CN108881067A - 一种基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法和系统。所述方法包括：根据用户对终端业务的满意度获取针对所述终端业务的效用函数；根据所述效用函数判断光网络单元的负载状态，并根据所述负载状态为所述光网络单元分配带宽；根据所述效用函数，采用效用最大最小原则对所述光网络单元对应的所述终端业务进行带宽分配，获取所述终端业务的效用值；根据所述效用值，通过所述效用函数的反函数计算所述终端业务的分配带宽。本发明提供一种集中的带宽分配方案，解决了由于客户端从单一角度适应网络条件带来的不公平性问题，保证各终端业务间的公平性。

Description

一种基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法和系统

技术领域

本发明涉及光通信网络领域，特别是指一种基于应用感知确保业务公平性 的带宽分配方法和系统。

背景技术

近年来，无源光网络(Passive Optical Networks,PONs)技术由于其高带 宽、低维护成本、低能耗等优势在接入网中得到了广泛应用。为了满足终端用 户对更高带宽的需求，PONs应用技术正在由传统的时分复用(Time Division Multiplexed，TDM)向波分复用(Wavelength Division Multiplexed，WDM)、 时分和波分复用(Time and wavelengthDivision Multiplexed，TWDM)以及正 交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexed，OFDM)发展。不同 的大流量互联网业务采用不同的机制适应网络条件的变化，常见的应用机制包 括速率自适应以及时延自适应机制。典型的应用速率自适应机制的业务为视频 会议，该业务实时评估网络条件，并根据评估结果产生分层的带宽需求，以此确保业务运行的流畅性。典型的应用速率自适应机制的业务为直播业务，该业 务对网络带宽有固有的需求，此需求不因网络条件的变化而发生改变。在实际 应用场景中，无论终端业务采用哪种适应机制，其均无法知道同一条链路上其 他业务的带宽需求，因此每一个客户端都是根据单方面的判断去适应网络，从 而产生了不公平的带宽竞争问题。随着直播业务、视频会议以及电话医疗等大 流量互联网业务的爆发式增长，PON上行带宽被大量消耗，如何确保业务间 的公平性已成为带宽分配的一个关键问题。

现有技术中，一种解决业务间公平性的方法包括：各ONU将本地业务流 按照优先级由高到低分为以下三个类别：加速转发(Expedited Forwarding，EF)、 确保转发(Assured Forwarding，AF)和尽力而为(Best Effort，BE)。其中， EF业务主要是指对实时性要求较高的业务，如语音业务；AF业务主要是指对 带宽有较大需求，但是对时延不是特别敏感的应用，如视频类业务；BE业务 主要是对数据包抖动、时延和带宽等都没有特殊性要求的业务，如数据业务。 具体执行时，各业务流首先在ONU缓存区内按照各自等级进入不同的队列中 等待发送，当ONU缓存区满时，具有较高优先级的业务流将取代具有较低优 先级的数据。当ONU接收到OLT的授权时，ONU按照服务等级为不同的业 务提供带宽。这种分配方式效率较高，但是其业务分类粒度较粗，对着业务类 型多样化的发展，该方式无法有针对性地满足不同类型业务的需求，从而影响 了用户的业务体验。

另一种解决业务间公平性的方法包括：针对不同的业务流，各ONU将其 划分为不同的业务类型，并将不同类型的业务流进行分级，然后根据预设规则， 对不同等级的业务设定相应的带宽区间，由此保证了各业务流的公平接入。该 分配方法以业务请求为依据，无法有效解决各业务从单一角度适应带宽带来的 公平性问题。此外，网络应用的最终目标在于提高用户的网络体验，而上述方 法均未考虑用户层面的需求，不能很好地提高用户体验。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于应用感知确保业务公平性的带 宽分配方法和系统，解决上行通信中大流量互联网业务间的公平性问题。

