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行動資訊系統中的資料廣播排程之設計與分析
Design and Analysis of Data Br oadcast Scheduling in
Mobile Infor mation Systems
計畫編號：NSC-89-2218-E-110-004
執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日
主持人：張玉盈 中山大學資訊工程學系
E-mail: changyi@cse.nsysu.edu.tw
Fax: 07-5254301
(關鍵詞：頻寬, 廣播磁碟, 廣播排程, 行 動資料庫, 行動資訊系統) 隨著無線技術接受度的增加，把資訊 很有效率地傳送給客戶端是一個很重要的 問題。跟客戶端相比較的話，資訊的伺服 器端有較多的可用頻寬，所以我們所考慮 的環境是不對稱的。於此情況下，在伺服 器端，應該週期性地來廣播資訊，這樣的 系統已經被提出。在行動計算的背景下， Acharya 等人已經提出一個使用週期散播 的 架 構 ， 稱 為 廣 播 磁 碟 (Broadcast Disks)。使用廣播磁碟可以建立一個階層 式結構，其中最高層次含有較少項目並且 以較高頻率來廣播它，之後的層次含有越 來越多的項目並且以越來越少的頻率來廣 播它。透過這個方式，人們可以在高優先 資料和低優先項目的存取時間中做一個取 捨，其中存取時間指的是從客戶端送出一 個詢問直到在廣播頻道中收到他(她)有興 趣的資料之間的時間。然而，基於 Acharya 等人的方法，如果在磁碟上之資料量無法 很平均地被分成某些區塊，則一些廣播的 槽縫位置就會沒有被使用到而導致頻寬的 浪費和存取時間的增加。在這個計畫裡， 我們提出了兩個方法來改善這個問題，一 個是以二進位數字為基礎的方法，另一個 是利用彌補空槽的方法。在以二進位數字 為基礎的方法中，其廣播頻率必須限定為 2 的階層，也就是 1、2、4、8…等；而在彌 補空槽的方法中，其廣播頻率卻沒有限 制。從效能分析和模擬測試中，我們顯示 出我們所提出的兩個方法比 Acharya 等人 的方法產生出比較小的一個廣播週期和較 短的平均存取時間。此外，我們的第一個 方法比第二個方法需要較短的廣播週期和 平均存取時間；但法一的廣播頻率必須有 所限制。所以兩個方法各有其優點，並且 均可避免頻寬的浪費而且可以減少伺服器 端等待的時間。(Keywords: bandwidth, broadcast disks, broadcast schedule, mobile databases, mobile information systems.)
With the increasing acceptance of wireless technology, mechanisms to efficiently transmit information to wireless clients are of interest. The environment under consideration is asymmetric. Acharya et al. have proposed the use of a periodic dissemination architecture in the context of mobile systems, called Broadcast Disks. Using Broadcast Disks can construct a memory hierarchy in which the highest level contains a few items and broadcasts them with high frequency while subsequent levels contain more and more items and broad- cast them with less and less frequency. In this way, one can establish a trade-off between access time for high-priority data and that of the low-priority items. However, based on Acharya et al.'s approach, some broadcast slots may be unused, which resulting in the
2 waste of bandwidth and the increase of access time. Therefore, in this project, we propose two efficient broadcast programs in which no empty slots is wasted. The first one is the binary-number-based approach and the second one is the complementary approach. In the binary-number-based approach, the broadcast frequency must be restricted to a value of 2 , nn ≥0. From our performance analysis and simulation, we show that both of our proposed two approaches generate a small number of slots in one broadcast cycle and shorter mean access time than Acharya's approach. Moreover, our first approach requires a smaller number of slots in one broadcast cycle and shorter mean access time than the second approach; however, there is some restriction on the chosen frequency in the first approach. Therefore, each of our proposed approaches has its own advantages.
