（通信与信息系统专业论文）异构网络中业务流量分配算法研究.pdf

摘要 随着通信业和无线技术的发展，多个无线网络覆盖同一区域的现象越来越普 遍，将多种接入技术的无线网络相互融合构成异构网络体系成为可能。在异构网 络中进行有效的资源管理，提高网络资源利用率受到广泛关注，网络接入选择和 负载均衡技术受到重视。本文结合异构网络中的网络选择技术和负载均衡技术， 引出网络流量分配机制，对异构网络中的流量分配算法进行了重点研究。 提出了一种基于网络综合时延的流量分配( n d b f a ) 算法。通过分析异构网络 中各子网平均时延变化差异性，修正了基于链路时延流量分配算法的不足之处， 仿真验证n d b f a 能够将业务均衡的分配在各个网络中，尤其在异构网络中网络业 务达到饱和吞吐量的情况下，分配算法具有良好的分配性能。 提出了一种基于网络负载状况的流量分配( l b f a ) 算法。通过分析网络负载感 知方式，选取基于分组时延和基于分组排队情况的负载感知方式，对网络业务做 流量分配。为了减小网络开销，设计了可以减少反馈次数的负载感知机制，进一 步引入跨层设计感知节点负载状况，修正流量分配算法，仿真验证l b f a 减少了 网络开销，提高了业务传输的可靠性。 关键词：异构网络流量分配网络时延负载均衡 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r i e sa n dw i r e l e s st e c h n o l o g y , o n e a r e am a yb ec o v e r e db ym o r et h a no n ew i r e l e s sn e t w o r k s ，w h i c hm a k ei tp o s s i b l ef o r c o n s t r u c t i n gh e t e r o g e n e o u sn e t w o r ks y s t e mb yd i f f e r e n tw i r e l e s sa c c e s s i n gn e t w o r k r e s o u r c em a n a g e m e n ti nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r ki sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s i no r d e rt oi m p r o v en e t w o r kr e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，h o wt or e a l i z ea c c e s ss e l e c t i o na n d l o a db a l a n c ea r eo n eo ft h er e s e a r c he m p h a s i s t h e r e f o r e ，f l o wa s s i g n m e n ti sa d o p t e dt o r e a l i z el o a db a l a n c e an e t w o r kd e l a yb a s e df l o wa s s i g n m e n t ( n d b f a ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e d n d b f a r e m e d i e st h ed e f i c i e n c yo fl i n kd e l a yb a s e df l o wa s s i g n m e n t , w h e nt h ed i f f e r e n c eo f a v e r a g ed e l a yo fd i f f e r e n ts u b n e t w o r ki st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tn d b f ac a na l l o c a t ei s o c r a t i ct r a f f i ct oe a c hs u b n e t w o r k , e v e nw h e n t h r o u g h p u ti ss a t u r a t e d ，n d b f aa l s oc a l lo b t a i nb e t t e rp e r f o r m a n c e al o a db a s e df l o wa s s i g n m e n t ( l b f a ) a l g o r i t h mi sp r e s e n t e d o nt h eb a s i so f n e t w o r kl o a dp e r c e p t i o na n a l y s i s ，p a c k e td e l a ya n dp a c k e tq u e u i n gb a