王 偉,景志宏,陳 鵬

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院,西安 710077）

異構(gòu)無(wú)線系統(tǒng)中一種改進(jìn)的呼叫準(zhǔn)入方案

王 偉,景志宏,陳 鵬

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院,西安 710077）

針對(duì)異構(gòu)無(wú)線系統(tǒng)中上、下行業(yè)務(wù)需求不平衡引起的擁塞現(xiàn)象,提出了一種改進(jìn)的呼叫準(zhǔn)入方案。首先給出接入傾向度的概念,在接入時(shí)考慮用戶(hù)的實(shí)際接入需求,并進(jìn)一步提出了基于接入傾向度的呼叫準(zhǔn)入改進(jìn)方案,最后利用無(wú)差別曲線的方法確定接入傾向度的選擇。仿真結(jié)果表明,改進(jìn)后的方案在系統(tǒng)性能與用戶(hù)公平性之間做到了較好折衷,具有較大的實(shí)用價(jià)值。

異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò);資源管理;接入傾向度;呼叫準(zhǔn)入控制

1 引 言

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特別是多媒體業(yè)務(wù)逐漸成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主要承載對(duì)象,未來(lái)異構(gòu)無(wú)線系統(tǒng)不僅可以提供語(yǔ)音業(yè)務(wù),而且可以提供數(shù)據(jù)、視頻等多種業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)不像傳統(tǒng)的語(yǔ)音業(yè)務(wù),它們都存在上、下行的帶寬需求不平衡現(xiàn)象[1]。由于業(yè)務(wù)的帶寬需求不平衡,造成通信系統(tǒng)的上、下行負(fù)載不均衡。當(dāng)新業(yè)務(wù)進(jìn)入時(shí),只要異構(gòu)無(wú)線系統(tǒng)上、下行中有一個(gè)方向鏈路負(fù)載很高,就可能造成阻塞。而系統(tǒng)另一方向鏈路負(fù)載如果很低,就會(huì)造成帶寬很大的浪費(fèi)。為避免這種擁塞現(xiàn)象造成的資源浪費(fèi),必須在新業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí),從整體系統(tǒng)的上、下行負(fù)載的角度進(jìn)行呼叫準(zhǔn)入。

目前,已經(jīng)有一些文獻(xiàn)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了闡述:文獻(xiàn)[2]提出了基于Inter-link Load Balance（ILLB）的呼叫準(zhǔn)入方案;文獻(xiàn)[3]提出了一種業(yè)務(wù)區(qū)分的呼叫準(zhǔn)入算法,并根據(jù)各種業(yè)務(wù)分配不同的優(yōu)先級(jí),同時(shí)動(dòng)態(tài)分配帶寬;文獻(xiàn)[4]采用多維序列數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),預(yù)測(cè)移動(dòng)用戶(hù)精確位置,進(jìn)行資源預(yù)留,從而進(jìn)行呼叫準(zhǔn)入;文獻(xiàn)[5]提出分布式呼叫準(zhǔn)入算法,采用可變邊界策略,對(duì)于不同業(yè)務(wù)分配不同帶寬;文獻(xiàn)[6]運(yùn)用聯(lián)合呼叫準(zhǔn)入,在維持QoS限制的條件下,最大化網(wǎng)絡(luò)總收益。

雖然文獻(xiàn)[2]指出在異構(gòu)無(wú)線系統(tǒng)上、下行鏈路進(jìn)行呼叫準(zhǔn)入的必要性,并提出了方案。但在呼叫準(zhǔn)入算法設(shè)計(jì)上,沒(méi)有考慮用戶(hù)的實(shí)際接入需求,而是把負(fù)載作為網(wǎng)絡(luò)接入的唯一標(biāo)準(zhǔn)。鏈路的使用者即用戶(hù)的實(shí)際接入需求沒(méi)有得到考慮,喪失了公平。

本文針對(duì)此問(wèn)題提出了一種改進(jìn)的呼叫準(zhǔn)入方案:在用戶(hù)請(qǐng)求的業(yè)務(wù)接入時(shí),同時(shí)考慮系統(tǒng)的性能和用戶(hù)的實(shí)際接入情況。與文獻(xiàn)[2]的明顯區(qū)別在于,在該方案中采用接入傾向度,來(lái)使用戶(hù)實(shí)際接入網(wǎng)絡(luò)需求與接入網(wǎng)絡(luò)情況接近一致,以求避免文獻(xiàn)[2]的上述不足。

