無線通信網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入信道擁塞聯(lián)合控制研究

吳欣華，屈金嬌，榮劍

（第904 醫(yī)院，江蘇 無錫 214044）

信道擁塞是指當(dāng)通信子網(wǎng)中某一區(qū)域的累積分組數(shù)量過多時，因該部分網(wǎng)絡(luò)難以及時處理數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)整體性能下降的現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下可能會使無線通信網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓。信道擁塞也可以被理解為是一種網(wǎng)絡(luò)死鎖現(xiàn)象。擁塞是一種可以長時間持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)過載狀態(tài)，在擁塞狀態(tài)下，用戶對于網(wǎng)絡(luò)資源的實際需求量遠(yuǎn)超網(wǎng)絡(luò)體系的固有容量。單就局域性無線通信網(wǎng)絡(luò)而言，擁塞問題是網(wǎng)絡(luò)的固有屬性之一，不可能完全避免[1-2]。

大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)體系在共享數(shù)據(jù)資源之前，會預(yù)先設(shè)定一個數(shù)值作為預(yù)警參考條件。當(dāng)用戶需求量接近該數(shù)值時，管理員或其他網(wǎng)絡(luò)管理者直接介入，對后續(xù)出現(xiàn)的連接請求進(jìn)行干擾。但當(dāng)多個IP 分組同時到達(dá)一個路由器主機(jī)時，輸出端口對這些數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)能力完全相同，因此不能按照管理員設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)對信息樣本進(jìn)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(wǎng)絡(luò)中信息累積量的不斷增多，信道擁塞問題的發(fā)生概率也在不斷增大，不但給網(wǎng)絡(luò)體系內(nèi)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸能力造成了影響，還造成了嚴(yán)重的數(shù)據(jù)丟包問題?；诰植棵芏阮A(yù)測的擁塞控制策略[3]根據(jù)周期性信標(biāo)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(jié)點與核心通信主機(jī)之間物理距離的方式，判斷擁塞區(qū)域的具體長度?；谏疃萉 網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制策略[4]通過求解信道系數(shù)的方式，判斷數(shù)據(jù)樣本在后續(xù)通信場景中的連續(xù)傳輸能力，再結(jié)合近似函數(shù)表達(dá)式，確定擁塞問題的當(dāng)前表現(xiàn)強(qiáng)度。然而上述兩種方法對于平均數(shù)據(jù)丟包率的控制能力有限，依然難以滿足維護(hù)無線通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行的需求。

為解決上述問題，該文設(shè)計了新的無線通信網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入信道擁塞聯(lián)合控制方法。

1 隨機(jī)接入信道擁塞的主要特征

為精準(zhǔn)分析隨機(jī)接入信道擁塞現(xiàn)象的主要特征，分別從擁塞產(chǎn)生、分類標(biāo)準(zhǔn)、基本控制思想三個方向展開研究。

1.1 信道擁塞產(chǎn)生原因分析

擁塞是對于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的描述，在擁塞狀態(tài)下，轉(zhuǎn)發(fā)器主機(jī)中累積大量的數(shù)據(jù)信息樣本，由于信息存儲量遠(yuǎn)超過運行主機(jī)的實際處理能力，所以網(wǎng)絡(luò)體系的各項性能都會出現(xiàn)明顯下降[5]。對于無線通信網(wǎng)絡(luò)而言，擁塞現(xiàn)象所造成的影響十分嚴(yán)重，甚至有可能威脅網(wǎng)絡(luò)體系的安全運行能力。圖1 為無線通信網(wǎng)絡(luò)在不同狀態(tài)下的具體表現(xiàn)情況。

圖1 不同狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力曲線

在低負(fù)載情況下，網(wǎng)絡(luò)傳輸分組與實際負(fù)載量之間具有明顯線性關(guān)系。簡單來說，就是低負(fù)載情況下，所有數(shù)據(jù)分組都能在網(wǎng)絡(luò)傳輸作用下，到達(dá)其目標(biāo)傳輸位置[6]。然而，隨著負(fù)載量的不斷增加，數(shù)據(jù)信息被源源不斷地轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)體系之中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷到達(dá)一定數(shù)值水平之后，主機(jī)元件會自動丟棄一部分無法處理的數(shù)據(jù)分組，此時通信網(wǎng)絡(luò)對于數(shù)據(jù)信息的傳輸能力開始下降。當(dāng)丟棄數(shù)據(jù)分組達(dá)到一定數(shù)量后，網(wǎng)絡(luò)容易陷入癱瘓。