s e dl o a d p e r c e p t i o ni sa d o p t e d t or e a l i z ef l o wa s s i g n m e n t i no r d e rt od e c r e a s en e t w o r ko v e r h e a d , l b f ac a l lr e d u c et h en u m b e ro ff e e d b a c ka n dc r o s s - l a y e rd e s i g ni su t i l i z e dt of u r t h e r i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fl b f a s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tl b f ar e d u c e sn e t w o r k o v e r h e a da n di m p r o v e st h er e l i a b i l i t yo f t r a f f i ct r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k f l o wa s s i g n m e n t n e t w o r kd e l a yl o a db a l a n c e 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁下匕 1 1 论文研究背景 随着电信产业的全球化和i n t e r a c t 的迅猛发展，通信系统层出不穷，形成各种 各样相互独立的网络，例如蜂窝移动通信系统( 2 g 、3 g ) 、短距离接入系统( w l a n 、 蓝牙、超宽带u w b 系统) 、v c - l m a x 、卫星通信、广播系统( 如d a b 、d v b ) 、平 流层等，这些网络的网络格局相互独立，每种网络都有其各自的优势，如2 g 与 3 g 的网络通信系统以语音通信为主，并支持数据通信：而w l a n ，w i m a x 等网 络则是以数据业务为主。随着语音通信业务的逐渐萎缩，无线数据传输业务的发 展，用户的个性化多样性的业务需求不断增强，而这种单网络单应用的网络模式 在网络共享方面暴露出其固有弊端：不同的通信协议导致无线网络共享实现困难， 不利于数据业务跨网传输。如图1 1 所示，如何实现多网络的通信，充分利用不同 网络间的互补特性，实现各种无线网络无缝融合，为用户提供个性化服务，是未 来通信网络发展的必然方向。 移动终端 图1 1 多网络框架示意图 基于上述背景，一种异构多网络融合演进的发展路线被学术界以及业界提出 并引起了较为广泛的关注。其设计思想是将区域内重叠覆盖的多种类型的无线网 2 异构网络中业务流量分配算法研究 络智能的结合在一起，随时随地为用户提供通信服务。异构网络融合的方案，对 于用户而言，用户可以根据业务需求和网络状态等因素随时选择介入到最合适的 网络中，从而满足自己灵活多变的个性化业务需求。而对于网络运营而言，采用 异构网络融合方案，运营商不需要大量的资金投入，重新铺设建立网络设施，不 需要漫长的建设周期，只需要在i + i 己原有系统结构的基础上添加少量的网络实体 以及相应的管理功能既可以满足用户不断增长的通信业务需求，并提高系统的市 场竞争力。 异构网络概念如图1 2 所示，各种无线网络通过多种方式接入到骨干网络，为 用户提供多样化、个性化和移动化的服务。 图1 2 异构网络概念 异构网络并不是一种全新的网络，而是由现有的不同接入技术、不同通信协 议、不同链路特性、不同频道特性等网络实现无缝融合，而形成的网络体系。异 构网络在业务性、用户的、底层无线信号、网络协议的等方面的异构性，使实现 异构网络的融合将面临极大困难和挑战。针对异构网络之间的融合，各标准化组 织和公司已经提出了各种不同的方案：移动i p 、互联网关、紧耦合以及松耦合等【l 】。 近年来，受到i t 界和一些国家首脑广泛关注的物联网是一个泛在网络，产生 多种多样的业务类型，因此，物联网要求其承载网络能够提供多种多样的服务， 异构网络恰好可以满足物联网对承载网络提供多样性服务的要求，为物联网的发 展提供良好的网络环境。 第一章绪论 3 1 2 网络融合实例 近年来，无线通信领域的各种技术不断的更新换代，从二十世纪七八十年代 开始的a m p s ( a d v a n c em o b i l ep h o n es e r v i c e ，先进移动电话服务) 和t a c s ( t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，全球接入通信系统) 为代表的第一代蜂窝移动通信 网络的发展，到以g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，全球移动通信 系统) 和窄带c d m a 、i s 9 5 为代表的第二代移动通信2 g ，再到以t d s c d m a 、 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 三大标准为基础的第三代移动通信3 g ，再到现在正如火如 荼的b 3 g 4 g 时代的到来1 2 】【3 1 ，通信发展的脚步越走越快，通信的传输速度、传输 质量的提升，通信费用的逐步降低，提供服务的多样化趋势，不断为人们的生活 带来更多便利。 