基于上述目的本发明提供的一种基于应用感知确保业务公平性的带宽分 配方法，包括：

根据用户对终端业务的满意度获取针对所述终端业务的效用函数；

根据所述效用函数判断光网络单元的负载状态，并根据所述负载状态为所 述光网络单元分配带宽；

根据所述效用函数，采用效用最大最小原则对所述光网络单元对应的所述 终端业务进行带宽分配，获取所述终端业务的效用值；

根据所述效用值，通过所述效用函数的反函数计算所述终端业务的分配带 宽。

优选的，判断所述光网络单元的负载状态，包括：

获取所述光网络单元的最小确保带宽

获取所述光网络单元所对应的全部终端业务在效用值最大时的所需带宽

若则所述光网络单元处于轻载状态；

若则所述光网络单元处于重载状态。

优选的，所述光网络单元的所述最小确保带宽的计算公式为：

其中，T_cycle为轮询周期，T_g为各所述光网络单元间轮询的保护时隙，N为 光线路终端所连接的所述光网络单元的数量，R为光线路终端上行带宽。

优选的，所述根据所述效用函数判断光网络单元的负载状态，并根据所述 负载状态为所述光网络单元分配带宽，包括：

若所述光网络单元处于轻载状态，则为所述光网络单元分配的带宽满足

若所述光网络单元处于重载状态，则为所述光网络单元分配的带宽满足

其中，为各个所述光网络单元分配的带宽，K为处于轻载状态的所述光网络单元的数量。

优选的，所述采用效用最大最小原则对所述光网络单元对应的所述终端业 务进行带宽分配，所采用的问题模型为：

其中U_i(x_i)为所述效用函数，x_i为给第i支业务流所分配的带宽，C为网 络总带宽；m_i和M_i分别为实现第i支业务流最小效用和最大效用所需要的带宽。

优选的，为降低求问题P1最优解的时间复杂度，将所述问题模型转换为：

其中F_i(x_i)为严格凸函数；

求解上述问题模型，得到P2的最优解为且满足

优选的，将求解P2转化为求解P2的对偶函数：

其中

根据牛顿迭代法求P3：

λ(t+1)＝λ(t)-▽²g(λ(t))^-1▽g(λ(t))，其中

通过迭代计算获取所述终端业务的所述效用值。

优选的，所述终端业务包括Skype视频会议业务，所述Skype视频会议业 务的效用函数为：

其中，U为分配带宽为r时的效用值，r_max、r_max分别表示Skype实现分层 编码所支持的最大带宽和最小带宽，r_max为20Kbps，r_max为2～5Mbps，α和β决 定效用函数的倾斜程度，1-β为光网络单元分配带宽为最小值时Skype取得 的效用值。

优选的，所述终端业务包括直播业务，所述直播业务的效用函数为：

其中α和β决定效用函数的倾斜程度，rd代表直播业务达到效用值为β时 所需要的带宽。

本发明还提出一种基于应用感知确保业务公平性的带宽分配系统，包括：

第一获取单元，用于根据用户对终端业务的满意度获取针对所述终端业务 的效用函数；

分配单元，用于根据所述效用函数判断光网络单元的负载状态，并根据所 述负载状态为所述光网络单元分配带宽；

第二获取单元，用于根据所述效用函数，采用效用最大最小原则对所述光 网络单元对应的所述终端业务进行带宽分配，获取所述终端业务的效用值；

计算单元，用于根据所述效用值，通过所述效用函数的反函数计算所述终 端业务的分配带宽。

从上面所述可以看出，本发明提供的基于应用感知确保业务公平性的带宽 分配方法和系统，通过在PON网络OLT侧引入具有集中控制能力的SDN控 制器，获取每一个大流量业务终端的效用函数，从而在OLT侧实现资源的集 中分配；OLT执行ONU间带宽分配后，将授权带宽和效用函数相关信息传递 到各ONU。各ONU利用效用最大最小原则执行带宽分配策略，从而使得与 ONU所连接的终端用户具有相同的保证各终端业务间的公平性。

附图说明

图1为本发明实施例系统架构示意图；

图2为本发明实施例所述基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法 的流程图；

图3为本发明实施例所述基于应用感知确保业务公平性的带宽分配系统 的结构图；

图4为本发明实施例两终端业务的带宽分配图；

图5为本发明实施例两终端业务的效用分布图；

图6为本发明实施例Skype1终端业务和直播终端业务在共享同一链路时 的带宽分配图；

图7为本发明实施例Skype1终端业务和直播终端业务在共享同一链路时 的效用分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例， 并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是 为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二” 仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再 一一说明。

典型的PONs结构为树形架构，参照附图1所示，位于局端的光线路终 端(OpticalLine Terminal，OLT)通过分光器与多个与终端用户连接的光网络 单元(Optical NetworkUnit，ONU)相连。在PON上行方向，多个ONU共享OLT的资源块，且多个终端用户共享一个ONU，因此，需设计相应的介质接 入控制(Medium Access Control，MAC)协议实现OLT的带宽分配。

