夏漢鑄，劉輝元

(1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，廣東中山 528436;2.重慶市工業(yè)學(xué)校，重慶 400043)

0 引言

由于無線通信系統(tǒng)的資源非常有限，并且大部分是干擾受限系統(tǒng)，如果在用戶發(fā)生切換時(shí)沒有足夠的無線資源或者系統(tǒng)超載時(shí)不允許用戶接入，則會引起用戶掉話，從而對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。在權(quán)衡無線網(wǎng)絡(luò)性能時(shí)，要保證切換掉話率盡量小，以滿足用戶對服務(wù)質(zhì)量的要求。目前無線網(wǎng)絡(luò)中的資源切換算法主要有兩大類:請求排隊(duì)算法［1－2］和資源預(yù)留算法［3－7］。

請求排隊(duì)算法的核心思想是對新用戶和切換用戶分別對待，對于新用戶而言，如果申請的目標(biāo)服務(wù)基站沒有足夠的無線資源，則拒絕該新用戶接入系統(tǒng)。而一個(gè)切換用戶申請接入新基站時(shí)，如果當(dāng)前無線資源能滿足該切換用戶的服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)要求，則馬上接受該申請;否則將該請求送入緩存區(qū)排隊(duì)等待，按先到先服務(wù)(first input first output，F(xiàn)IFO)的調(diào)度算法對相應(yīng)的請求進(jìn)行處理。

基于資源預(yù)留切換算法的工作原理是，將本小區(qū)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)資源劃分為兩大部分:一部分用以滿足新用戶的接入，一部分預(yù)留給切換用戶使用。當(dāng)有新用戶申請接入時(shí)，從用于新用戶接入的資源中分配給該用戶;當(dāng)有切換用戶申請切換時(shí)，切換用戶從切換預(yù)留資源中獲得資源的分配。無論是新用戶還是切換用戶，如果其無法從相應(yīng)的資源中獲得其所需的資源，他們的服務(wù)都將被無線網(wǎng)絡(luò)拒絕。資源預(yù)留算法是從有限的網(wǎng)絡(luò)資源中專門預(yù)留一部分以供切換用戶使用，該算法有效地保證了快速小區(qū)切換時(shí)低的掉話率，但這種改善是以增加本小區(qū)新用戶接入請求的阻塞率為代價(jià)。在預(yù)留資源算法中，造成阻塞率增加的原因是一個(gè)切換用戶在每一個(gè)可能到訪的鄰近小區(qū)內(nèi)均預(yù)留了所需的帶寬資源，以備新用戶切換時(shí)使用。在用戶完成切換之前，該預(yù)留的資源不能被其他用戶使用，從而導(dǎo)致可供新用戶申請的空閑帶寬資源相對減少，存在顯著降低網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能和無線資源利用率低的問題。

基于此，本文提出一種無線網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)的資源預(yù)留算法(adaptive resource reservation，ARRES)。ARRES算法的基本思想是根據(jù)小區(qū)內(nèi)的新用戶和切換用戶的申請到達(dá)速率，動態(tài)地調(diào)整預(yù)留資源的大小，以克服由于預(yù)留資源分配不合理而導(dǎo)致的預(yù)留資源空閑較多而新用戶申請又無法滿足或用于新用戶申請的剩余資源較多而切換用戶的切換請求被拒絕的現(xiàn)象，從而達(dá)到提高無線資源利用率和網(wǎng)絡(luò)性能的目的。

1 資源預(yù)留算法分析

在資源預(yù)留算法中，假設(shè)小區(qū)內(nèi)共有N個(gè)信道的網(wǎng)絡(luò)資源供用戶使用，其中，C個(gè)信道用于新用戶的接入請求，N－C個(gè)信道預(yù)留給切換用戶使用。

令λc表示新用戶接入請求的平均到達(dá)速率，λh表示切換用戶請求的平均到達(dá)速率;1/μc表示用戶通話的平均持續(xù)時(shí)間;1/μh表示用戶在一個(gè)小區(qū)內(nèi)的平均逗留時(shí)間;Pi表示第i個(gè)狀態(tài)變量轉(zhuǎn)移的概率，即第i個(gè)狀態(tài)被占用導(dǎo)致阻塞的概率，具體馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型［8］如圖1所示。

圖1 信道數(shù)為N、預(yù)留信道數(shù)為N－C的馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型Fig.1 Markov state transition model of N channels and N－C reserved channels

信道數(shù)為N，預(yù)留信道數(shù)為N－C的馬爾可夫延時(shí)模型相對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移平衡方程為