然而，不断增加的多种类型、无线网络资源的匮乏、以及用户对服务质量的 要求，给无线通信的发展带来了巨大的挑战。下一代无线通信的发展目标是能够 实现任何终端都能随时随地利用现有网络进行高质量通信。针对用户不断增加的 业务需求，以及各种网络提供的多样化服务，建立一个由单一技术支持的无线网 络来满足用户的多样化需求显然是不切实际的想法，因此，未来的网络平台可通 过异构融合的办法，将不同技术支持的无线网络组合成为一个整体，在保证各种 无线网络之间的特性的同时，也满足用户多方面需求。 异构网络可以由无线网络相融合，也可以由有线网络相融合，还可以是有线 网络和无线网络的之间的融合。在这里，我们考虑现在较为典型的三种网络， w l a n ，w i m a x ，u i t s l 4 所构建的异构网络。 w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 是指采用无线传输介质的局域网。基于 i e e e 8 0 2 1 l 标准的无线局域网，最大数据传输速率可达5 4 m b p s ，但网络覆盖范围 较d x ( 1 0 2 5 m ) 。i e e e 8 0 2 1 l b 数据传输速率可高达l1 m b p s 的物理层，它的覆盖面 积大，支持以百米为单位的范围( 在室外为3 0 0 m ，在办公环境中最长为l o o m ) 。 w l a n 因其灵活性、移动性和安装便捷，已经在企业、医疗、展览会场、超市等 场合得到广泛应用。 w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波接入互操 作性) 是以i e e e 8 0 2 1 6 系列标准为基础的一种宽带无线接入技术，是针对微波频段 提出的一种新的空中接口标准，可提供面向i n t e m e t 的高速连接，覆盖范围可达 5 0 k m ，峰值速率可达7 5 m b p s ，适用于有线接入性价比不高的环境。w i m a x 网络 具有服务质量q o s 保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，通用移动通信系统) 是高级 化标准组织3 g p p 制定的全球3 g 标准之一。使用w c d m a 作为底层标准，由3 g p p 定性，代表欧洲i t u i m t - 2 0 0 0 关于3 g 蜂窝无线系统需求的回应。u m t s 可支持 4 异构网络中业务流量分配算法研究 高达2 m b p s 的数据业务，与i p 结合将更好的支持交互式多媒体业务和其它宽带应 用，例如可视电话和电视会议等。 基于以上w l a n ，w i 眦和u m t s 网络特点的介绍，将他们融合在一起组 建起的异构网络，利用三个网络优势互补特性，形成一种相互补充的网络。三个 网络所覆盖的区域是各不相同的，其中u m t s 和w i m a x 覆盖区域较大，在这两 个网络的重叠覆盖区域，布设一个w l a n 网络。 在异构网络环境中，如何根据不同网络的传输状况和负载状况、网络通信费 用、传输功耗等因素，在多个网络之间合理的分配业务流量成为一个非常重要的 问题。此外，在网络传输状况变差而使当前用户的服务质量明显下降时，及时做 出反应，将此网络上承载的业务流转移给其它可用网络，从而保证用户业务传输 的服务质量。合理的流量分配方式，充分利用网络资源的同时也能优化网络的传 输性能。 1 3 本文内容安排 本文研究在异构网络中如何合理的进行业务流量分配，保证业务传输的服务 质量，并充分利用异构网络所提供的各种网络资源，提高网络整体性能。 本文内容安排如下： 第一章：绪论。简要介绍了异构网络的概念，并通过列举异构网络融合的例 子对异构网络进行说明，明确了本文的研究内容和章节安排。 第二章：异构网络中的关键技术及本文研究的重要性。主要介绍了异构网络 中的关键技术，并对本文研究的问题进行进一步分析，明确本文研究的重要性。 第三章：基于时延的网络流量分配算法。分析基于链路时延的流量分配算法， 针对此算法在异构网络流量分配中的不足，提出了综合考虑网络负载状况和网络 中链路时延进行业务流量分配的算法，仿真验证该算法具有良好的分配性能，尤 其在异构网络中有网络业务达到饱和状态的情况下，能够保证业务传输的实时性 和可靠性。 第四章：基于负载的流量分配算法。针对流量分配算法采用定时反馈机制感 知网络状况带来网络开销大的问题，改进负载状况感知机制，仿真验证改进后流 量分配算法有效减少了网络开销。基于网络节点对网络负载的感知，提出基于网 络负载状况的流量分配算法，仿真验证流量分配算法具有良好的分配性能。 第五章：总结与展望。对论文的工作进行总结，并对后续工作进行展望。 