摘  要： 傳統(tǒng)的基于帶寬請(qǐng)求的固定資源預(yù)留鏈路接入控制算法（BRLAC）不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和業(yè)務(wù)需求的變化，針對(duì)該類算法接入成功率和系統(tǒng)帶寬利用率不高的問(wèn)題，基于概率分析了系統(tǒng)預(yù)留帶寬的大小，并提出一種動(dòng)態(tài)帶寬資源預(yù)留分配鏈路接入控制算法（DBRRA），該算法通過(guò)判斷業(yè)務(wù)流優(yōu)先級(jí)允許動(dòng)態(tài)地從其他業(yè)務(wù)流調(diào)整預(yù)留帶寬。仿真實(shí)驗(yàn)證明，DBRRA算法有較高的接入成功率、系統(tǒng)帶寬利用率和較好的時(shí)延特性。
關(guān)鍵詞： 預(yù)留策略；到達(dá)概率；優(yōu)先級(jí)；可用帶寬；時(shí)延；系統(tǒng)負(fù)載

　在寬帶接入網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)不斷發(fā)展的環(huán)境下，各種各樣的流媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用在接入網(wǎng)中占用了越來(lái)越大比例的帶寬，網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模型也發(fā)生了變化，并且流媒體業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求相對(duì)較嚴(yán)格[1]。如何適應(yīng)各種各樣的流媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求并提供高效的資源利用率是寬帶接入網(wǎng)中的資源調(diào)度算法所面臨的新挑戰(zhàn)[2]。
　保證應(yīng)用業(yè)務(wù)流性能的前提是為其分配足夠的帶寬資源。因此，資源預(yù)留是在Internet中提供服務(wù)質(zhì)量的重要機(jī)制之一。在數(shù)據(jù)傳輸前，系統(tǒng)首先檢查是否有足夠的帶寬資源滿足業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量要求，并做出是否允許進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的決定，這是接入控制。
　由于寬帶接入網(wǎng)的帶寬總?cè)萘渴怯邢薜?，?dāng)帶寬容量己處于飽和狀態(tài)時(shí)，新發(fā)起的業(yè)務(wù)流連接將無(wú)法得到服務(wù)質(zhì)量保證，因此，系統(tǒng)必須采取有效的接入控制策略，使得各類業(yè)務(wù)的QoS在獲得保證的同時(shí)，盡可能為更多的用戶提供服務(wù)。接入控制過(guò)程是根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際可用帶寬容量和業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)決定是否接受新到達(dá)的業(yè)務(wù)流連接請(qǐng)求，從而控制系統(tǒng)中通信連接的數(shù)量，使系統(tǒng)的負(fù)載在一個(gè)比較穩(wěn)定的水平[3]。
1 相關(guān)研究
　目前部分寬帶鏈路接入系統(tǒng)采用的是基于帶寬請(qǐng)求的固定資源預(yù)留鏈路接入控制算法[4]，該類算法首先計(jì)算系統(tǒng)的剩余可用帶寬，若新的鏈路接入請(qǐng)求帶寬小于或等于系統(tǒng)的剩余可用帶寬，則允許該鏈路接入，否則就拒絕該鏈路接入。該類算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、運(yùn)算高效，在用戶數(shù)量少、帶寬充足的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能起到一定的效果。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，該類算法不能隨系統(tǒng)狀態(tài)和新到達(dá)業(yè)務(wù)需求變化而變化，導(dǎo)致用戶鏈路接入成功率降低，而且系統(tǒng)總帶寬利用率不高，浪費(fèi)了寶貴的帶寬資源，因此目前主要的研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)的資源預(yù)留算法[5]。
　參考文獻(xiàn)[6]提出的算法是根據(jù)業(yè)務(wù)流的特點(diǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)留資源，在該算法中，實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)被優(yōu)先進(jìn)行處理，優(yōu)先級(jí)低的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)則被盡力而為服務(wù)進(jìn)行處理，該算法考慮了業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，提高了系統(tǒng)容量。參考文獻(xiàn)[7]提出了一個(gè)QoS自適應(yīng)的資源預(yù)留機(jī)制，考慮了多媒體業(yè)務(wù)QoS需求的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。當(dāng)系統(tǒng)可用資源不足時(shí)，將最低優(yōu)先級(jí)和最不可能使用的預(yù)留資源釋放出來(lái)，增大系統(tǒng)的可用資源。參考文獻(xiàn)[8]提出一種面向多媒體業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)分組預(yù)留機(jī)制，該方法對(duì)接入鏈路的到達(dá)進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)到達(dá)時(shí)刻落在不同的時(shí)間段內(nèi)，將用戶鏈路分成不同的組，資源面向不同的組進(jìn)行預(yù)留，提高了資源預(yù)留成功的概率。
　本文提出了一種動(dòng)態(tài)帶寬資源概率預(yù)留鏈路接入控制算法（DBRRA），該算法基于概率為系統(tǒng)中不同接入點(diǎn)上的不同業(yè)務(wù)預(yù)留帶寬，并且根據(jù)帶寬預(yù)留接入控制算法為新到達(dá)的業(yè)務(wù)流提供接入和QoS保證。通過(guò)對(duì)比基于帶寬請(qǐng)求的固定資源預(yù)留鏈路接入控制算法（BRLAC），實(shí)驗(yàn)證明本文算法有較高的接入成功率、系統(tǒng)帶寬利用率和較好的時(shí)延特性。
2 算法分析與設(shè)計(jì)
　多鏈路寬帶接入網(wǎng)絡(luò)支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻等業(yè)務(wù)，接入點(diǎn)支持的業(yè)務(wù)具有多樣性和隨機(jī)性，并且每一種業(yè)務(wù)流的發(fā)送速率也是隨時(shí)間隨機(jī)變化的，因此，本文采用基于概率來(lái)設(shè)計(jì)帶寬資源預(yù)留接入控制方法。
帶寬的分配是針對(duì)每一個(gè)接入點(diǎn)內(nèi)不同業(yè)務(wù)的帶寬請(qǐng)求，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的帶寬資源使用情況和各種業(yè)務(wù)的QoS需求，將為該接入點(diǎn)分配的總帶寬授予這個(gè)接入點(diǎn)，接入點(diǎn)收到帶寬授權(quán)后，依據(jù)當(dāng)前各個(gè)業(yè)務(wù)的QoS需求，在接入點(diǎn)內(nèi)部再次進(jìn)行帶寬分配。因此，從執(zhí)行帶寬預(yù)留的中心調(diào)度系統(tǒng)側(cè)來(lái)看，應(yīng)該以接入點(diǎn)為單位進(jìn)行帶寬預(yù)留分配。