二、緣由與目的 隨著無線技術接受度的增加，把資訊很 有效率地傳送給客戶端是一個很重要的問 題 [1, 3, 4, 5, 7, 8 ]。然而，基於 Acharya 等人的方法[2][6]，如果在磁碟上之資料 量無法很平均地被分成某些區塊，則一些 廣播的槽縫位置就會沒有被使用到而導致 頻寬的浪費和存取時間的增加，如圖一所 示。在這個例子中，共有 13 資料，3 個磁 碟，每一個磁碟的頻率分別是 3, 2, 1。因此 在每一個磁碟分別會有 2, 3, 6 個區塊。然 後，我們會把 1 個資料放到第 1 個磁碟， 把 3 個資料放到第 2 個磁碟，把 9 個資料 放到第 3 個磁碟。結果這些資料並無法很 平均地被分成某些區塊，於是就產生了空 的槽縫。在這個計畫裡，我們提出了兩個 方法來改善這個問題，一個是以二進位數 字為基礎的方法，另一個是利用彌補空槽 的方法。在以二進位數字為基礎的方法 中，其廣播頻率必須限定為 2 的階層，也 就是 1、2、4、8…等；而在彌補空槽的方 法中，其廣播頻率卻沒有限制。 三、研究方法與成果 基於 Acharya 等人的方法，我們發現， 如果每一個磁碟的資料量能夠平均地被分 成某些區塊，則將來就不會發生空的槽縫 的問題。因此，在第一個方法裡，我們首 先將 D 個資料分割成 H 份，然後我們試著 將這 H 份的資料放到 S 個磁碟上，當 H 小 於 S 或 H 大於 S 時，我們可能會利用分割 或結合的操作。如圖二，共有 13 個資料， 3 個磁碟，而每一個磁碟的頻率分別為 4, 2, 1。因此在每一個磁碟分別會有 1, 2, 4 個區 塊。然後我們會將 13 化成二進位表示式， 即為（1101）2 ，也就是說 13 等於 1, 4, 8 的和。因此，我們會把 1 個資料放到第 1 個磁碟，把 4 個資料放到第 2 個磁碟，把 8 個資料放到第 3 個磁碟。將來這些資料均 能平均地放到每一個磁碟的區塊裡，因此 就沒有空的槽縫的問題發生。而在第二個 方法裡，如圖三，最基本的想法是在一個 廣播循環裡，將一些非空的資料搬到那些 空的槽縫位置，圖四為圖三利用法二搬移 後的結果。因此，將來的廣播循環的長度 就等於原來在 Acharya 等人的方法所產生 的廣播循環長度減掉空的槽縫位置的數 量。從模擬試驗的數據裡，我們可以看出 我們的兩個方法比 Acharya 等人的方法產 生出比較小的一個廣播週期（圖五）和較 短的平均存取時間（圖六），因此，我們 的兩個方法均可避免頻寬的浪費而且可以 減少伺服器端等待的時間。 四、結論與討論 在無線的環境下，如何把資訊很有效 率地傳送給客戶端是一個很重要的問題。 利用廣播磁碟的方法可減少伺服器端的存 取時間，但是卻有一些空的槽縫位置的問 題而導致頻寬的浪費。在這個計畫中，我 們所提出的兩個方法比 Acharya 等人的方 法產生出比較小的一個廣播週期和較短的 平均存取時間，並且均可避免頻寬的浪費 而且可以減少伺服器端等待的時間。
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五、參考文獻
[1] S. Acharya, M. Franklin, S. Zdonik, “Dissemination-Based Data Delivery Using Broadcast Disks,”
Personal Comm., Vol. 2, No. 6, pp. 50-60, Dec. 1995.
[2] S. Acharya, M. Franklin, S. Zdonik, and R. Alongso, “Broadcast Disks: Data Management for Asymmetric Communications Environments,” Proc.
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[5] T. Imielinski and S. Viswanathan, and B. R. Badrinath, “Power Efficient Filtering of Data on Air,” Proc. fourth Int'l Conf. Extending Database
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[6] S. Acharya, M. Franklin, S. Zdonik, “Dissemination-Based Data Delivery Using Broadcast Disks,”
Personal Comm., Vol. 2, No. 6, pp. 50-60, Dec. 1995.
[7] T. Imielinski and S. Viswanathan, and B. R. Badrinath, “Energy Efficient Indexing on Air,”
Proc. ACM SIGMOD Int'l Conf. on Management of Data, pp. 25-36, May 1994.
[6] T. Imielinski and H.Korth, “Mobile Computing,” Kluwer Academic Publishers,Chapter 12, pp. 331-361, 1996.
[8] K. L. Tan, J. X. Yu, and P. K. Enk, “Supporting Range Queries in a Wireless Environment with
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[9] N. H. Vaidya, S. Hameed, “Scheduling Data Broadcast in Asymmetric Communication Enviro nments,” Wireless Networks, Vol. 5, No. 3, pp. 171-182, 1999.
六、圖表
圖一、一個廣播排程含六個空的槽縫位置
4 圖三、一個廣播排程含六個空的槽縫位之 資料搬移過程 圖四、將非空的資料搬移後的結果 S 2 3 4 BNB 4766 5034 5482 BD 5548 6523 9266 TWS of BD 2.5 (0.046%) 71.0 (1.089%) 1574.0 (16.987%) Maximum TWS 4 (0.072%) 120 (1.840%) 2288 (24.693%) Complementary 5545 6452 7692 圖五、廣播循環長度的比較 S 2 3 4 BNB 828 476 335 BD 917 577 523 Complementary 917 571 434 圖六、平均存取時間的比較
BNB: the total number of slots in the Binary-Number-based approach. BD: the total number of slots in Acharya's broadcast disk approach. TWS of BD: the total number of wasted slots in Acharya's broadcast disk
approach.
Maximum TWS: the maximum number of wasted slots in Acharya's
broadcast disk approach .
Complementary: the total number of slots in the complementary approach.
BNB: the mean access time in the Binary-Number-based approach. BD: the mean access time in Acharya's broadcast disk approach.