第二章异构网络关键技术及流量分配重要性5 第二章异构网络关键技术及流量分配重要性 在异构网络中，不同网络间存在许多差异性和不可兼容性，如频段特性，接 入技术，链路特性，业务提供能力，空中接口及通信协议等，这些差异性的存在 使得目前各种无线异构网络和通信系统面临一系列的问题和挑战。如何为用户提 供无缝切换，以及如何实现网络资源的充分利用和端到端服务质量( q o s ) 保障，成 为研究人员亟待解决的问题。 2 1 异构网络关键技术 实现异构网络融合是一项十分复杂的系统工程。要实现异构网络的无缝融合， 为用户提供多样化服务，必须对异构网络关键技术进行研究。现在，异构无线网 络研究已成为业界研究的热点，许多研究组织和机构纷纷开展了对异构无线网络 关键技术的研究，其中有在欧盟信息社会技术( i s i ) 框架下的b r a i n m i n d ， 咖g l a s s ，t r u s t s c o u t ，d r i v e o v e r d r i v e ，s u i t e d ，e t s i n r a n 3 g p p 等，国内外对异构无线网络相关关键技术的研究主要有：无线网络资源管理、通 用链路层技术、跨层设计等，其中无线资源管理中的垂直切换、网络接入选择、 负载均衡等受到广泛关注。 2 1 1 通用链路层技术 不同的无线接入网络基于不同的业务模型设计空中接口，所以无线通信系统 的物理层( p h y ) 调制解调技术和介质访问层( m a c ) 的接入技术完全不同。融合网络 的接入网必须支持不同网络的空中接口标准，并考虑接入网间的协议及信令转换 等问题。各个网络的移动性管理和无线资源管理机制也完全不同，这就需要有一 个协调机制完成网络间的切换、无线资源的有效利用。 通用链路层( g l l g e n e r a ll i n kl a y e r ) 5 1 6 j 就是在原有协议层上增加的通信层， 用来为不同的无线接入机制提供统一的链路层数据处理。引入通用链路层的目的 主要是为用户提供更好的服务质量，并且为在不同网络间提高资源的有效利用提 供基础。g l l 层的设计可与m a c 层进行不同程度的耦合，一般来说，耦合程度 越高，系统互联的复杂度越高，但能带来更高的接入增益。通用链路层的功能包 括： 1 ) 不同接入技术在该层汇聚，它对不同接入技术链路层数据进行处理，为上 面的协议层( 如网络层) 提供统一的接口，屏蔽底层接入技术和协议的差异性。 2 1 为用户数据包在不同网络间的分配调度提供实现基础，以利于网络分集增 6 异构网络中业务流量分配算法研究 益。 3 ) 对不同接入技术的无线链路控制或者m a c 功能进行控制补充，达到资源 的有效利用以及最大化应用层性能。保持网络协议层的模块化结构，以支持不同 接入技术间的融合 4 ) 利用通用链路层收集网络状态信息，并传递给上层，对不同接入网络的移 动性、业务状况、网络时延等网络状态进行监控，以支持接入网络间的有效管理。 g l l 位于原有协议数据链路层( l 2 层) 之上，网络层( l 3 之) 下，并按照l t e 提 出的控制及数据层面分离的演进思路，g l l 跨越这两个层面，分别被定义为g l l 。c 和g l l d 。在用户层面，g l l d 对不同网络格式不同的m a c 数据进行统一处理， 将同一格式的数据流提供给上层。在控制层面，g l l c 搜集各个网络的反馈信息， 传递到资源管理单元，以支持网络资源的动态管理。 本文采用通用链路层，屏蔽底层接入网络技术以及不同接入方式下协议数据 单元的差异性，为之上的网络层提供统一的数据接口，从而为实现业务在不同网 络间分配和调度奠定了基础。 2 2 2 异构发送接收分集 异构网络采用多网络接入技术，通用链路层在不同网络间实现业务的分配和 调度，需要进行异构发送分集。异构发送分集指的是业务流通过多个接入网络进 行串行或者并行的传输，利用多接入网络的不同增益特性，使用户业务获得更好 的服务质量。异构网络环境中，通过发送端的数据分集，将两个通信实体间的数 据包( i p 或m a cp d u ) 分配在基于不同接入技术的网络链路上。由于采用了不同的 接入技术，在发端可以选择不同的接入网络，业务数据在异构网络中传输经历不 同的信道衰落，在接收端合并接收到的数据，则可以获得空间分集及异构分集增 益，提高数据收发的可靠性，同时提高整个系统的资源利用率。如图2 1 所示，为 基于g l l 层的异构发送分集在下行链路上的分集发送过程，上层的多个用户将应 用数据i p 包发送到g l l 层，该层的分组调度器综合考虑网络信道质量、可用质量 反馈、网络业务状况等状态信息后，动态选择用户和接入网络链路，将数据包发 送到相应的网络中去。实现上述功能需要三个重要的组成模块： 1 ) 接入选择和分组调度器，选择不同的用户数据在不同的网络链路上进行发 送。 2 ) 网络资源及承载状态信息反馈，以提供给分组调度器进行发送。 3 ) 错误控制级反馈机制，以利用多介入特性进行重传。在参考文献 6 】中，根 据网络融合中g l l 与原有协议层的耦合程度，异构发送分集可分为基于i p 层的异 构发送分集和基于m a c 层的异构发送分集，前者基于i p 数据包进行网络选择和 第二章异构网络关键技术及流量分配重要性 7 分组调度。