當(dāng)上述系統(tǒng)模型進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，由(1)式可計(jì)算出新用戶的阻塞概率PB為

從 (2)-(4)式可以看出，在 μc，μh，N 不變的情況下 PB，PH同λc，λh及C具有緊密的關(guān)系，如:在C不變的情況下，λc，λh的增大會使得PB，PH都增大，但如果λc增大，λh減小，PH就會增大，PB就不一定減小。當(dāng)然C的增大或減小都會造成PB，PH的變化。因此，如何選擇C就成為影響無線網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要因素。而且從PB，PH的公式中可以看出，在C與λc，λh的關(guān)系選擇合適時(shí)可以減小PB和PH，也就是說如果C隨著λc，λh動態(tài)調(diào)整可以改善無線網(wǎng)絡(luò)的性能。

2 ARRES切換算法

基于以上分析，本節(jié)將詳細(xì)討論無線網(wǎng)絡(luò)中ARRES切換算法的具體實(shí)現(xiàn)過程。

2.1 變量說明

N:無線網(wǎng)絡(luò)中可供用戶使用的資源總數(shù)(信道總數(shù));

C:本小區(qū)新用戶的接入請求可使用的資源總數(shù)(ΔC表示在基準(zhǔn)C的基礎(chǔ)上增加或減少數(shù)目，如ΔC=1表示新用戶的接入請求可使用的資源總數(shù)在原有的基礎(chǔ)上加1);

ΔCmax:新用戶的接入請求可使用的資源總數(shù)增加數(shù)目的最大值;

ΔCmin:新用戶的接入請求可使用的資源總數(shù)增加數(shù)目的最小值，其值一般為負(fù)數(shù)，用于釋放一部分網(wǎng)絡(luò)資源以供切換用戶使用;

ΔT:時(shí)間間隔，主要用來確定速度更新的頻率，一般可取任意大于0的任意值，在實(shí)際應(yīng)用中可以由網(wǎng)絡(luò)管理員設(shè)定或根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況設(shè)定;

RateNew:本小區(qū)新用戶的接入請求到達(dá)速率。在ΔT的時(shí)間間隔通過計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)新用戶接入請求數(shù)來確定新用戶的接入請求到達(dá)速率。如果其速率達(dá)到或超過RateNewmax，表示該無線系統(tǒng)無法滿足部分用戶的要求，就會拒絕新用戶接入請求，如果其速率小于RateNewmin，表示該無線系統(tǒng)的資源足以滿足所有新用戶接入請求;

RateHandoff:本小區(qū)切換用戶的切換請求到達(dá)速率。在ΔT的時(shí)間間隔通過計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)切換用戶切換請求數(shù)來確定切換用戶的接入請求到達(dá)速率。如果其速率達(dá)到或超過RateHandoffmax，表示該無線系統(tǒng)無法滿足部分用戶的要求，就會拒絕切換用戶的切換請求，如果其速率小于RateHandoffmin，表示該無線系統(tǒng)的資源足以滿足所有切換用戶的切換請求。

2.2 ARRES算法實(shí)現(xiàn)

在無線網(wǎng)絡(luò)中采用自適應(yīng)的資源預(yù)留算法需在資源擁有方的設(shè)備(如基站或其他設(shè)備)上增加2個(gè)計(jì)數(shù)器，分別用于統(tǒng)計(jì)在規(guī)定的ΔT時(shí)間間隔內(nèi)新用戶申請到達(dá)速率和切換用戶切換申請到達(dá)速率，用以決定如何調(diào)整可供新用戶接入請求的網(wǎng)絡(luò)資源C的大小。

其具體的實(shí)現(xiàn)過程如下。

1 )初始化相關(guān)變量 RateNew = 0，RateHandoff=0，N，C根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的實(shí)際情況設(shè)定，2個(gè)計(jì)數(shù)器清零;

2 )在ΔT時(shí)間間隔，2個(gè)計(jì)數(shù)器分別對新用戶的接入請求數(shù)和切換用戶的切換請求數(shù)計(jì)數(shù)，每到一個(gè)不同類型的請求其對應(yīng)的計(jì)數(shù)器加 1;

3 )在ΔT時(shí)間間隔到達(dá)后，根據(jù)新用戶的接入請求總數(shù)和切換用戶的切換請求總數(shù)除以時(shí)間ΔT，分別計(jì)算RateNew和 RateHandoff;同時(shí)計(jì)數(shù)器清零重新開始計(jì)數(shù);