1.2 分類標(biāo)準(zhǔn)

受到網(wǎng)絡(luò)自然屬性的影響，提供完全無擁塞的無線通信服務(wù)是非常困難的。網(wǎng)絡(luò)體系在處理數(shù)據(jù)信息時，所面對的數(shù)據(jù)交互環(huán)境是難以預(yù)測的，即使是在已知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸周期的情況下，也并不能準(zhǔn)確掌握通信數(shù)據(jù)所處的實時傳輸位置[7]。再加上無線通信網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)響應(yīng)能力極強(qiáng)，隨時都有可能出現(xiàn)接入或退出信道組織的節(jié)點對象。因此，為盡可能有效地控制擁塞程度，就必須確定當(dāng)前導(dǎo)致表現(xiàn)擁塞現(xiàn)象的具體原因。

常見的信道擁塞類型包括節(jié)點擁塞、傳輸組織擁塞兩種類型。

①節(jié)點擁塞：其是由節(jié)點緩存空間有限引起的信道擁塞現(xiàn)象。在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)信息的大量累積會增加網(wǎng)絡(luò)體系的運行負(fù)擔(dān)，特別是在達(dá)到網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的最大處理能力之后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的緩存空間開放，主機(jī)為維持通信網(wǎng)絡(luò)的正常運行，會延緩對于數(shù)據(jù)信息的發(fā)送[8]。但當(dāng)緩存數(shù)據(jù)總量大于發(fā)送數(shù)據(jù)總量時，則會引發(fā)存儲空間溢出現(xiàn)象，從而造成數(shù)據(jù)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(xiàn)象。由于無線通信網(wǎng)絡(luò)中存在大量的隨機(jī)接入節(jié)點，所以必然存在著多個節(jié)點共享同一個信道組織的情況。如果通信數(shù)據(jù)大量累積，這些節(jié)點都會爭搶該信道，那么必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)碰撞問題，而一次碰撞現(xiàn)象就有可能造成連續(xù)的信道擁塞。

1.3 基本控制思想

對于無線通信網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入信道擁塞行為的控制，就是根據(jù)已發(fā)生擁塞現(xiàn)象的表現(xiàn)特征，確定當(dāng)前情況下，網(wǎng)絡(luò)體系的最大信息傳輸能力，再根據(jù)超限部分的具體數(shù)值情況，設(shè)置獨立的通信設(shè)備，以實現(xiàn)對該部分信息樣本的順利傳輸[9-10]。

在式（1）的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)信道擁塞行為的基本控制標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式，結(jié)果如下：

式中，c表示數(shù)據(jù)編碼系數(shù)，δ表示標(biāo)準(zhǔn)控制參數(shù)，β表示通信數(shù)據(jù)的超限傳輸系數(shù)，m0表示超限部分的通信數(shù)據(jù)量值，χ表示擁塞行為判別向量。為實現(xiàn)對隨機(jī)接入信道擁塞行為的有限控制，應(yīng)選擇存儲容量較大的通信主機(jī)作為外接處理設(shè)備。

2 聯(lián)合控制策略

2.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 無線通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由核心通信設(shè)備、信號收發(fā)器、數(shù)據(jù)分發(fā)器、拓?fù)涔?jié)點幾部分共同組成。無線通信網(wǎng)絡(luò)輸出的數(shù)據(jù)樣本可根據(jù)傳輸目的地的不同，分別進(jìn)入不同的處理設(shè)備之中，當(dāng)數(shù)據(jù)樣本累積量達(dá)到一定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)之后，這些處理設(shè)備自發(fā)建立與拓?fù)涔?jié)點的連接關(guān)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(shè)計聯(lián)合控制方法時，為避免信道組織中出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞行為，必須同時設(shè)置多個大容量拓?fù)涔?jié)點。

2.2 信道擁塞狀態(tài)檢測

信道擁塞狀態(tài)檢測是一種實時檢測思想，通過分析信道組織中數(shù)據(jù)樣本存儲量的方式，來判斷當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)在未來一段時間之內(nèi)發(fā)生擁塞現(xiàn)象的概率[13-14]。

