基于认知网络资源接纳控制技术分析

翟 莉,贾慧英,杨 征

(1.武警石家庄指挥学院,河北石家庄050061;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

认知网络是近几年比较热点的研究领域,是针对未来网络的复杂性、异构性和可靠性要求而提出的,其目标是提供比非认知网络更好的端到端性能。资源接纳控制是人们在下一代网络(NGN)中引入的一个全新的概念,通过资源接纳控制可合理调配认知网络资源,从而保证业务的服务质量。提出了一种认知网络资源接纳控制的框架结构,通过仿真验证了其技术可行性,并对采用资源接纳控制的认知网络的端到端服务质量(QoS)改善情况进行了分析。

1 体系结构分析与框架设计

1.1 认知网络结构

认知网络能够感知当前网络工作环境,并可按照端到端目标要求,根据网络状态进行规划、决策和执行下一步的操作。认知网络结构可抽象为“目标—认知决策—重配置”3个层次[1]。

目标层是认知网络的最顶层,包括端到端目标,该目标是根据用户、应用或资源提出的。这些目标通过认知规范语言(Cognitive Specification Language,CSL)映射为特定的机制要求,馈送给1个或多个相关的认知元素。

认知决策层根据目标层的要求、相关认知元素之间交换的元素状态以及认知元素感知的当前网络状态,按照一定的方法得出网络配置的决策。网络的认知可以是集中控制模式,也可以是分布式模式。

重配置层根据认知决策层的决策对实体网元进行配置调整,以满足目标层的需求;同时将网络状态通过状态传感器馈送给认知决策层。

1.2 资源接纳控制功能架构

在NGN的架构中,资源接纳控制功能(RACF)在服务控制功能(SCF)和传送功能(TF)之间[2],就网络中与QoS有关的传送资源控制充当着仲裁者的角色。

SCF是NGN业务层中抽象的功能实体,为指定的业务媒体流进行QoS资源和准入控制请求。

RACF由策略决定功能实体(PD-FE)和传送资源控制功能实体(TRC-FE)组成。其中,PD-FE是综合决策点和策略的下发点,它面向业务控制功能根据网络策略规则、SCF提供的业务信息、以及TRCFE提供的资源可用性信息做出最后的资源和准入控制决定。TRC-FE面向传送功能,与链路层技术相关,分网段管理传送资源,进行基于网段资源状态的准入决策。

TF在传送层接收RACF的指示,完成具体的资源提供和连接功能。TF由策略执行功能实体(PEFE)和传送资源执行功能实体(TRE-FE)组成。

1.3 框架设计

图1 认知网络的资源接纳控制框架结构

认知网络的资源接纳控制框架结构如图1所示,由应用层模块、传输层模块、网络层模块、媒体访问控制(MAC)层模块、无线信道模块、业务感知模块、网络感知模块、资源接纳控制模块、可重配置模块以及网关控制模块构成。

应用层模块实现面向用户的各种业务的产生、发送和接收;业务感知模块的主要功能是根据用户业务类型,对用户数据按照端到端的要求进行描述,为指定的业务媒体流进行QoS资源和准入控制请求。

资源接纳控制模块由接纳控制子模块和传送控制子模块构成。接纳控制子模块的功能是依据网络的策略规则,业务感知模块提供的服务信息,以及传送控制子模块提供的基于资源的接纳判断结果,就网络资源和接纳控制做出最终的决定,并在每个信息流的基础上控制网关控制模块的关口;传送控制子模块根据网络感知模块提供的网络资源信息,为信息流的接入进行传送资源接纳控制授权。

网关控制模块根据接纳控制子模块做出的决定,实现对信息流传送的门控;可重配置模块根据传送控制子模块的决策,对可配置网络元素进行调整;网络感知模块的主要功能包括网络环境信息的获取、表示、融合和利用。

传输网络由传输层模块、网络层模块、MAC层模块和无线信道模块组成,用于向应用层提供可靠的端到端服务,并根据资源接纳控制结果高效的利用网络资源。无线信道模块采用OPNET中的管道模型实现,为模拟真实的环境,在包传输的过程中按一定的分布插入误码。误码分布计算如下:

式中,Pk为k个比特错误的概率;p为比特误码率;N为包的长度;r为0～1之间的随机数;k为比特错误个数。首先根据比特误码率计算有k个比特数错误的概率,再和0～1之间的随机数比较,如果大于这个随机数,则给包分配k个比特错误。

2 基于OPNET的仿真实现

2.1 仿真模型

认知网络资源接纳控制框架采用OPNET仿真软件实现,仿真模型在OPNET中MANET节点模型的基础上,增加应用层仿真进程、业务感知仿真进程、接纳控制仿真进程、传送控制仿真进程、网关控制仿真进程、可重配置仿真进程以及网络感知仿真进程而构成,如图2所示。

图2 仿真模型

2.2 仿真运行过程

仿真运行过程步骤如下:

①应用层仿真进程实现业务的产生、发送和接收;业务源、目的和信息类型等均在此进程进行设置;

②业务感知仿真进程提取应用层业务的QoS参数(包括业务源、目的和优先级等信息),向接纳控制仿真进程提出包含QoS信息的传送资源请求;

③接纳控制仿真进程将从业务感知仿真进程接收到的业务QoS参数,基于策略规则,映射到网络的QoS参数;向传送控制仿真进程发送资源发起请求信息,以检查网络中相关资源的可用性;

④传送控制仿真进程根据网络感知仿真进程上报的网络状态信息,就传送资源方面做出接纳与否的决定,并将决策结果反馈到接纳控制仿真进程,同时根据决策结果对可重配置仿真进程进行相应的设置;

⑤接纳控制仿真进程根据传送控制仿真进程上报的决策结果以及接纳策略规则做出最终的接纳与否的决定,并将结果发送到业务感知仿真进程,同时根据决策结果对网关控制仿真进程进行相应的设置;

⑥业务感知仿真进程根据接纳控制仿真进程发送的接纳决策结果,通知应用层仿真进程是否开始业务的传输。

2.3 仿真场景设计

以地震通信为背景进行仿真场景设计。通信网络分为指挥中心(ZH)、安置中心(AZ)、灾区现场(ZQ)和救援物资中转中心(JY)4个区域,每个区域包含5个通信节点。救灾任务对通信网络的需求是:保障救灾物资在指挥中心的调度下,顺利中转到灾区现场和安置中心,在通信业务冲突的情况下,优先保障灾区现场的信息业务传输。业务信息流程如图3所示。

灾区现场和安置中心向指挥中心汇报物资需求;指挥中心把调度信息发送到救援物资中转中心;救援物资中转中心接到任务后把相应的物资发送到灾区现场和安置中心。在此过程中,救援物资中转中心会和灾区现场和安置中心交互物资运输的信息。业务产生参数配置如表1所示。

图3 业务信息流程

表1 业务产生参数配置表

3 仿真结果分析

采用资源接纳控制和未采用资源接纳控制2种模式下灾区现场到指挥中心物资请求信息传输成功率的对比情况如图4所示。

图4 业务传输成功率对比

从图4中可以看出,由于采用了资源接纳控制机制,对灾区现场到指挥中心的物资请求信息的传输采用了带宽按需分配、速率动态调整和优先级队列调度等机制,使得其业务传输成功率相对未采用资源接纳控制机制的通信方式有了明显改善。

采用资源接纳控制和未采用资源接纳控制2种模式下灾区现场到指挥中心物资请求信息传输时延的对比情况如图5所示。

图5 平均传输时延对比

从图5中可以看出,由于采用了资源接纳控制机制,灾区现场到指挥中心的物资请求信息的传输时延要优于未采用资源接纳控制的方式。

4 结束语

通过在OPNET仿真平台搭建仿真模型,进而以灾后救援物资的转运为背景,构建了仿真场景,对引入资源接纳控制机制后认知网络的通信性能进行了仿真分析和评估。认知网络采用资源接纳控制机制后可以通过调整业务优先级和修改保障策略等方式实现对重要业务的按需传送;在资源受限情况下,可优先保障高优先级业务的传输,改善了传输时延及成功率等全网性能指标,从而保证了在资源受限情况下用户要求的业务传输服务质量。

[1]糜正琨.认知网络与网络融合[J].中国新通信,2009(6):5-10.

[2]Recommendation ITU-T Y.2111:Resource and Admission Control Functions in Next Generation Networks[S].

[3]王文博,张金文.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京:人民邮电出版社,2003.