而后者基于m a c 层的p d u 进行业务数据分配。 2 2 3 无线网络资源管理 r t i 图2 1 基于g l l 的分集发送 异构网络频谱资源非常稀缺，如何实现网络频谱资源的分配和利用是一个关 键问题。无线通信技术支持的数据传输速率越来越高，无线频谱资源面领着严重 挑战，对无线网络资源尤其是频谱资源实现动态分配与管理，大幅度提高频谱资 源的使用效率，是解决频谱资源紧张的重要途径。在异构混杂网络环境中，不断 增长的新业务及无线网络有限的带宽容量，需要根据网络业务状况，高效的分配 和利用网络资源，最大化系统容量。 无线资源管理的实现方式为集中式控制和分布式控制，资源管理的程度依赖 于采用何种实现方式。集中式的资源管理方式通过对全网络资源的统一管理，最 容易达到全局资源最优使用和最大化系统收益的目的，但是，这种方式需要获取 整个网络的状态信息，网络开销比较大，另外统一管理的方式扩展繁琐，灵活性 差。分布式协同资源管理方式可以灵活改变管理方式，扩展管理内容，很好的解 决可扩展性问题。分布式协同资源管理方式虽然可以通过增加信息交互作为代价 提高系统总体性能，但是也难以达到最优化使用全网资源的效果。为进行有效的 资源管理，需要考虑众多参数：网络拓扑，网络容量、链路条件、业务q o s 、用 户要求、运营策略等，因此，资源管理涉及多目标优化问题【7 】【8 1 。协同资源管理从 功能上又包括：多接入选择( m u l t i r a d i o a c c e s ss e l e c t i o n ) ，系统间切换，负载均 衡( l o a db a l a n c i n g ) ，动态频谱控$ 1 j ( d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ) 等i 州1 1 0 j 。 1 1 多接入选择技术 8 异构网络中业务流量分配算法研究 异构无线网络中存在多个网络可供用户使用，为用户接入网络提供了多种选 择。接入时的网络选择从实现角度上可以分为两个方面：在异构网络环境下，用 户在新业务产生或其它条件下，如切换、负载均衡、q o s 保证下降等条件，要求 重新选择网络时，如何动态的根据用户偏好及网络性能，设计网络接入选择算法， 选择最佳网络进行接入。另一方面，根据异构网络信道变化和网络业务情况，设 计异构网络下的分组调度算法，动态分配分组包在适当的一个接入网络或者多个 接入网络上传输。异构无线网络选择技术通过对网络业务进行管理和调度，来获 取良好的网络传输性能。 2 ) 垂直切换技术 用户在异构网络中移动，所处网络环境实时变化，当前使用的网络不能满足 用户服务质量要求或者移动到的区域不在当前网络覆盖区域时，需要进行不同网 络间的切换。异构网络中的切换主要考虑垂直切换。垂直切换是指不同技术的网 络之间的切换。例如从当前使用的w l a n 网络切换u m t s 网络，从w i m a x 网络 切换到a d h o c 网络等。用户在不同网络之间的移动称为垂直移动，实现无缝垂直 移动的最大挑战在于垂直切换。垂直切换就是在移动终端改变接入点时保持用户 持续通信的过程【1 1 1 。在异构网络的环境下，传统的采用比较信号强度进行切换的 决策方法已经不足以进行垂直切换。由于异构网络中切换前后网络特征差异大， 切换之间的指标不具有可比性，垂直切换决策除考虑信号强度外，还需要考虑到 用户偏好、服务费用、服务类型等多种因素，是典型的多目标决策问题【1 2 】。 3 ) 负载均衡技术 在市区等用户业务比较密集的地区，容易形成通信的热点地区，热点小区通 信的业务量大，新呼叫被阻塞的概率以及呼叫切换掉线的概率非常高。然而相邻 地区的通信量较少，信道容量盈余，使得整个异构系统下业务量的分布很不平衡， 异构网络提供的资源不能被充分利用 1 3 1 。如果能够在异构网络中将各个网络中的 业务量进行适当的均衡，把用户业务繁忙的网络或者同一网络中的热点小区的业 务量分配部分给其它网络或者同一网络中的其它小区，引入业务负载均衡策略， 就能够将业务均匀的分布到整个异构网络上，从而提高系统整体的资源利用率， 避免业务过多聚集于某个网络，而导致网络阻塞的现象，从而提高网络整体的资 源利用率，提高系统容量，使整个网络能够容纳更多用户业务，为用户提供多样 化的服务及更好的服务质量。 负载均衡的基本方法为信道借用和负载转移【1 3 】【1 4 l 。信道借用由k i m 在固定信 道分配的蜂窝网系统中提出，通过定义小区分族，在族内小区之间采用动态分配 带宽的方式，族内相邻小区之间可以相互借用信道带宽。在族内为每个小区定义 一个负载范围 m n , m a x , 来确定小区的三种负载状态，当小区负载小于彪巩 时小区为轻负载状态；当负载大于m a x b 处于高负载状态，当小区负载大于心 第二章异构网络关键技术及流量分配重要性 9 而小于m a x b 为中等负载状态。高负载状态的小区通过向低负载小区借用信道带宽 来承载较高的业务负载。可见，信道借用适用于同构网络同种类型的小区之间， 对于异构网络，属于不同网络的相邻小区之间具有不同的信道特性，使用不同的 频段和带宽，相互之间不能借用信道，信道借用的负载均衡方式并不适合异构网 络。