無線通訊系統端到端通訊傳輸時延保障性分析①

杜家祺

(延安大學,陜西 延安 716000)

0 引 言

隨著社會化需求的規模增大,無線網絡傳輸在精密生產過程規?；詣涌刂浦械淖饔弥饾u顯現,另一方面無線網絡傳輸自身時延性特性易導致精密生產的過程中出現失誤[1-3]。在無線網絡傳輸的端到端環境下,網絡的整體可靠性會受到協作性需求的影響,進而形成時延不穩定等狀況,而網絡切片定制則可以為終端客戶提供更加可靠的端到端時延保障[4-6]。端到端切片定制可以在實例化中實現高效的資源調度[7-9]。因此研究以端到端無線網絡環境為主要對象,利用鞅域技術建立端到端可靠性框架,并在此基礎上利用可靠性分解帶寬抽象算法設計端到端切片定制算法,實現端到端網絡通訊的時延分析和時延控制。

1 無線通訊端到端傳輸時延可靠性分析模型建立

1.1 端到端可靠性框架建立

在現代自動化領域中,毫秒級別時延的數據端到端傳輸是工序步驟精準性的必要保障之一,而針對無線通訊系統端到端低時延傳輸性能進行可靠性分析則為端到端傳輸的性能改進提供了有效途徑[10]。研究采用鞅技術作為可靠性分析方法,進行鞅域可靠性分析框架建模。在多用戶的端到端通信場景中,數據流在服務器中生成,在經過一個無線接入節點和多個互相串聯的路由器節點后傳給用戶,這條傳遞路徑便被稱為端到端鏈路。端到端的切片定制是針對宏觀時間尺度和微觀時間尺度進行切片,宏觀尺度以幀計量,微觀尺度以時隙計量。在此基礎上,端到端的切片可以分為接入網切片和核心網切片兩個部分。其分析結構見圖1。

圖1 端到端的切片定制主體結構

圖1可以看出針對用戶的端到端切片以并聯傳輸場景為主,可以實例化為接入網和核心網兩部分,其中又包含聯網節點、邊緣服務器等,在切片過程中以每幀為起點進行用戶中心式組網,并在時隙單位內進行資源調度。端到端鏈路形成的并聯傳輸排隊模型如圖2所示。

(1)

式(1)中Ch表示服務速率,ps表示轉發概率。進而可以將端到端鏈路的時延可靠性下界表示為式(2)形式:

REu≥1-Πl∈LN

(1-Fu,l(au,l(n),Su,l(n),|Hu,l|,Wmax))

(2)

式(2)中:Wmax表示時延閾值,|Hu,l|代表跳數。

圖2 端到端鏈路并聯傳輸排隊模型

1.2 端到端切片定制算法設計

研究設計的端到端切片定制算法是以用戶為中心點形成的組網算法,利用可靠性分解帶寬抽象算法針對端到端試驗可靠性要求進行拆解,拆解為在系統中呈現并聯狀態的單條端到端鏈路,進而對每條鏈路的可靠性目標進行獲取。具體算法流程如圖3所示。

圖3 端到端切片定制算法流程

圖3中,帶寬抽象算法通過對所有節點需要的帶寬進行確認和記錄,同時以平均傳輸功耗最小化為目標,針對接入點的平均傳輸速率進行適當約束,將可靠性問題轉化為隨機優化問題。同時算法采用Lyapunov漂移懲罰框架,建立虛化隊列,進而將宏觀時間角度下的優化問題轉化為微觀時間尺度上的資源分配優化問題,在微觀時隙間對用戶設備與相關功率的分配進行優化調度,以每一時隙的用戶設備調度來完成時延可靠性保障?？煽啃苑纸鈳挸橄笏惴ǖ目煽啃员Ｕ蟽灮瘑栴}如式(3)所示:

(3)

(4)

式(4)中αi,u(n)表示調度因子矩陣,pi,u(n)表示傳輸功率矩陣,i表示接入節點,L與U分別表示平均傳輸速率需求。而Lyapunov DPP函數則可以寫為:

Δv(J(n))=Δ(J(n))+

VE[∑i∈L∑u∈Uiαi,u(n)pi,u(n)|J(n)]

(5)

式(5)中V代表懲罰因子,J(n)代表虛隊長。此時可以在每個時隙上對Lyapunov DPP函數進行最小化約束,進而避免虛隊列的不端增長,控制隊列的穩定性,保障功耗的最小化。