4 )根據(jù)計(jì)算得到的RateNew和RateHandoff，動態(tài)調(diào)整C的大小，以保證在新用戶的接入請求速率較大而切換用戶的切換請求速率較小時(shí)，盡可能多的保證接入請求不被拒絕，同時(shí)保證切換用戶的切換請求速率較大而新用戶的接入請求速率較小時(shí)，盡可能多的保證切換用戶的切換成功。

具體的調(diào)整C的算法如下。

根據(jù)計(jì)算所得的ΔC值調(diào)整新用戶的接入請求可使用的資源總數(shù) C的值(其中 β可根據(jù)RateHandoffmin以及無線網(wǎng)絡(luò)管理者對切換用戶的保障程度來共同決定，如網(wǎng)絡(luò)管理者希望盡可能的保障切換用戶的服務(wù)質(zhì)量，可將β的值設(shè)大一些;否則反之)。

2.3 ARRES算法分析

無線網(wǎng)絡(luò)中的ARRES算法的基本思想是通過測量當(dāng)前的新用戶的接入請求速度和切換用戶的切換請求速度，動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源的分配以滿足不同類別用戶對網(wǎng)絡(luò)的要求。就該算法本身有以下問題需要說明。

1 )ΔT時(shí)間間隔的選擇。根據(jù)以上算法描述，如果ΔT時(shí)間間隔的選擇過長，就會導(dǎo)致計(jì)算出來的用戶的接入請求速度和切換用戶的切換請求速度無法反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的情況，即使C或ΔC做了調(diào)整，也有可能無法達(dá)到改善網(wǎng)絡(luò)性能的目的;ΔT時(shí)間間隔的選擇過短，可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源分配頻繁地變化，增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的負(fù)擔(dān)。

2 )RateNewmin，RateNewmax，RateHandoffmin和RateHandoffmax的選擇問題。本算法中使用的這4個(gè)速度值同多種因素有關(guān)，如網(wǎng)絡(luò)資源總數(shù)N，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件情況、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商的要求及網(wǎng)絡(luò)管理員的愛好等。為保障切換用戶請求盡量滿足和及時(shí)地反映網(wǎng)絡(luò)請求的變化，建議RateNewmax=8×RateNewmin;RateHandoffmax=8×RateHandoffmin。

3 )β值的設(shè)定。綜合網(wǎng)絡(luò)各種因素的影響及網(wǎng)絡(luò)資源本身情況的考慮，建議β∈(0.01N ～0.03N)。

總之，ARRES算法通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)定和對無線網(wǎng)絡(luò)的接入請求和切換請求的實(shí)際情況做出動態(tài)地調(diào)整C的大小，可以達(dá)到對無線網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際情況作出積極、主動的反應(yīng)，以降低切換用戶和新用戶接入的阻塞概率，最終達(dá)到改善無線網(wǎng)絡(luò)性能的目的。

3 仿真分析

在網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境NS－2下，實(shí)現(xiàn)了本文提出的ARRES切換算法，通過仿真比較該算法與其他無線網(wǎng)絡(luò)中的切換算法對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，仿真拓?fù)鋱D如圖2所示。在仿真環(huán)境下，假設(shè)N=16，C=8，呼叫用戶和切換用戶都服從泊松到達(dá)，服務(wù)時(shí)間服從指數(shù)分布，到達(dá)速率分別為λc=8和λh=8。

從圖3、圖4可以看出，采用ARRES算法不僅可以減少新用戶呼叫失敗的概率，還可以減少切換用戶的切換失敗概率，從而實(shí)現(xiàn)提高用戶接入和切換的成功概率，最終實(shí)現(xiàn)改善網(wǎng)絡(luò)性能的目的。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)鋱DFig.2 Simulation topology of wireless network

圖3 呼叫失敗用戶總數(shù)Fig.3 Number of call failed user

圖4 切換失敗用戶總數(shù)Fig.4 Number of handoff failed user

4 結(jié)論

本文提出的自適應(yīng)資源預(yù)留ARRES切換算法通過無線網(wǎng)絡(luò)中接入用戶和切換用戶到達(dá)的速率動態(tài)地調(diào)整預(yù)留資源C的大小，以實(shí)現(xiàn)降低切換用戶和新用戶的阻塞概率，到達(dá)提高無線網(wǎng)絡(luò)性能的目的，并詳細(xì)討論了C的變化規(guī)律及調(diào)整算法。通過仿真分析，該算法在不增加無線網(wǎng)絡(luò)的額外負(fù)擔(dān)下，能夠到達(dá)改善無線網(wǎng)絡(luò)性能的目的。

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(編輯:王敏琦)