在本发明实施例中，在带宽集中控制点，需要掌握各ONU所连接的大带 宽业务的效用函数，在OLT端引入具有集中控制能力的SDN控制器，并在各 客户端放置监控软件，由监控软件分析所传输内容的帧间相关性，从而获取各 终端业务的效用函数，并传递到SDN控制器，从而减少成本。而对于其他非 大带宽业务，通过多点控制协议(MPCP)由所连接ONU同OLT进行信息交 互。

图2为本发明实施例所述基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法 的流程图。本发明实施例提出一种基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方 法，包括：

步骤101，根据用户对终端业务的满意度获取所述终端业务的效用函数。

本发明实施例在各业务终端采用效用函数反应用户对终端业务即大流量 互联网业务的满意度，其中，终端业务主要包括Skype视频会议业务以及直播 业务。

在实际应用场景中，准确反应用户对终端业务的满意度需要综合考虑多方 面的复杂因素，如人的主观感受，设备能力等，因此其精确表达式并不容易获 得。但现有的视频质量评估技术如主观质量评估和客观质量评估方法可以近似 反应用户的满意度。在发明实施例中，利用结构相似性指数(Structural Similarity Index,SSIM)近似表示用户对Skype视频会议业务的体验质量，并 将通过SSIM工具对视频评估的结果表示为效用函数。

所述Skype视频会议业务的效用函数为：

其中，U为分配带宽为r时的效用值，r_max、r_min分别表示Skype实现分层编 码所支持的最大带宽和最小带宽，r_max通常为20Kbps，r_max为2～5Mbps，α和β决 定效用函数的倾斜程度，1-β为光网络单元ONU分配带宽为最小值时Skype 可取得的效用值。α和β由Skype所传输视频内容的帧间相关性决定，视频帧 间相关性越高，则Skype的初始效用值越大，效用值增长越快。