2 無線通訊端到端傳輸時延可靠性分析

2.1 框架評估仿真結果

研究將從框架仿真結果和算法性能對無線通訊端到端傳輸時延進行可靠性分析。在仿真分析部分,研究首先建立一個端到端串聯排隊仿真系統,該系統能對節點的收發過程進行模擬,其中首個節點的數據包服從泊松分布規律,平均到達為每時隙5包,首個節點的服務過程為每時隙6包,其余節點產生的數據包服務符合集合分布規律。端到端時延不可靠性仿真結果與理論上界的對比結果如圖4所示。

由圖4可知,不同跳數條件下,仿真值顯示出端到端的時延可靠性在時延閾值產生變化的情況下較為敏感,當時延閾值得到放松時,模型的不可靠性會立刻進入迅速下降的趨勢。同時從變化趨勢中也可以看出,仿真得到的結果與推導結果具有較好吻合性,由此可得,研究設計的端到端時延可靠性分析框架是有效的。同時從對比中可以看出,研究設計的端到端時延可靠性分析框架在時延性能分析中得出的結果是更加精準,更適合用于時延可靠性評價之中。同時從時延閾值角度來看,隨著跳數的變化,時延閾值同樣呈現出線性增加的趨勢,其中并未出現明顯的突增或者突降,因此可以看出,相較于不可靠性,時延閾值的變化是穩定的,跳數控制對于不可靠性的影響更加強烈。

圖4 端到端時延不可靠性仿真結果

2.2 算法性能評估

研究在進行算法性能分析時,從不同時延可靠性處理方式進行分析,三種方式分別為研究設計的算法優化分解、平均分解及單鏈路不分解三種形式。具體對比分析結果如圖5所示。

圖5 算法分解分析結果

從圖5中可以看出,在算法分解后的目標時延可靠性上,3跳的可靠性要遠遠小于2跳。

從折線分布排序中可得,研究設計的算法鏈路分解后,2跳與3跳鏈路在各節點下的抽象帶寬都是較接近,這表示研究設計的算法可以對并聯系統中的各個節點的服務能力進行平衡。從總抽象帶寬上來看,相比平均分解,研究設計的算法優化分解的系統總抽象帶寬最小,即可以用更少的資源實現更多的可靠性保障。從不分解可靠性要求與分解可靠性要求數據分布中可以看出,隨著用戶設備數量的下降,全網可靠性是必然呈現下降的趨勢的,這是由于在有限的節點資源必然會在增多的用戶需求下出現調配不足的情況,而與不可靠性分解相比,研究設計算法的可靠性分解可以很大程度上延緩隨著用戶需求增多產生的可靠性下降趨勢。算法收斂性對比如圖6所示。

圖6(c)為虛隊長在幀數變化下的變化狀況,可看出在幀數變化下,算法在每個時隙的資源調度都是穩定且連續的。從算法收斂性角度來看,在研究設計的算法作用下端到端時延不可靠性在迭代50次進入穩定階段。但在跳數不同的情況下,3跳形成的收斂折線收斂速度更快,在不到10次迭代的情況下便達到了收斂。從總抽象帶寬角度來看,研究設計算法能在25次迭代內達到穩定收斂,3跳情況下收斂狀況更佳。從懲罰因子角度來看,懲罰因子的增大會造成平均功耗的顯著降低,其中降低速度最快的階段位于懲罰因子量化數值20到50之間,在懲罰因子到達50后,下降速度逐漸平穩。同時平均傳輸速率也會在懲罰因子下降時出現顯著下降,在懲罰因子量化數值50之前下降速度更快?？梢?0是懲罰因子的重要設定節點,既能顧及功耗控制,也能顧及服務供應。

圖6 算法收斂性與可靠性對比

3 結 語

研究針對精密化控制失誤率過高的問題,從端到端時延可靠性角度入手,設計針對無線通訊系統端到端低時延傳輸性能進行實時評估和可靠性分析的網絡切片定制算法。采用仿真實驗驗證算法性能。結果顯示,研究設計可靠性分析框架在時延性能分析中結果更加精準且其服務能力平衡能力更強。該算法的可靠性分解可以很大程度上延緩需求增多產生的可靠性下降趨勢,且算法自身具有較強的收斂優勢,在平均功耗和平均傳輸速率上均在迭代50次左右達到收斂。由此可見研究設計的方法在端到端時延可靠性檢測和控制中具有更強的穩定性優勢,在面對用戶需求時可以在有限的資源中做到優化分配,縮短時延,提升傳輸效果。