2 基于接入傾向度的呼叫準(zhǔn)入改進(jìn)方案

2.1 接入傾向度

本方案提出了接入傾向度的概念,即用戶(hù)傾向接入何種網(wǎng)絡(luò)的程度。以3G/HSPA和WiMAX為例,假設(shè)α為接入3G/HSPA的傾向度,則1-α就是接入W iMAX的傾向度,傾向度越小,越傾向于接入網(wǎng)絡(luò);傾向度越大,則越傾向于接入另一種網(wǎng)絡(luò)。如α=0.1,接入 3G/HSPA的傾向度為 0.1,對(duì)于WiMAX的接入傾向度為 0.9,則傾向于接入3G/HSPA。α=0.5時(shí)接入兩種網(wǎng)絡(luò)傾向相同。

借鑒文獻(xiàn)[7]中的垂直切換決定函數(shù),確定影響接入傾向度的因素有:

（1）接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費(fèi)用（C）:不同網(wǎng)絡(luò)具有不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費(fèi)用,用戶(hù)會(huì)傾向于選擇接入費(fèi)用小的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入;

（2）網(wǎng)絡(luò)安全性（S）:當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí),安全性好的網(wǎng)絡(luò)更受歡迎;

（3）網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（D）:對(duì)于不同的網(wǎng)絡(luò),帶寬不同,傳輸速度也不同。帶寬大、傳輸速度快的網(wǎng)絡(luò),在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)接入中,用戶(hù)更傾向接入;

（4）網(wǎng)絡(luò)特性（F）:不同的網(wǎng)絡(luò)具有不同的網(wǎng)絡(luò)特性,所受干擾不同,通話(huà)質(zhì)量就不相同。在不同時(shí)刻,用戶(hù)會(huì)要求不同的通話(huà)質(zhì)量。

我們?cè)O(shè)定用戶(hù)更傾向接入傾向度小的網(wǎng)絡(luò),所以給出網(wǎng)絡(luò)i的接入傾向度αi的函數(shù)形式為

2.2 基于接入傾向度的呼叫準(zhǔn)入改進(jìn)方案

2.2.1 基于鏈路間負(fù)載均衡的呼叫準(zhǔn)入算法

本方案的目標(biāo)是充分考慮用戶(hù)的實(shí)際需求,并保證系統(tǒng)性能和用戶(hù)接入公平性的良好折衷。我們首先考慮文獻(xiàn)[2]中的基于鏈路間負(fù)載均衡的呼叫準(zhǔn)入算法。算法描述如下:

算法采用負(fù)載預(yù)測(cè)的方式,當(dāng)新業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí),假設(shè)該業(yè)務(wù)接入異構(gòu)系統(tǒng)的其中一種網(wǎng)絡(luò),預(yù)測(cè)會(huì)出現(xiàn)的上下行負(fù)載情況,并計(jì)算整體系統(tǒng)負(fù)載不平衡距離,再計(jì)算另一種網(wǎng)絡(luò)的整體系統(tǒng)負(fù)載不平衡距離,比較兩者大小,取小值接入該網(wǎng)絡(luò)。這種算法從異構(gòu)系統(tǒng)的整體負(fù)載考慮,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的上、下行負(fù)載。但方案只考慮系統(tǒng)的負(fù)載情況,用戶(hù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的帶寬、傳輸速率和喜好等實(shí)際接入需要沒(méi)有得到考慮,難以確保網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)的最佳選擇和用戶(hù)的實(shí)際公平,這是基于鏈路間負(fù)載均衡的呼叫準(zhǔn)入算法的一個(gè)重要問(wèn)題。

2.2.2 利用接入傾向度改善用戶(hù)接入公平性

我們?cè)诒痉桨钢幸虢尤雰A向度,以求改進(jìn)實(shí)際接入的用戶(hù)公平性。假設(shè)接入3G/HSPA的接入傾向度為α,引入接入傾向度后的算法改寫(xiě)如下:

當(dāng)新業(yè)務(wù)接入3G/HSPA時(shí),改進(jìn)后的整體系統(tǒng)負(fù)載不平衡距離為

當(dāng)新業(yè)務(wù)接入W iMAX時(shí),改進(jìn)后的整體系統(tǒng)負(fù)載不平衡距離為

式中,Δη1HSPA和 Δη1WiMAX分別為業(yè)務(wù)接入3G/HSPA后的3G/HSPA和WiMAX的負(fù)載不平衡距離,Δη2HSPA和 Δη2WiMAX分別為業(yè)務(wù)接入WiMAX后的3G/HSPA和WiMAX的負(fù)載不平衡距離。