负载转移的方法使欲接入超载小区的终端接入到其它小区中去，但是要求用 户能够接收到多个相邻小区的基站信号，从而限制了对距离稍远一点但负载很轻、 适合进行流量均衡的小区的利用。 2 2 4 跨层设计 传统的通信系统设计严格遵循分层的o s i 模型，各层之间缺少交互，不同协 议层之间的信息不能共享，各层之间缺少交互，上层不能充分利用下层的信息做 出良好的决策。异构网络中业务流量分配到各网络中，在网络中形成了不同的负 载状况，网络中节点接1 ：3 缓冲队列的排队情况反映了节点的负荷状况，这就要求 上层的流量分配机制能够感知底层状态信息，对业务分配做出及时调整，各层协 议之间能够根据需要互相交换信息，迅速做出决策，提高网络传输性能，实现更 好的服务。 2 3 网络流量分配 目前，关于异构无线网络的研究主要集中在异构网络间的垂直切换、网络资 源管理和网络接入选择等方面，而对异构网络间的流量均衡则鲜有研究0 5 j 。通过 引入业务流量分配( 分流机s d ) 机制，可以在异构网络中将业务负载分配到各个网络 中去，达到一种业务负载均衡分布的状态。在异构网络中引入流量分配机制，有 助于提高异构网络系统整体的资源利用率，增加网络容量，扩展网络覆盖范围和 避免业务量过于集中于某个网络而导致网络超载发生拥塞，为用户提供多样化服 务和保证更好的服务质量。 文献【1 6 】【1 7 】提出了将进化博弈论应用于异构通信网络中进行业务负载分配的 模型，虽然进化博弈理论的发展迅速，但是对它的研究处于初级阶段还不够成熟。 文献【1 5 】提出了基于逗留时间的异构分层无线网络中动态流量均衡算法，该方法依 据逗留时间门限值将重负载小区中满足一定条件的呼叫转移到轻负载的覆盖小区 中。研究侧重于对用户呼叫的切换，没有充分利用异构网络多网络可同时提供服 务，可将用户业务分摊传输的特性。文献 1 8 0 9 1 基于多模终端的普及，设计了异 构网络中能够为多模终端分发业务流的方法，在多模终端有多种不同类型的会话 业务流需要传输时，根据不同业务特性、当前网络状态、用户要求等因素，为多 模终端提供自动合理的分发业务流机制。 1 0 异构网络中业务流量分配算法研究 但现有方案中，缺少框架结构，大多局限于业务流分发算法本身，缺少从整 体结构层面对业务流分发问题进行分析考虑，特别是决策方法需要哪些模块，模 块之间存在哪些交互，没有较为系统详细的描述；另外，这些算法缺少对异构网 络特性的研究，对网络负载状态的考虑不够。 异构网络中，各子网信道带宽、网络拓扑结构的差异性，使网络具有不同的 容量和吞吐量，因为网络承载业务能力具有差异性。不同网络承载相同业务量时， 网络负载状况是不相同的，例如，同样大小的业务量，分配到承载能力低的网络 中，会使网络处于重负载状态；将此业务量分配到承载能力强的网络中，网络处 于轻负载状态。因此，在异构网络中进行流量分配时，需要充分考虑网络当前的 负载状况，合理分配业务到各个网络，才能充分利用网络资源。在异构网络中， 研究能够表征网络负载承载特性的指标，对业务流量分配具有重大意义。为了能 够表征网络承载负载特性，本文提出以网络平均时延作为网络负载状况的指标， 以网路平均时延衡量网络承载业务的能力。 本文基于异构网络传输状态和网络负载情况，提出了一种在异构网络中具有 良好分配性能的基于网络综合时延的流量分配算法，该算法能够将业务均衡的分 配到各个网络。尤其在网络业务达到饱和状态或者超过饱和状态的情况下，该算 法能够保征业务端到端的服务质量，获得良好的系统传输性能。基于网络综合时 延的流量分配算法通过实时的获取网络传输状况，并考虑网络负载状况，自适应 的调整分配到异构网络中各子网业务流量分配比例，将业务合理的分配到异构网 络的各个网络中，使业务不会聚集于某个网络，从而是业务能搞在异构网络中流 畅地传输。 2 4 本章小结 本章首先介绍了异构网络中的关键技术：通用链路层，异构网路发送分集， 协同资源管理。其次，介绍了异构网络分流的重要性，介绍现有异构网络流量方 法的基础上，简要介绍了本文提出的异构网络流量分配算法。为后续章节中异构 网络流量分配算法的研究做准备。 第三章基于时延的异构网络流量分配算法 1 1 第三章基于时延的异构网络流量分配算法 时延是衡量网络传输性能的一个重要指标，本章参考交通网络交通流分配思 想，在异构网络中，实现了按照网络中链路时延进行流量分配的算法。针对该算 法在异构网络中进行流量分配存在的不足，通过分析异构网络各子网时延特性， 考虑网络业务状况和网络传输状况，提出了基于网络综合时延的流量分配算法。 仿真结果表明，基于网络综合时延的分配算法，具有良好的分配性能，特别是在 异构网络中当网络业务达到饱和状态时，能够保证业务传输的实时性和可靠性。 3 1 流量分配机制的构成 业务在网络中传输的服务质量是网络传输性能的一个重要标志，对异构网络 来说，由于存在多种不同的网络，如何有效快速的进行业务传输，是异构网络研 究的一个重点。异构网络是由多种不同类型的网络构成，现有的业务传输方式是 业务接入到某个网络进行数据传输，这样可能导致一种现象产生：在市区等人口 密集地区，容易形成通信热点地区，此区域某个网络的用户很多，用户接入该网 络，大量的业务致使该网络相当繁忙，而该区域的其它网络用户较少、网络空闲， 区域内网络资源不能得到合理的利用。