CCN 頻寬分配

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第四章、 CCN 頻寬分配

4.1、 設計理念與目標

一般而言，行動通訊基地台透過 BSC(2G)/RNC(3G)連接核心網路，在頻寬 使用上，通常具備下列特性：

 基地台通常各自有專用頻寬連接 BSC/RNC，其所擁有的頻寬則提供給信號 涵蓋範圍內的各用戶使用

 頻寬之分配及品質不因通話內容的重要性而有差異

 無特殊事件下，話務量之變化不大，不會瞬間大幅變動

 在商業因素考量下，常使用服務集縮比，通常為 1：20 [32]

當天然災害發生造成災區通訊受創，因而啟用 CCN 應急通訊系統時，先進 行拓樸規劃與建構排程，待佈建完成後，應急通訊服務開通，其涵蓋範圍內的手 機將恢復與行動核心網路各元件(如 VLR/HLR/MSC)的信號交換與註冊，重新進 入可收發話狀態，由於 CCN 之通訊資源有限且電信業者原本就有集縮比設計，

勢必無法滿足全部災區通訊需求。再考量到各地災情嚴重程度不同、緊急程度不 同、使用者話務功能重要性不同、通訊品質需求不同等因素，如何在最大化救災 效益的前提下，快速妥適的分配有限之頻寬資源成為 CCN 設計的一個重要課 題。

本文以 CCN 連外頻寬及各節點互連頻寬之分配為研究標的，在 CCN 轉送 拓樸(Forwarding tree)及可用頻寬已確定的情況下，進行頻寬分配之研究。

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4.1.1、 CCN 頻寬使用需求分析

CCN 通訊頻寬之限制與使用需求如下：

I. 頻寬資源有限

• 無法滿足所有連外頻寬需求。

• 鄰台連接頻寬有限且不等：CCN 以無線通訊方式連接鄰台，受距離等地 理因素影響，與鄰台互連之穩定可用頻寬，有限且不等。

II. 網路拓樸限制

• 多次轉送(Multi-hop relay)：CCN 內各孤立台無法直接連上核心網路，因 此必須循著樹狀結構的拓樸，將話務透過鄰台逐步轉送到連網台，才能 連上核心網路，各節點所需頻寬包含發自本地基地台的流量(Local traffic) 以及為鄰台轉送的流量(Forwarding traffic)。

• 過多的轉送將浪費頻寬資源。

III. 差異化頻寬使用需求

災區通訊存在重要性的差異，例如災情通報、指揮調度與互報平安的重要 性不同，未差異化通訊品質將造成頻寬資源使用浪費。而 CCN 頻寬的使 用，因基地台涵蓋範圍之災害程度、緊急程度或受災人口多寡而使頻寬使 用效益亦具有差異。

4.1.2、 環境假設

基於 CCN 拓樸以及連網台連外頻寬應用，我們作以下假設：

I. CCN 樹狀轉送拓樸(Forwarding tree)、連外總頻寬以及鄰台間互連頻寬均 穩定存在，當有拓樸節點異動或可用頻寬變動時，再由使用單位依需求重 新分配頻寬。

II. 使用 Circuit switching 模式

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• 當災害發生，受災區一片兵荒馬亂，應急通訊系統應該越簡單越好，

使容易快速建置，而 Circuit switching 的控制比 Packet switching 容易。

• 救災作業中語音通信很重要，Circuit switching 維持 QoS 比 Packet switching 容易。

• 簡化 Bandwidth allocation 成為 Channel allocation 問題。

4.1.3、 設計考量與目標

基於前述之 CCN 頻寬使用需求分析及環境假設，歸納 CCN 頻寬分配設計考量 應包括：

• 以提升整體頻寬使用效益為目標

• 差異化通訊品質，依需求分配選用，減少頻寬浪費 – 災情通報等重要話務，需以高品質 Channel 傳遞

– 慰問關懷話務以 64K 或 16K 品質傳遞，效果無太大差異

• 反應 Channel 配置對不同災情、環境所產生的救災效益(Profit)差異

• 每個基地台可接受的使用者數量需作合理分配，避免分配過度集中，使分 配失衡

• CCN topology 以及 Inter base station 鏈結對流量負載的限制

災區通訊存在重要性的差異，例如災情通報與互報平安的重要性不同，在 頻寬資源寶貴的災區，若未區分其優先等級將形成資源的浪費，耽誤救災工作。

此外，將 Channel 之通訊品質分級，便可在確保高品質通訊之餘，在相同總頻寬 下創造更大通訊量，有更多 Channel 資源可以分配。因此，CCN 各 Channel 的使 用效益應依地點與 Channel 頻寬而有差異。

