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摘 要：针对可见光通信 (Visible Light Communication, VLC) 系统， 为实现网络服务质量 (Quality of Service, QoS)的高效保障，提高带宽资源利用率，本文研究了时延 QoS 约束下的资源预留算法。研究建模分析了具有多包接收 (Multi-packet Reception, MPR) 能力的 Aloha 服务，计算了服务过程的有效容量。用泊松 (Poisson) 过程描述业务到达，评估了 Poisson 到达下的带宽需求。通过搜索算法，求解了保障 QoS 需要预留的服务资源，利用 Matlab 对算法进行了仿真实现及分析。
关键词：可见光通信 ；QoS 保障 ；资源预留 ；多包接收
Resource Reservation Algorithm for VLC System Based on Delay QoS Guarantee
SUN Hongliang, WANG Chao, HU Xue
(College of Information and Control Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin Jilin 132022)
【Abstract】： Aiming at Visible Light Communication (VLC) system,in order to realize the efficient guarantee of network of Quality of Service (QoS), and improve the utilization rate of bandwidth resource, this paper studies a algorithm of resource reservation under delay QoS constraint. The Aloha service with Multi-packet Reception (MPR) capability is modeled and analyzed, and the effective capacity of the service process is calculated. Poisson process is used to describe the service arrival, and the bandwidth requirement under Poisson arrival is evaluated. Through the search algorithm, the reserved service resource needed to guarantee QoS is solved. The algorithm is simulated and analyzed by Matlab.
【Key words】： visible light communication;QoS guarantee;resource reservation;multi-packet reception
0 引言
可见光通信（Visible Light Communication, VLC） 相比于传统的无线通信具有频谱资源丰富、绿色节能、传 输速率高等优势 [1]，极具发展潜力。对于 VLC 系统的随 机接入过程，终端碰撞所造成的网络资源浪费，是需要 重点考虑的问题。多包接收（Multi-packet Reception, MPR）技术可以同时接收多个终端的数据包，减少信道冲突，缓和接入过程中的碰撞。在 VLC 系统中，通 过评估业务的带宽需求，合理预留资源，可以进一步提 高资源的利用率。
资源预留需要考虑网络业务对服务质量（Quality of Service, QoS） 的要求。文献 [2] 针对具有高动态特 性的低轨卫星网络，提出了基于概率的带宽自适应预留 策略，可以在不同用户 QoS 要求的多业务环境下合理预留、分配带宽。文献 [3] 在软件定义网络架构上，建立 了资源预留系统，系统可以为业务预留资源，并满足业 务的 QoS 要求。文献 [4] 提出利用差分进化算法，通过 带宽预留方案在蜂窝 IP 网络中分配带宽，可以将 QoS 提高到可接受的水平。对于具有 MPR 能力的 VLC 随 机接入过程，在保障 QoS 的前提下实现资源预留，并 不容易。本文考虑了 VLC 场景下的遮挡问题及服务的 MPR 能力，设计了满足 QoS 要求的资源预留算法。算 法可以为 VLC 网络中的资源管理提供一定的指导。
1 资源预留算法
1.1 系统建模分析
本文把可见光通信系统中的到达过程和服务过程抽 象为一个排队系统进行分析。服务过程针对 Aloha 接 入机制，并考虑遮挡问题进行研究。假设系统中有 N个终端和一个具有 MPR 能力为 M 的协调器。参考文献 [5]，对服务过程建模描述。用 k 表示正在传输且未被遮挡的终端数，则瞬时服务 s(n) 为 ：
其中，R 表示系统的服务速率，即本文研究系统需要预留的服务资源。
我们用 β 表示终端设备未被遮挡的概率。当 β=1时，意味着全部终端均未被遮挡，概率 Pr{s(n)=kR} 为 ：
其中，p 表示接入概率。当 0 ＜ β ＜ 1 时，概率 Pr{s(n)=kR} 为 ：
事件 {s(n)=kR(1 ≤ k ≤ M)} 指的是有 g 个终端设备向协调器传输数据包，其中 k 个终端设备未被遮挡。本文主要针对 0 ＜ β ＜ 1 的情况进行研究。