为解决这一问题，充分利用异构网络中各 子网资源，我们参考交通网络流量分配模型，按照网络链路时延，实现了异构网 络中业务流量的分配。本文研究有三个网络共同覆盖的区域内，业务流量在异构 网络中如何合理分配的问题，研究场景如图3 1 所示。 图3 1 异构网络场景 1 2 异构网络中业务流量分配算法研究 3 1 1 流量分配框架 异构网络中，多个网络同时存在，共同覆盖同一区域，为用户业务接入提供 了多种选择。在多接入的情况下，依据网络业务状况、网络链路传输状况等因素， 制定合理有效的网络流量分配策略，将业务分配到多个网络中去，实现网络业务 的平衡分布，充分利用异构网络所提供的网络资源，保证服务质量( q o s ) 的同时获 得良好的网络传输性能。业务流量分配机制如图3 2 所示，网络中有业务到来时， 启动流量分配器，将业务分配给异构网络中的不同子网。 图3 2 网络流量分配示意图 异构网络拓扑动态变换，网络环境复杂多变，网络信道状况和网络业务状况 实时改变，进行网络流量分配时应当依据当前的网络状态而采用不同的分配方式。 因此，网络流量分配机制由两部分组成：( 1 ) 网络状态认知；( 2 ) 流量分配策略。准 确的认知当前网络状况并对网络状况做出合理的预测，才能为流量分配决策提供 有效依据。 网络业务量改变网络所处的状态，因而流量分配策略影响网络状态。反过来， 网络所处的状态，也制约这流量分配策略的制定，影响流量分配策略的结果。网 络状态和业务流量分配相互影响，相辅相成，处于动态的平衡中。异构网络中引 入流量分配机制，充分利用系统提供的网络资源，提高系统的容量和传输性能。 异构网络中实现业务流量分配过程，需要如图3 3 所示的各功能模块之间的相 第三章基于时延的异构网络流量分配算法 1 3 互协作。本文业务流量分配过程采用如图3 3 的结构来实现，从应用层到来的业务， 通过传输层的封装，传递到网络层，此时，启动流量分配器，流量分配策略从网 络状态管理模块获取分配依据，计算各个网络分配的流量大小，将分配结果递交 给流量分配执行模块，控制流量分配的实现。业务流量的分配需要认知和估计网 络状态，因此，需要网络状态检测模块来检测网络的各种状态。本文对异构网络 各个子网性能进行研究，基于网络的时延性能和网络负载状况，制定使负载在异 构网络中均衡分布的业务流量分配算法，充分利用各个子网的传输资源，提高网 络对业务的q o s 。 图3 3 异构网络中流量分配执行框架图 网络状态管理包含两个模块：网络信息处理模块和网络状态检测模块，如图 3 4 所示。网络状态检测模块检测网络状态信息，递交给信息处理模块，由它处理 后将处理结果递交给流量分配策略模块，供流量分配策略模块做流量分配的决策。 1 4 异构网络中业务流量分配算法研究 3 1 2 时延指标的选取 网络信息 处理模块 t 网络状态 检测模块 图3 4 网络状态管理模块 异构网络为多种业务提供服务，例如语音、数据、多媒体等，不同的业务有 不同q o s 要求。业务在网络中传输的服务质量要求主要由实时性和有效性来衡量， 按照业务这两方面的要求，可将业务分为实时性业务和可靠性业务。网络中业务 数据的服务质量q o s 参数包括时延、时延抖动、分组丢失率、可用带宽等。基于 i p 协议的实时视频、语音等业务，对时延、抖动要求高，属于有实时性要求的业 务。这里，我们选用了业务流量通过异构网络系统传输所需时延最小作为优化的 目标，在异构网络中进行业务流量的分配。因为网络传输的时延较容易获取，仅 通过检测网络传输链路上传输数据的延迟即可，并且时延是网络性能重要指标之 一，对于有实时性要求的业务，较小的时延是很重要的。目前基于i p 网络中的大 部分业务基本上是没有q o s 要求的数据业务，且可以由t c p 的重传机制来保障分 组的丢失率，所以选取时延作为衡量网络变化的指标具有重要意义。业务流量总 时延最小意味着业务传输所占有的网络资源能够被尽快的释放，网络具有更高的 传输转发效率，网络能够为更多的业务进行服务，更充分的利用网络资源。所以 选用流量总时延最小作为流量分配的目标是有理论和应用意义的。实际的网络传 输中，很难精确的获取网络中链路的流量负载和时延的封闭数学函数，而且网络 中一条传输链路的流量负载为其当前分配到该链路上的流量负载和其固有的流量 负载之和，而对于后者很难实时获得，所以只能借助于其它方法。 第三章基于时延的异构网络流量分配算法 1 5 3 2 基于链路时延的流量分配算法 3 2 1 网络传输时延分析 衡量网络传输能力的一个重要指标是数据分组从源节点传到目的节点的时延。 网络时延包括四部分：处理时延、等待时延、传输时延和传播时延。处理时延是 指分组到达一个节点输入端与该分组到达节点的输出端之间的时延。排队时延是 分组到达传输队列到分组实际开始传输的时延。本文中队列位于节点的输出端， 排队时延就是分组进入输出队列等待至分组开始传输的时延。传输时延是指发送 节点在传输链路上开始发送分组的第一比特至发送完成最后一个比特所需要的时 延。传播时延是指发送节点在传输链路上发送第一比特的时刻至该比特到达接收 节点的时延。假设两节点距离为l ，无线电波以光速y 传输，则传播时延为：乞= l y 。 