為避免頻寬集中分配到部分基地台造成分配失衡，頻寬分配應確保各節點 能夠取得基本需求數量的 Channel。此外，各基地台隨著分配數量的逐漸增加，

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Channel 帶來的邊際效益也將遞減，讓頻寬分配合理地分散到各基地台，因此頻 寬分配所帶來的效益將伴隨一個遞減函數，隨基地台獲得分配的 Channel 數量而 改變，第一個配發到的 Channel 對基地台具有最大的效益。

CCN 樹狀轉送拓樸(Forwarding tree)形成一個多次轉送的環境，每個節點除 了發自本地基地台的流量外，還需為鄰台轉送流量，因此越接近連網台就越容易 形成流量瓶頸。因此頻寬分配時，亦應考慮到各鏈結的總流量，不可超過其最大 頻寬限制。

綜上，頻寬分配問題可簡單描述為：在 CCN 樹狀轉送拓樸(Forwarding tree) 環境下，於有限時間內找出一組頻寬分配，使所有基地台救災效益總和最大化。

4.2、 問題定義

每個基地的上行鏈結承載著發自該基地台的話務量以及所轉送來自下行鏈 結的話務量，所謂的頻寬分配是該基地台可容許發出的話務量，因為所有基地台 所發出的總話務量不可超過連網台的連外頻寬，因此連外頻寬可作為分配的標 的。

4.2.1、 救災效益定義

當分配一個 Channel 給某一節點時，所能帶給其服務範圍內人員的救災助益 稱為救災效益(Profit)，由於各地災情不一、緊急程度不一、災民需要的協助也不 同，因此各節點獲得頻寬配置將產生不同的救災效益。此外，第一個配發到的 Channel 對基地台將具有最大的效益稱為初始救災效益(Initial profit)，而隨著分 配數量的逐漸增加，Channel 帶來的邊際效益將遞減。

由於災區的情況通常由國家救災單位收集整合，工程人員並無能力定義出 救災效益函數(如初始救災效益值、效益遞減函數)，必須由國家救災單位根據實 際災情而定義。

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4.2.2、 CCN 頻寬分配問題描述

• 名詞定義

• 樹狀轉送拓樸(Forwarding tree)：CCN 應急通訊系統中串連各節點之拓樸 連線，其根節點為連網台，其他則為孤立台。

•

節點：CCN 基地台，包含孤立台及連網台。

• 連外頻寬：連網台與 BSC/RNC 間可用頻寬。

• 各節點互連頻寬：CCN 鄰台間透過 ICC Module 佈建之穩定可用頻寬。

• 基本 Channel 需求：各節點因應救災需要，必須保留發自本地基地台流量 所使用之最小 Channel 數。

• Channel 種類：差異化品質之話務分級，例如以 64k 通訊品質傳送話務之 Channel、以 32k 通訊品質傳送話務之 Channel。

• 救災效益(Profit)：分配一個 Channel 給某一節點時，所能帶給其服務範圍 內人員的救災助益。

• 初始救災效益(Initial profit)：各 Channel 種類配給基地台的第一個 Channel 所帶來之救災效益。

• 效益遞減函數(Attenuation function)：隨著分配數量的逐漸增加，各 Channel 種類帶給基地台的救災效益將隨效益遞減函數遞減。

• 單位頻寬救災效益(Profit density)：救災效益/該 Channel 的頻寬大小。

• 頻寬分配模型的使用者：國家救災單位。

• CCN 頻寬資源的使用者：CCN 範圍內手機持有者。

• 最佳化目摽：在有限頻寬下，使 CCN 頻寬配置的救災總效益最大化。

• 給定參數

• 給定一個 CCN 應急通訊系統樹狀轉送拓樸 T，內含有 i 個節點(v_i)、i-1 條 鏈結(e_i,j)分別串連節點 vi與節點 v_j，根節點為 v₁。

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Given CCN forwarding tree T=(V,E), where

V = {v

_i | i=1,…,n} is the set of survival base station, v₁ is the root node that has an external link(連網台),

E ={e

_ij | v_i

, v

_j ∈ V } is the set of edges between vⁱ and v_j,

C ={c

_i | i=1,…,n } is the set of uplink capacity of v_i,

c

_i≦c_j

, if v

_j

is the parent node of v

_i,

B = {b

_j

| j=1,…,m } is the set of bandwidth required per channel class, b

_j is the bandwidth required of channel class j,

F = { [ ]

f^ij •g(k)|i=1...n,j =1...m

}

is the set of the profit of channel assigned,

f

ij

is the profit of the first channel of class j assigned to v

i,

g(k) is the profit attenuation function of the k-th same channel class assigned to

the same node,

k

∈

Ζ

⁺, the CCN bandwidth allocation problem is to find A

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CCN 的頻寬分配(CCN bandwidth allocation problem)，其實是一種巢狀的 0-1 背包問題。因為 0-1 背包問題是 NP-Hard 問題，CCN 頻寬分配問題自然也是 NP-Hard。本節將證明應急蜂巢式行動通訊網路的頻寬分配問題為 NP-Hard 問 題。

4.3.1、 0-1 Knapsack Problem (0-1 KP)

Given a knapsack and a set of items, the objective of 0-1 knapsack problem is to select a subset of the items such that the total value of the selected items is maximized without having the weight sum to exceed the capacity.