所述直播业务的效用函数为：

其中α和β决定效用函数的倾斜程度，r_d代表直播业务达到效用值为β时 所需要的带宽。

步骤102，根据所述效用函数判断光网络单元ONU的负载状态，并根据 所述负载状态为所述光网络单元ONU分配带宽。

获取效用函数后，SDN控制器将获取的业务效用函数传递到OLT，OLT 执行带宽分配时，需分析各ONU的负载状态。

在本发明的一个实施例中，判断所述光网络单元的负载状态，包括：

步骤201，获取各个光网络单元ONU的最小确保带宽所述光网络 单元ONU的最小确保带宽的计算公式为：

其中，T_cycle为轮询周期，T_g为各光网络单元间轮询的保护时隙，N为光线 路终端OLT所连接的光网络单元ONU的数量，R为光线路终端OLT上行带 宽。

步骤202，获取所述光网络单元ONU所对应的全部终端业务在效用值最 大时的所需带宽

步骤203，若则所述光网络单元处于轻载状态，为所述光网 络单元分配的带宽满足

步骤204，若则所述光网络单元处于重载状态，为所述光网 络单元分配的带宽满足

其中，为各个所述光网络单元分配的带宽，K为处于轻载状态的所述光网络单元ONU的数量。

现有方法利用业务请求来处理，但有时请求并不公平，本发明实施例利用 效用函数来处理，解决了利用业务请求出现的不公平现象。

步骤103，根据所述效用函数，采用效用最大最小原则对所述光网络单元 对应的所述终端业务进行带宽分配，获取所述终端业务的效用值。

ONU接收到OLT授予的带宽后，针对所连接的终端业务基于效用最大最 小原则进行带宽分配，从而确保各业务间的公平性。

在本发明的一个实施例中，所述采用效用最大最小原则对所述光网络单元 对应的所述终端业务进行带宽分配，所采用的问题模型为：

其中U_i(x_i)为所述效用函数，x_i为给第i支业务流所分配的带宽，C为网 络总带宽；m_i和M_i分别为实现第i支业务流最小效用和最大效用所需要的带宽。

直接通过P1求其最优解时间复杂度比较高，为了降低求问题P1最优解 的时间复杂度，将所述问题模型转换为：

其中F_i(x_i)为严格凸函数，C为网络总带宽；

通过KKT条件求解上述问题模型，得到P2的最优解为 且满足同时该解为P1的最优解。

为了便于求解P2，将求解P2转化为求解P2的对偶函数P3：

其中

根据牛顿迭代法求P3：

λ(t+1)＝λ(t)-▽²g(λ(t))^-1▽g(λ(t))，其中

通过迭代计算获取所述终端业务的所述效用值，即为P2、P1的解。

步骤104，根据所述效用值，通过所述效用函数的反函数计算所述终端业 务的分配带宽。

图3为本发明实施例所述基于应用感知确保业务公平性的带宽分配系统 的结构图。本发明实施例还提出一种基于应用感知确保业务公平性的带宽分配 系统，包括：

第一获取单元11，用于根据用户对终端业务的满意度获取所述终端业务 的效用函数。

优选的，第一获取单元11用于获取Skype视频会议业务以及直播业务的 效用函数。

所述Skype视频会议业务的效用函数为：

其中，U为分配带宽为r时的效用值，r_max、r_min分别表示Skype实现分层编 码所支持的最大带宽和最小带宽，r_max通常为20Kbps，r_max为2～5Mbps，α和β决 定效用函数的倾斜程度，1-β为光网络单元ONU分配带宽为最小值时Skype 可取得的效用值。α和β由Skype所传输视频内容的帧间相关性决定，视频帧 间相关性越高，则Skype的初始效用值越大，效用值增长越快。

所述直播业务的效用函数为：

其中α和β决定效用函数的倾斜程度，r_d代表直播业务达到效用值为β时 所需要的带宽。

分配单元12，用于根据所述效用函数判断光网络单元的负载状态，并根 据所述负载状态为所述光网络单元分配带宽。

优选的，分配单元12还用于实现：

判断所述光网络单元的负载状态，包括：

获取各个光网络单元ONU的最小确保带宽所述光网络单元ONU 的最小确保带宽的计算公式为：

其中，T_cycle为轮询周期，T_g为各光网络单元间轮询的保护时隙，N为光线 路终端OLT所连接的光网络单元ONU的数量，R为光线路终端OLT上行带 宽。

获取所述光网络单元ONU所对应的全部终端业务在效用值最大时的所需 带宽

若则所述光网络单元处于轻载状态，为所述光网络单元分配 的带宽满足

若则所述光网络单元处于重载状态，为所述光网络单元分配 的带宽满足

其中，为各个所述光网络单元分配的带宽，K为处于轻载状态的所述光网络单元ONU的数量。

第二获取单元13，用于根据所述效用函数，采用效用最大最小原则对所 述光网络单元对应的所述终端业务进行带宽分配，获取所述终端业务的效用值。

第二获取单元13还用于实现：

所述采用效用最大最小原则对所述光网络单元对应的所述终端业务进行 带宽分配，所采用的问题模型为：

其中U_i(x_i)为所述效用函数，x_i为给第i支业务流所分配的带宽，C为网 络总带宽；m_i和M_i分别为实现第i支业务流最小效用和最大效用所需要的带宽。

直接通过P1求其最优解时间复杂度比较高，为了降低求问题P1最优解 的时间复杂度，将所述问题模型转换为：

其中F_i(x_i)为严格凸函数，C为网络总带宽；

通过KKT条件求解上述问题模型，得到P2的最优解为 且满足同时该解为P1的最优解。

为了便于求解P2，将求解P2转化为求解P2的对偶函数P3：

其中

根据牛顿迭代法求P3：

λ(t+1)＝λ(t)-▽²g(λ(t))^-1▽g(λ(t))，其中

通过迭代计算获取所述终端业务的所述效用值，即为P2、P1的解。

计算单元14，用于根据所述效用值，通过所述效用函数的反函数计算所 述终端业务的分配带宽。

为了便于理解，本发明给出了一个实施例，用于说明本发明所述基于应用 感知确保业务公平性的带宽分配方法的效果，参照图4-图7所示，其中，各业 务流参数如下表所示：

图4表示具有不同参数的两支Skype业务流在利用本发明所述的方法下， 共享同一链路时的带宽分配情况。图5表示两支业务流在取得相同的效用值， 即用户满意度。图6、图7分别表示Skype1业务流和直播业务流在共享同一 链路时的带宽分配和效用值。图7表示当网络无法为所有客户端提供足够的带 宽以支持所有业务流达到Skype的最小效用时，ONU将放弃为Skype提供服 务并将所有资源分配给直播视频。

