communication Conference （WOCC2015），Taipei，Taiwan，October 23-24，2015：206-210.

[18]Chia-Hung Wang， Mu-En Wu，and Wei-Ho Chung. Perspectives of Bandwidth Sharing Schemes in Communication Systems with Blocking[C]//accepted for publication in Proceedings of the ASE Big Data & Social Informatics 2015，Kaohsiung，Taiwan，October 7-9，2015.

[19]Chia-Hung Wang and Mu-En Wu. Numerical Evaluation of Two Management Schemes for Sharing Limited Bandwidth[C]//Proceedings of the 3rd International Conference on Computing，Measurement，Control and Sensor Network （CMCSN2016）Matsue， Shimane，Japan，May 20-22，2016：182-185.

Optimal Analysis of Bandwidth Allocation for Random Interconnected Networks

Wang Jiahong1，2Xu Yingwen2Lin Ke3

1. School of Information Science and Engineering of Fujian University of Technology, Fujian Fuzhou 530000 2. Key Laboratory of Big Data Mining and Application Technology in Fujian Province, Fujian Fuzhou 530000 3. Straits College of Engineering of Fujian University of Technology, Fujian Fuzhou 530000

The rapid development of Internet technology brings people a lot of convenience. At the same time, a series of optimization problems about network bandwidth allocation have been produced. Therefore, the bandwidth allocation optimization strategy is proposed, and the resource allocation of the random network is analyzed in order to ensure the requirements of the network service quality. Aiming at the bandwidth allocation problem and based on the multi-terminal and multi service priority model, the paper studies the reasonable and effective bandwidth resource allocation and the fairness of bandwidth allocation in stochastic interconnected networks.

random interconnected network; bandwidth allocation; fairness; optimization strategy

TN929.5；TP393.0

A

福建省科技厅自然科学基金面上项目资助(2016J01330)；福建省教育厅中青年教师教育科研项目资助(JAT160337)。

王嘉宏博士，现任福建工程学院信息科学与工程学院副教授、福建省大数据挖掘与应用技术重点实验室研究员，主要研究领域为运筹学、大数据分析、排队论、网络管理、系统模拟等方面的研究。