當(dāng)α為0.5時(shí),表達(dá)式與原方案一致,可見(jiàn)原方案為本方案的特例。本方案引入接入傾向度后,充分考慮了實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)接入需要和用戶(hù)的實(shí)際需求,可起到改善公平性的作用;并通過(guò)選取最佳接入傾向度,從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能及用戶(hù)接入公平性的良好折衷。

2.3 算法描述

算法描述主要包含以下幾個(gè)步驟:

（1）當(dāng)新業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí),根據(jù)用戶(hù)實(shí)際接入需求和系統(tǒng)性能確定接入傾向度 α;

（2）預(yù)測(cè)3G/HSPA和WiMAX接入該業(yè)務(wù)后,分別計(jì)算改進(jìn)后的整體系統(tǒng)負(fù)載不平衡距離L1和L2;

（3）判斷L1和L2大小,新業(yè)務(wù)接入其中較小的網(wǎng)絡(luò);

（4）若接入的網(wǎng)絡(luò)有足夠資源,則準(zhǔn)入該業(yè)務(wù),否則拒絕該業(yè)務(wù)請(qǐng)求。

綜合上述算法,整個(gè)呼叫準(zhǔn)入方案流程如圖1所示。

圖1 呼叫準(zhǔn)入方案流程圖Fig.1 Flowchart of admission control scheme

3 仿真與分析

由于文獻(xiàn)[2]已經(jīng)驗(yàn)證了基于鏈路間負(fù)載均衡的呼叫準(zhǔn)入算法對(duì)傳統(tǒng)負(fù)載均衡的呼叫準(zhǔn)入算法的優(yōu)越性,本文的仿真主要針對(duì)系統(tǒng)性能和公平性這兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行。

為了衡量接入3G/HSPA的接入傾向度 α對(duì)系統(tǒng)性能和接入情況的影響,分別取接入傾向度 α為0.1、0.4、0.5（原方案）的情況下對(duì)我們提出的改進(jìn)的呼叫準(zhǔn)入方案進(jìn)行仿真。

仿真中采用3G/HSPA和WiMAX異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。其中,3G/HSPA的上、下行負(fù)載分別為40%和50%,WiMAX的上、下行負(fù)載分別為60%和50%。3G/HSPA的最大上、下行容量分別為5.76 Mbit/s和14.4 Mbit/s[8]。當(dāng)下行與上行之比為 1∶1時(shí),WiMAX的最大上、下行容量分別為7 Mbit/s和32Mbit/s[9]。

業(yè)務(wù)上、下行速率和業(yè)務(wù)分布分別如表1和表2所示[10]。

表1 服務(wù)要求Table 1 Service resources requirements

表2 服務(wù)分布場(chǎng)景Table 2 Service distribution Scenarios

3.1 接入傾向度的選取

接入傾向度 α是系統(tǒng)性能和公平性的折衷。對(duì)于它取值的選取,可以借助無(wú)差別曲線確定。

3.1.1 無(wú)差別曲線

如果甲占有c數(shù)量的X和d數(shù)量的Y（p）與占有b數(shù)量的X和a數(shù)量的Y（q）,對(duì)于甲是同樣滿(mǎn)意的,則p和q是無(wú)差別的。所有與它們具有同樣滿(mǎn)意程度的點(diǎn)組成的曲線MN叫做甲的一組無(wú)差別曲線[11],如圖2所示。

將它記作:

式中,C1稱(chēng)為滿(mǎn)意度。

同樣,乙對(duì)于物品X和Y也有一組無(wú)差別曲線,記作:

圖2 無(wú)差別曲線Fig.2 Indifference curve

3.1.2 利用無(wú)差別曲線確定接入傾向度 α的取值

利用文獻(xiàn)[11]中的方法確定本方案的接入傾向度α,因?yàn)闊o(wú)差別曲線是希望物品X和Y增加的曲線,但用戶(hù)和運(yùn)營(yíng)商分別希望接入傾向度和實(shí)際系統(tǒng)的阻塞率變?yōu)樽钚?所以設(shè)物品X和Y分別為用戶(hù)希望的接入傾向度（由式（3）確定）和系統(tǒng)的阻塞率的倒數(shù)。甲為用戶(hù),乙為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商。

由文獻(xiàn)[11]可得,接入傾向度和實(shí)際系統(tǒng)的阻塞率的倒數(shù)的折衷點(diǎn)必定在曲線AB上。

圖3 雙方的無(wú)差別曲線和交換路徑Fig.3 Indifference curve and exchange path of both sides

利用等價(jià)交換準(zhǔn)則,即用戶(hù)和系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商可以作為交換的接入傾向度和阻塞率的倒數(shù)c和d具有相同的價(jià)值。雙方滿(mǎn)意的交換方案必是cd與AB的交點(diǎn)p[11],從而可以確定接入傾向度α。