接下来，根据有效容量理论评估服务所能支持的到达强度。有效容量的计算方法如下 ：
其中，S(t) 表示前 t 时刻的累计服务量， θ>0，为QoS 指数。
利用有效容量方法，可以计算服务过程的有效容量EC(θ) 为 ：
系统的到达过程用 Poisson 过程描述。Poisson 过 程具有叠加性，即当多个 Poisson 流聚合后仍然为泊松 到达。Poisson 过程的数学描述如式（6） 所示，a(n) 表示时隙 n 内到达数据包的数量，P(a(n)=m) 表示时隙 n 内有 m 个数据包到达的概率，λ 表示到达的强度。
我们利用有效带宽理论评估到达的带宽需求。有效 带宽的计算方法如下 ：
其中，A(t) 表示前 t 时刻的累计到达量。
结合有效带宽理论，评估 Poisson 到达的带宽需求如下：
QoS 参数 θ 的取值可以根据下式确定 ：
P{d(n) ≥ D} ≤ ε （9）
其中，D 为目标时延，ε 为时延违反概率阈值。
1.2 资源预留算法设计
为保障业务的 QoS，系统所能支持的到达强度应该 不小于业务的带宽需求，即满足如下关系式 ：
EC (θ) ≥ EB (θ) (10)
保障业务 QoS 前提下的资源预留需求 R 无法直接 求出，因此本文设计了下述搜索算法进行求解。算法流 程如表 1 所示 ：
首先，我们确定所需服务速率的范围（1-7 行）。对于 一个稳定的网络队列系统，系统服务能力应大于业务的到 达强度，队列才不会向无穷演化。我们用 Rav 表示平均 到达速率，low 表示下界，high 表示上界，target 表示目 标时延。首先，初始化 i=1。下界设为 i · Rav，上界设为 (i+1) · Rav。如果以 (i+1) · Rav 为服务速率就可以满足时 延 QoS 需求， 则确定搜索范围为 [i · Rav,(i+1) · Rav]。否 则，继续确定 [(i+1) · Rav,(i+2) · Rav] 是否为搜索范围。 重复上述步骤，直到确定搜索范围为止。然后，采用顺 序搜索算法来确定所需的服务速率（8-14 行）。给定精度 err， 设置 R 值以 low 为初值， 以 high 为终值，err 为步长，逐值计算时延 delay。当 delay 满足时延要求 时，则确定此时的 R 值为系统需要预留的服务速率，算 法结束。
2 仿真分析
本文采用 Matlab 对资源预留算法进行仿真分析。给 定时延违反概率阈值为 ε=10-3，设置接入概率 p=0.5，未 被遮挡概率 β=0.8，多包接收能力 M=5。目标时延 D 的范 围在 10slots 到 100slots 之间，并设定 λ=0.2packets/slot， λ=0.3packets/slot，λ=0.4packets/slot 三组不同的 Poisson 到达强度。图 1 展示了不同时延、不同 λ 值对服务速率的影响。可以看出，随着时延 D 的增加，服务速率需
求逐渐变小。因为时延 D 较大时，系统对时延违反的容忍性也大，因此对系统服务速率的需求相对较小。在 时延 D 相同的情况下， λ 越大所需要的服务速率也越大。 因为较大的 λ 值对应较大的业务到达强度，在满足时延 QoS 的约束下对系统服务速率需求也大。
图 2 展示了不同时延、不同 MPR 能力对服务速率的 影响。设置三组不同的 M 值， 分别为 M=3，M=4，M=5。 从图中可以看出，时延 D 相同时，M 越大，满足 QoS 要求所需的服务速率越小。因为较大的 M 对应较强的 数据包处理能力，对系统的服务速率需求相对较小。同
时可以看出，时延 QoS 要求紧致时，M 值变化对服务 速率的影响更显著。
3 结语
针对具有 MPR 能力的 VLC 系统，本文设计了一 种基于时延 QoS 保障的资源预留算法。研究中，将到 达过程和服务过程建模成网络队列系统进行分析。基于 有效容量理论，计算了 VLC 系统在满足时延 QoS 要求 下所能支持的到达强度。基于有效带宽理论，评估了 Poisson 到达的带宽需求。在系统建模分析的基础上， 利用搜索算法求解了系统资源预留需求。采用 Matlab 对算法进行了仿真实现及分析。本文所研究的算法为 VLC 系统的服务资源预留提供一定的指导，可以提高 带宽利用率。
参考文献
[1] 王永进,王金元,朱秉诚.可见光通信最新研究进展[J].邮电设 计技术,2017(8):1-6.
[2] 陈立明,郭庆,杨明川.多业务LEO卫星网络中基于概率的带 宽预留策略[J].华南理工大学学报(自然科学版),2012,40(6):84- 89+96.
[3] 唐勇,王卫振,汪文勇.SDN中资源预留系统的设计[J].华中科 技大学学报(自然科学版), 2016,44(S1): 48-52.
[4] Azal Z,Shah P A,Awan K M,et al.Optimum bandwidth allocation in wireless networks using differential evolution [J].Journal of Ambient Intelligence and Humanized Computing,2018,10(1):1-12.
[5] Zhao L,Chi X,Shi W.A QoS-driven random access algorithm for MPR-capable VLC system[J].IEEE Communications求逐渐变小。因为时延 D 较大时，系统对时延违反的Letters,2016,20(6):1239-1242.
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