本发明实施例所述基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法和系统， 提供一种集中的带宽分配方案，解决了由于客户端从单一角度适应网络条件带 来的不公平性问题；通过在PON网络OLT侧引入具有集中控制能力的SDN 控制器，获取每一个大流量业务终端的效用函数，从而在OLT侧实现资源的 集中分配；OLT执行ONU间带宽分配后，将授权带宽和效用函数相关信息传 递到各ONU。各ONU利用效用最大最小原则执行带宽分配策略，从而使得与 ONU所连接的终端用户具有相同的效用值，即具有相同的业务体验，保证各 终端业务间的公平性。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的， 并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思 路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可 以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为 了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样 的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、 修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法，其特征在于，包括：

根据用户对终端业务的满意度获取针对所述终端业务的效用函数；

根据所述效用函数判断光网络单元的负载状态，并根据所述负载状态为所述光网络单元分配带宽；

根据所述效用函数，采用效用最大最小原则对所述光网络单元对应的所述终端业务进行带宽分配，获取所述终端业务的效用值；

根据所述效用值，通过所述效用函数的反函数计算所述终端业务的分配带宽。

2.根据权利要求1所述的基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法，其特征在于，判断所述光网络单元的负载状态，包括：

获取所述光网络单元的最小确保带宽

获取所述光网络单元所对应的全部终端业务在效用值最大时的所需带宽

若则所述光网络单元处于轻载状态；

若则所述光网络单元处于重载状态。

3.根据权利要求2所述的基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法，其特征在于，所述光网络单元的所述最小确保带宽的计算公式为：

其中，T_cycle为轮询周期，T_g为各所述光网络单元间轮询的保护时隙，N为光线路终端所连接的所述光网络单元的数量，R为光线路终端上行带宽。

4.根据权利要求3所述的基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法，其特征在于，所述根据所述效用函数判断光网络单元的负载状态，并根据所述负载状态为所述光网络单元分配带宽，包括：

若所述光网络单元处于轻载状态，则为所述光网络单元分配的带宽满足

若所述光网络单元处于重载状态，则为所述光网络单元分配的带宽满足

其中， 为各个所述光网络单元分配的带宽，K为处于轻载状态的所述光网络单元的数量。

5.根据权利要求1所述的基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法，其特征在于，所述采用效用最大最小原则对所述光网络单元对应的所述终端业务进行带宽分配，所采用的问题模型为：

其中U_i(x_i)为所述效用函数，x_i为给第i支业务流所分配的带宽，C为网络总带宽；m_i和M_i分别为实现第i支业务流最小效用和最大效用所需要的带宽。

6.根据权利要求5所述的基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法，其特征在于，为降低求问题P1最优解的时间复杂度，将所述问题模型转换为：

其中F_i(x_i)为严格凸函数；

求解上述问题模型，得到P2的最优解为且满足

7.根据权利要求6所述的基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法，其特征在于，将求解P2转化为求解P2的对偶函数：

其中

根据牛顿迭代法求P3：

λ(t+1)＝λ(t)-▽²g(λ(t))^-1▽g(λ(t))，其中

通过迭代计算获取所述终端业务的所述效用值。

8.根据权利要求1所述的基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法，其特征在于，所述终端业务包括Skype视频会议业务，所述Skype视频会议业务的效用函数为：

其中，U为分配带宽为r时的效用值，r_max、r_max分别表示Skype实现分层编码所支持的最大带宽和最小带宽，r_max为20Kbps，r_max为2～5Mbps，α和β决定效用函数的倾斜程度，1-β为光网络单元分配带宽为最小值时Skype取得的效用值。

9.根据权利要求1所述的基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法，其特征在于，所述终端业务包括直播业务，所述直播业务的效用函数为：

其中α和β决定效用函数的倾斜程度，r_d代表直播业务达到效用值为β时所需要的带宽。

10.一种基于应用感知确保业务公平性的带宽分配系统，其特征在于，包括：

第一获取单元，用于根据用户对终端业务的满意度获取针对所述终端业务的效用函数；

分配单元，用于根据所述效用函数判断光网络单元的负载状态，并根据所述负载状态为所述光网络单元分配带宽；

第二获取单元，用于根据所述效用函数，采用效用最大最小原则对所述光网络单元对应的所述终端业务进行带宽分配，获取所述终端业务的效用值；

计算单元，用于根据所述效用值，通过所述效用函数的反函数计算所述终端业务的分配带宽。