假設(shè)ε表示實時檢測系數(shù)，S～ 表示無線通信數(shù)據(jù)的實時存儲特征，d表示通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存速率，φ表示轉(zhuǎn)存系數(shù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（2），推導(dǎo)信道擁塞狀態(tài)檢測定義式為：

將A視為信道組織中信息擁塞現(xiàn)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(xiàn)象存在繼續(xù)加重的可能。

2.3 聯(lián)合控制參數(shù)

聯(lián)合控制參數(shù)也叫聯(lián)合控制項系數(shù)，決定了聯(lián)合控制算法對于無線通信網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入信道擁塞現(xiàn)象的實際處理能力[15-16]。

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

根據(jù)擁塞行為判定指標(biāo)，推導(dǎo)核心控制參數(shù)K的求解表達(dá)式如下：

式中，ι表示無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中數(shù)據(jù)的傳輸步長。聯(lián)立式（3）、式（5），可將聯(lián)合控制參數(shù)定義式表示為：

至此，完成對相關(guān)參數(shù)指標(biāo)的計算與處理，在不考慮其他干擾條件的情況下，實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入信道擁塞聯(lián)合控制方法的順利應(yīng)用。

3 實驗與分析

為驗證無線通信網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入信道擁塞聯(lián)合控制的應(yīng)用性能，設(shè)計如下實驗。

3.1 實驗步驟

步驟一：選擇上述設(shè)計的無線通信網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入信道擁塞聯(lián)合控制方法作為實驗組方法，將其應(yīng)用程序輸入通信網(wǎng)絡(luò)主機(jī)中，記錄在既定實驗時間內(nèi)，數(shù)據(jù)丟包率的數(shù)值變化情況；

步驟二：斷開控制開關(guān)，使通信網(wǎng)絡(luò)主機(jī)恢復(fù)至空閑狀態(tài)；

步驟三：將基于局部密度預(yù)測的擁塞控制策略作為對照A 組方法，將其應(yīng)用程序輸入通信網(wǎng)絡(luò)主機(jī)中，記錄在既定實驗時間內(nèi)，數(shù)據(jù)丟包率的數(shù)值變化情況；

步驟四：重復(fù)步驟二操作；

步驟五：將基于深度Q 網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制策略作為對照B 組方法，記錄數(shù)據(jù)丟包率的數(shù)值變化情況；

步驟六：統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)數(shù)據(jù)丟包率的變化規(guī)律。

3.2 實驗原理

搭建如圖3 所示的無線網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境。

圖3 無線網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境

分別應(yīng)用實驗組、對照組方法控制網(wǎng)絡(luò)中的信道擁塞行為，記錄在不同方法作用下，數(shù)據(jù)丟包率的具體實驗數(shù)值。

該次實驗所選用實驗設(shè)備具體型號如表1所示。

表1 實驗設(shè)備選型

出于公平性考慮，實驗組、對照組所采用實驗設(shè)備型號完全一致。

3.3 結(jié)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(shù)據(jù)丟包率的具體實驗數(shù)值。

圖4 通信數(shù)據(jù)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(shù)值變化態(tài)勢，至第30 min，其最大值達(dá)到15%；對照A 組丟包率在一段時間的上升狀態(tài)后，開始趨于穩(wěn)定并有輕微的下降，至第24 min，又開始繼續(xù)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(tài)勢，當(dāng)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(jié)論為：

①傳統(tǒng)的基于局部密度預(yù)測的擁塞控制策略、基于深度Q 網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制策略對于通信數(shù)據(jù)丟包率的控制能力有限，在信道擁塞期間，難以有效解決數(shù)據(jù)頻繁丟包的問題；

②該文設(shè)計的無線通信網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入信道擁塞聯(lián)合控制方法對于丟包率指標(biāo)的控制能力較強(qiáng)，在信道擁塞期間，可以更好地解決數(shù)據(jù)頻繁丟包的問題。

4 結(jié)束語

無線通信網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入信道擁塞聯(lián)合控制方法根據(jù)擁塞現(xiàn)象產(chǎn)生原因，對信道擁塞行為進(jìn)行分類，又通過檢測擁塞狀態(tài)的方式，確定聯(lián)合控制參數(shù)的實際取值范圍。與傳統(tǒng)擁塞控制策略相比，這種新型控制方法的應(yīng)用可以更好解決信道擁塞期間頻繁發(fā)生的數(shù)據(jù)丟包問題，滿足實際應(yīng)用需求。