信道带宽为c 的链路上分配业务量为x 时，传输时延为：= x c 。在异构网络中， 各个网络带宽不同，网络的传输速率差异可能很大，即c 差别很大，因此，不同 网络的传输时延不同。等待时延是分组在数据链路层，数据帧在发送队列中等待 m a c 产生发送的时间，包括在缓冲队列中的排队时间t 和进行信道竞争等到信 道空闲的时间o ，其大小由节点中待发送的数据量、当前网络业务流量和m a c 接入机制决定。因此，影响等待时延的重要因素主要有缓冲队列长度、m a c 层接 入协议和网络负载。排队时延虽然不能给出确定值，但其上界可由最大截止期和 队列长度确定【2 0 】【2 1 1 ，信道竞争时间主要受m a c 接入机制、网络负载和应用层调 度机制影响，难以给出统一的数学描述。 业务在网络中传输，将链路的传输时延看做业务传输的代价，我们总是希望 业务在网络中传输能够花费很少的代价，即希望业务传输的时延尽可能的小，这 对于实时性要求高的业务来说是很有意义的。通过上述对时延的分析，选取业务 在网络中传输的链路时延作为衡量网络传输性能的指标，依据此指标来制定合理 的流量分配策略。 3 2 2 流量分配模型 异构网络业务流量的分配较少有人研究，对于业务流量分配的研究主要集中 于同构网络中多路径的流量分配和交通网络中的流量分配。鉴于异构网络和交通 网络中的某些相似性，如业务流量和交通流量在网络( 路网) 中传输( 流动) 都会产生 时延并且时延和网络链路上承载的流量呈正比例关系。交通网络中的流量分配就 是在给定网络上总的交通需求量或需求模式的情况下，按照某种准则，将这些交 通量( 出行量) 分配到路网上，就是所谓的交通配流( t r a f f i ca s s i g n m e n t ) l h 题。 1 6 异构网络中业务流量分配算法研究 对交通配流问题的研究可分为三个阶段：确定性用户平衡 d n - d u e ( d e t e r m i n i s t i cn e t w o r k s d e t e r m i n i s t i cu s e re q u i l i b r i u m ) 分配阶段、确定性 网络随机用户d n s u e ( o e t e r m i n i s t i cn e t w o r k s s t o c h a s t i cu s e re q u i l i b r i u m ) 分配阶 段、随机用户平衡s n s e ( s t o c h a s t i cn e t w o r k s s t o c h a s t i ce q u i l i b r i u m ) 分配阶段。 d n d u e 认为网络状态是确定的，假定用户对路网情况十分了解，用最短路径作 为分配的基础，采用“全有全无”的流量分配方式；d n d u e 阶段，认为网络上 出行者对网络状况有一定的认识，但存在认知上的无误差，通过引入效应理论， 考虑起讫节点对之间所有有效路径和用户信息的不完全对称性，即用户对同一网 络路径的估计存在差异性，并且出行者对网络认知的误差是服从统计意义上 g u m b e l 分布的随机误差，依据误差最小对流量进行概率( 比例) 分配。s n s u e ( s t o c h a s t i cn e t w o r k s s t o c h a s t i cu s e re q u i l i b r i u m ) 阶段，这个阶段不仅认为出行者 对网络状况的认识误差具有一定的随机性，并把这种随机性也考虑到网络平衡分 配模型中。 交通路网流量分配中，使用图论可将交通路网抽象为网络图，由节点和连接 节点的弧组成。节点一般代表道路网中的十字路口及交通小区的重点。弧则代表 节点之间存在的道路或者路段，但这种弧不代表道路的形状和长度。出行者在交 通网络中行驶构成交通流，在交通小区上产生入交通流和出交通流，称为起讫点。 交通流在道路上流动，总会遇到阻抗，阻抗大小取决于网络弧承受流量的能力和 弧上已承载的流量。交通网络上，弧( 道路) 的阻抗是车辆行驶所需要的时间、耗油 量等，但主要的是时间，即使有必要用到其它阻抗，也常常可将其转换成时间来 度量。交通网络路段阻抗具有出行者通过路段的时延随路段流量的增大而增大的 特性。这与实际生活中我们的直观感受也是相符合的，路段交通越拥挤交通流量 就越大，通过此路段所需要的时间就越长。 异构网络中可以将产生业务流的源端与接收业务流的目的端看作网络的起讫 节点。节点之间的链路作为交通网络中节点间的路段。业务在链路上传输产生时 延，网络承载业务流量的能力和链路上的流量大小决定了业务流通过网络的链路 的传输时延。但是，很难精确给出网络链路传输时延大小和网络中链路流量的封 闭数学函数。网络中一条链路的流量负载为其源端当前分配到该链路上( 或者其它 业务在此链路上产生的负载) 的流量负载和其固有的流量负载之和，链路负载会发 生实时变化，很难获得。网络链路传输时延可以通过检测源目的端链路传输分组 时延的方法获得。通过获取的网络链路时延，结合交通网络流量分配的某些思路 以及f i s k 提出的流量优化模型【2 2 】【2 3 1 ，依据网络传输时延，将业务流量分配到异构 网络中去。 异