3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
3.1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境及對(duì)比指標(biāo)設(shè)計(jì)
　為了評(píng)估DBRRA算法的性能指標(biāo)，本文基于OPNET Modeler建立仿真模型，仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中包括50個(gè)接入點(diǎn)，每個(gè)接入點(diǎn)連接的鏈路的固定時(shí)延為2 ms，最大傳輸速率為100 Mb/s，系統(tǒng)的總可分配帶寬為100  Mb，產(chǎn)生的流量包含3種不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)流，并且假設(shè)每個(gè)鏈路業(yè)務(wù)流接入到達(dá)接入點(diǎn)的時(shí)刻、請(qǐng)求帶寬都是服從平均分布的隨機(jī)變量。評(píng)估的主要方法是將DBRRA算法與基于帶寬請(qǐng)求的固定資源預(yù)留鏈路接入控制算法（BRLAC）進(jìn)行比較，主要對(duì)輕負(fù)載情況下和重負(fù)載環(huán)境中的以下3個(gè)方面的性能指標(biāo)進(jìn)行比較：
?。?）新業(yè)務(wù)流接入成功率。該指標(biāo)表示新發(fā)起的業(yè)務(wù)流請(qǐng)求接入成功數(shù)與業(yè)務(wù)流請(qǐng)求接入總數(shù)的比率。
?。?）系統(tǒng)帶寬資源利用率。該指標(biāo)表示網(wǎng)絡(luò)中各種業(yè)務(wù)流使用的帶寬資源綜合與系統(tǒng)所能提供的總的可用帶寬資源之比。
?。?）時(shí)延。即鏈路端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延監(jiān)測(cè)。
3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　圖1和圖2表示在不同負(fù)載情況下的接入成功率比較。由圖1可以看出，在業(yè)務(wù)流請(qǐng)求數(shù)比較低，大約少于100時(shí)，由于業(yè)務(wù)流請(qǐng)求數(shù)少且系統(tǒng)的可用剩余帶寬較充足，因此，在輕負(fù)載情況下DBRRA算法與BRLAC算法的接入成功率較為接近，兩者相差約3%。由圖2可以看出，隨著業(yè)務(wù)流請(qǐng)求數(shù)不斷增大到1 000，系統(tǒng)的剩余可用帶寬不斷減少，由于BRLAC算法部分較大帶寬資源請(qǐng)求的業(yè)務(wù)流無(wú)法得到全部保證帶寬，導(dǎo)致無(wú)法接入，接入成功率下降較快，而本文DBRRA算法對(duì)每個(gè)接入點(diǎn)的不同業(yè)務(wù)進(jìn)行了帶寬資源預(yù)留，并且允許從其他空閑業(yè)務(wù)流動(dòng)態(tài)調(diào)整帶寬分配，使得較多的業(yè)務(wù)流仍然可以接入，成功率相對(duì)BRLAC算法有較好的性能提高。