Mathematical definition of the 0-1 Knapsack Problem[20]：Given n items to algorithm can be devised.

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4.3.2、 CCN Bandwidth Allocation Problem (CCN-BA)

在 CCN forwarding tree 環境下，各節點(v_i)有 m 個 Channel class 可供選擇配 置，和一個 Uplink capacity 限制，而每一個配置的 Channel 獲得一個對應的救災 效益。

CCN 的每個節點都可視為一個背包問題，需選擇適當的 Channel 分配進去，

使在 Upstream capacity 的限制下，獲取最大效益。各節點除了發自本地基地台的 流量外，還需為鄰台轉送流量，因此 CCN 所有節點除了自成一個背包問題外，

各節點與父節點也將形成另一個背包問題，與祖父節點再形成另一個背包問題，

形成巢狀背包問題(Nested 0-1 KP)，如圖 11。

圖 11、CCN-BA 巢狀背包問題 4.3.3、 CCN-BA 計算複雜度

Given an instance X:[C,W,P] in 0-1 knapsack problem, we can find an instance

Y:[V,T,C’,B,F,D,G] in CCN-BA such that an optimal solution a

_y for Y is also an optimal solution for X. Let instance Y be a one level tree, where V=T={v1}, C’={C},

B=W, F=P, D={0}, and G={1}. Denote the total profit of a solution a for X and Y to

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be p_x(a) and p_y(a), respectively. Because F=P, we can easily prove p_x(a) and p_y(a) are equal. For simplicity, both px(a) and py(a) are denoted as p (a).

First, we prove a_y is a valid allocation for X. Since B=W, F=P, and C’={C}, any solution of Y whose total bandwidth must less than or equal to the given limit C so that a_y must be a valid allocation for X.

Since instance Y is a one level tree, for a similar argument, we can prove that any valid allocation a_x for X is also a valid allocation for Y.

Next, we prove that an optimal solution ay for Y is also an optimal solution for X by contradiction. As we have proved, a_y is also a valid allocation for X, whose total profit is p(a_y). Assume a_y is not an optimal allocation for X, there must be another allocation a_x, whose total profit p(a_x) is greater than p(a_y). And any valid a_x is also a valid allocation for Y, whose total profit is p(a_x), which is greater than p(a_y). This contradicts to the assumption that ay is an optimal solution for Y. As a result, ay must be an optimal solution for X. The reduction of CCN-BA to 0-1 Knapsack Problem is done. The proof of NP-hardness of CCN-BA is straightforward. Q.E.D.

4.4、 啟發式頻寬分配演算法

4.4.1、 演算法設計

CCN 頻寬分配是一個 NP-Hard 問題，由於救災工作必需與時間賽跑，當 CCN 涵蓋基地台數量多時，可供選擇分配之 Channel 配置方案將大增，使無法在限定 時間內找出最佳解，因此本論文提出一個啟發式演算法，可在短時間內計算出一 個接近最佳解的 CCN 頻寬分配組合，我們稱之為 Bandwidth Allocation Greedy 演算法，簡稱 BAG。

BAG 採用 Iterative 方式，每一步挑選一個節點分配一個 Channel(稱為節點

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-Channel 組合)，逐步將所有頻寬分配完，或剩餘頻寬無法分配為止。每一步的 挑選以單位頻寬救災效益最高的節點-Channel 組合為標的。

• BAG 演算法流程

圖 12、BAG 演算法流程

• BAG 演算法 Pseudo Code BAG(T,C,B,F,D)

Set A={}

Set V={}

initial A = D initial V = V_T

initial C = C-(A · B) if any c_i

< minimum b

_j

delete v_i and descent(v_i) from V end if

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while V is not empty do

sort F of V by ProfitDensity(F/bj)

find maximum fij

·g(k) subject to each c

i for every proceeding node from vi to

root ≥ b

j

plus 1 to aij

subtract bj from each ci for every proceeding node from vi to root

subtract bj from each ci for every proceeding node from vi to root

在文檔中 應急蜂巢式行動通訊網路的頻寬分配 - 政大學術集成 (頁 49-69)