圖4 等價(jià)交換確定的交換方案Fig.4 Exchange scheme of equal value

3.2 仿真結(jié)果

圖5比較了改進(jìn)后的算法在選取不同接入傾向度α情況下阻塞率情況。由圖中可以看出在 α為0.1、0.4的阻塞率差別不大,但相對(duì) α為0.5（原方案）時(shí)差距較大,從而猜想接入傾向度 α在0.5和0.4之間時(shí),阻塞率上升,后趨于穩(wěn)定。

圖5 不同接入傾向度α的阻塞率Fig.5 Blocking rate of different α

基于此猜想,取接入傾向度α值為0.48、0.49、0.5（原方案）的情況下對(duì)我們提出的改進(jìn)的呼叫準(zhǔn)入方案進(jìn)行仿真。圖6示出了在接入傾向度α值為0.48、0.49、0.5（原方案）的情況下的阻塞率。

圖6 接入傾向度 α取值為0.48、0.49、0.50時(shí)的阻塞率Fig.6 Blocking rate when α=0.48,0.49,0.50

由圖5和圖6可以看出,在接入傾向度α取值為0.5、0.49、0.48時(shí),阻塞率逐漸上升,后來(lái)逐漸趨于穩(wěn)定,所以由此可以確定接入傾向度α的大致范圍。

圖7示出了在接入傾向度 α值為0.48、0.49、0.5（原方案）的情況下的呼叫接入3G/HSPA的比例。由圖中可以看出,在接入傾向度 α取值為0.5、0.49、0.48時(shí),接入3G/HSPA的比例逐漸上升。

圖7 不同接入傾向度的呼叫接入比例Fig.7 Access proportion of different α

綜上所述,可以看出接入傾向度α在0.5和0.4之間逐漸減小時(shí),阻塞率有所上升,在0.4附近趨于穩(wěn)定。而業(yè)務(wù)接入3G/HSPA比例逐漸增加,用戶(hù)的實(shí)際接入3G/HSPA的要求被滿(mǎn)足,公平性得到體現(xiàn)。

綜合公平性和系統(tǒng)性能方面的對(duì)比,可見(jiàn)本文彌補(bǔ)了原算法在公平性方面的不足,而阻塞率稍有增加,綜合對(duì)比大致相當(dāng)。本方案中的接入傾向度α起到一個(gè)調(diào)節(jié)器的作用,能夠針對(duì)系統(tǒng)性能與用戶(hù)實(shí)際接入需求起到平衡作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于接入傾向度的呼叫準(zhǔn)入改進(jìn)方案,利用接入傾向度,提高用戶(hù)公平性。仿真證明本方案與原方案相比有大致相當(dāng)?shù)男阅?而在公平性方面具備明顯優(yōu)勢(shì)。本方案可用于未來(lái)異構(gòu)無(wú)線系統(tǒng)的呼叫準(zhǔn)入控制等領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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An Improved Call Adm ission Control Scheme in Heterogeneous W ireless Networks

WANG Wei,JING Zhi-hong,CHEN Peng
（The Telecommunication Engineering Institute,Air Force Engineering University,Xi′an 710077,China）

An improved Call Admission Control（CAC）scheme is proposed to avoid the congestion due to the asymmetry of uplink and downlink service resource requirements.This scheme first proposes Access Preference Degree（APD）,which is used to consider the actual access demand of users.Then an improved CAC scheme based on APD is proposed.Finally,indifference curve is used to determ ine APD value.Numerical results demonstrate that the proposed scheme achieves a good tradeoff between system performance and user fairness,and it has preferable application value.

heterogeneous wireless network;resource management;access preference degree（APD）;call admission control（CAC）

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.015

1001-893X（2010）11-0071-05

2010-05-14;

2010-06-11

王 偉（1984-）,男,吉林圖門(mén)人,2007年于空軍工程大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線資源管理;

WANG Wei was born in Tumen,Jilin Province,in 1984.He

the B.S.degree from Air Force Engineering University in 2007.He is now a graduate student.His research direction is radio resource management.

Email:soma1984@126.com

景志宏（1965-）,男,河北邢臺(tái)人,副教授、碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信、寬帶無(wú)線接入、目標(biāo)識(shí)別。

JING Zhi-hong was born in Xingtai,Hebei Province,in 1965.He is now an associate professor and also the supervisor of graduate student.His research interests include mobile communication,broad-band wireless access and target identification technique.