　圖3和圖4表示在不同負(fù)載情況下系統(tǒng)總帶寬利用率的比較。由圖3可以看出，在輕負(fù)載情況下，由于系統(tǒng)剩余可用帶寬比較多，大部分業(yè)務(wù)流的帶寬能得到滿足，隨著業(yè)務(wù)流接入數(shù)的增加，DBRRA算法與BRLAC算法的平均系統(tǒng)帶寬利用率基本呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，DBRRA算法比BRLAC算法的平均系統(tǒng)帶寬利用率大約只高2%。圖4表示在重負(fù)載情況下，由于業(yè)務(wù)流到達(dá)時(shí)刻、離開(kāi)時(shí)刻和請(qǐng)求帶寬大小不同的隨機(jī)性，BRLAC算法不能滿足部分有較大帶寬請(qǐng)求的業(yè)務(wù)流而拒絕該業(yè)務(wù)流接入，同時(shí)，由于某些業(yè)務(wù)流服務(wù)完畢釋放帶寬，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的剩余可用帶寬較多，平均系統(tǒng)帶寬利用率最高只能維持在83%左右；DBRRA算法由于保持較高的接入成功率，并且為鏈路預(yù)留的帶寬可以重新分配給新接入的高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)流，系統(tǒng)總帶寬利用率可以達(dá)到約96%，在重負(fù)載情況下比BRLAC算法提高約10%的性能。

　圖5和圖6分別表示在輕負(fù)載和重負(fù)載情況下系統(tǒng)中數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延對(duì)比。由圖5可以看出，輕負(fù)載情況下由于系統(tǒng)剩余帶寬較多，DBRRA算法與BRLAC算法控制的業(yè)務(wù)流處于非擁塞狀態(tài)，相鄰數(shù)據(jù)包的在緩沖區(qū)中的排隊(duì)等待時(shí)間基本相同，系統(tǒng)處理時(shí)延隨著業(yè)務(wù)流的數(shù)量增加稍為增大，數(shù)據(jù)包的端到端時(shí)延呈平穩(wěn)趨勢(shì)，總體上DBRRA算法與BRLAC算法在輕負(fù)載情況下時(shí)延性能相差不大。圖6表示隨著業(yè)務(wù)流的不斷增加，在重負(fù)載情況下，系統(tǒng)處于擁塞階段，鏈路不斷有數(shù)據(jù)包排隊(duì)，隊(duì)列不斷加大，數(shù)據(jù)包的端到端時(shí)延也同時(shí)加大，由于BRLAC算法不區(qū)分不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)流，隨著高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流帶寬請(qǐng)求的變化，部分高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)流無(wú)法得到服務(wù)質(zhì)量保證，平均時(shí)延比DBRRA算法上升得快。

　寬帶接入網(wǎng)多媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用的日益豐富需要合理利用網(wǎng)絡(luò)資源，并在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行有效的接入控制機(jī)制才能消除網(wǎng)絡(luò)擁塞和保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。本文針對(duì)寬帶接入網(wǎng)中不同的業(yè)務(wù)流提出了基于概率預(yù)留的帶寬分配機(jī)制，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的業(yè)務(wù)流接入控制算法。該算法可以根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)從其他比其優(yōu)先級(jí)低的業(yè)務(wù)調(diào)用空閑預(yù)留帶寬，改善了系統(tǒng)帶寬資源利用率。未來(lái)的研究工作主要在本文的基礎(chǔ)上基于時(shí)延限制進(jìn)行帶寬分配調(diào)度研究。
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