朱國(guó)暉， 邵轉(zhuǎn)妮， 雷 興

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121; 2.陜西黃河集團(tuán)股份有限公司 設(shè)計(jì)研究所， 陜西 西安 710000)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中非語(yǔ)音業(yè)務(wù)降質(zhì)的接納控制算法

朱國(guó)暉1， 邵轉(zhuǎn)妮1， 雷 興2

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121; 2.陜西黃河集團(tuán)股份有限公司 設(shè)計(jì)研究所， 陜西 西安 710000)

針對(duì)切換業(yè)務(wù)固定預(yù)留帶寬會(huì)降低帶寬利用率的問(wèn)題,提出切換業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)預(yù)留帶寬的接納控制算法，根據(jù)用戶中斷率和阻塞率的比例關(guān)系計(jì)算并判斷預(yù)留帶寬，利用剩余帶寬資源進(jìn)行接納判決，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用動(dòng)態(tài)預(yù)留帶寬策略，對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行兩次降質(zhì)處理，進(jìn)而給出一種非語(yǔ)音業(yè)務(wù)降質(zhì)的接納控制算法，以降低切換語(yǔ)音業(yè)務(wù)的中斷率和語(yǔ)音業(yè)務(wù)的阻塞率。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的算法相比，新算法可降低新業(yè)務(wù)呼叫阻塞率和切換業(yè)務(wù)呼叫掉線率，并能提高系統(tǒng)帶寬利用率。

寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；接納控制；非語(yǔ)音業(yè)務(wù)降質(zhì)；帶寬動(dòng)態(tài)預(yù)留；緩存機(jī)制

在寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，呼叫請(qǐng)求類(lèi)型有兩種,即新發(fā)起呼叫和切換呼叫。呼叫接納控制是指根據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)需求對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)資源做出是否可用的判定過(guò)程，其核心思想是帶寬分配算法[1-2]，而衡量呼叫接納控制算法的標(biāo)準(zhǔn)包括新業(yè)務(wù)呼叫阻塞率、切換業(yè)務(wù)呼叫中斷率和系統(tǒng)帶寬利用率。為了使得這三者綜合指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，可為切換業(yè)務(wù)預(yù)留固定的保護(hù)帶寬[3-4]，只有當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的可用帶寬大于預(yù)留帶寬門(mén)限時(shí)才會(huì)考慮接納其他業(yè)務(wù)，這種方案雖然降低了切換呼叫中斷率，但是由于這個(gè)預(yù)留值是固定的，那么預(yù)留過(guò)多會(huì)造成資源的浪費(fèi)，使得系統(tǒng)資源利用率和新呼叫阻塞率增高。也可采用比例預(yù)留帶寬方案或動(dòng)態(tài)預(yù)留帶寬方案[5-7]，但這種方案并沒(méi)有使接納率和系統(tǒng)利用率達(dá)到最優(yōu)。另外，引入緩存機(jī)制[8-11]，可使因降質(zhì)而被中斷的非語(yǔ)音業(yè)務(wù)暫時(shí)放到緩存中等待再次被傳而避免丟棄，或根據(jù)基于隊(duì)列的接納控制算法[12]，采用四維狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來(lái)分析接納控制算法的三大指標(biāo)，但都會(huì)增加算法的復(fù)雜度。

為了使接納控制的三大指標(biāo)比較理想，本文擬提出動(dòng)態(tài)預(yù)留帶寬的接納控制算法和非語(yǔ)音業(yè)務(wù)降質(zhì)的接納控制算法，先對(duì)切換業(yè)務(wù)的帶寬資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)留，其次，根據(jù)系統(tǒng)資源情況對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行降質(zhì)處理，然后根據(jù)接納判決準(zhǔn)則進(jìn)行接納判決。

1 接納控制算法模型

假設(shè)小區(qū)內(nèi)的系統(tǒng)總帶寬為B，其中語(yǔ)音業(yè)務(wù)的帶寬需求為Bl，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的帶寬需求范圍為Bdmin～Bdmax，切換語(yǔ)音業(yè)務(wù)的預(yù)留帶寬采用動(dòng)態(tài)預(yù)留方案，小區(qū)中的新呼叫語(yǔ)音業(yè)務(wù)和切換呼叫語(yǔ)音業(yè)務(wù)分別服從到達(dá)率為λn和λh的泊松(Poisson)分布，則語(yǔ)音業(yè)務(wù)的總到達(dá)率為λt=λn+λh,同理，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的總到達(dá)率為λd=λdn+λdh。到達(dá)小區(qū)中的所有業(yè)務(wù)的到達(dá)時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布，并且其平均服務(wù)時(shí)間服從強(qiáng)度為1/μ的負(fù)指數(shù)分布。在此接納控制算法中，業(yè)務(wù)接納優(yōu)先級(jí)的排序?yàn)?切換呼叫語(yǔ)音業(yè)務(wù),新呼叫語(yǔ)音業(yè)務(wù),切換呼叫數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),新呼叫數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。該算法模型如圖1所示，當(dāng)業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，業(yè)務(wù)分類(lèi)器先對(duì)到達(dá)業(yè)務(wù)類(lèi)型進(jìn)行判定，然后再送達(dá)接納判決模塊，接納判決模塊根據(jù)系統(tǒng)帶寬資源的使用情況對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行接納判決，若暫時(shí)未被接納或者拒絕，則將其放入緩存器中等待有資源時(shí)再次通過(guò)接納判決模塊進(jìn)行接納判決，最后將接納的業(yè)務(wù)送入資源調(diào)度模塊為其分配帶寬資源。

圖1 接納控制算法模型

2 帶寬動(dòng)態(tài)預(yù)留接納控制算法

在切換業(yè)務(wù)固定預(yù)留帶寬的接納控制算法的基礎(chǔ)上,可以獲得一種帶寬動(dòng)態(tài)預(yù)留接納控制(Bandwidth Movement Reservation Call Admition Control, BMRCAC)新算法。該算法的核心思想是對(duì)切換語(yǔ)音業(yè)務(wù)帶寬資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)留。

假設(shè)信道固定總帶寬為B，為切換業(yè)務(wù)預(yù)留的初始帶寬為B0，非預(yù)留帶寬為

Bnonrsv=B-B0,

新呼叫阻塞率和切換呼叫中斷率分別為

其中k為新呼叫被阻塞數(shù)，N為到達(dá)新呼叫總數(shù),m為中斷切換用戶數(shù)，H為切換呼叫總數(shù),于是動(dòng)態(tài)預(yù)留因子

根據(jù)α的取值范圍來(lái)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)切換業(yè)務(wù)的預(yù)留帶寬B0，即

其中Bhu為切換業(yè)務(wù)已用帶寬，ΔB為一確定帶寬值。

當(dāng)業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，在動(dòng)態(tài)預(yù)留資源的基礎(chǔ)上結(jié)合切換業(yè)務(wù)固定預(yù)留帶寬接納控制(Bandwidth Steady Reservation Call Admition Control, BSRCAC)算法的接納判決準(zhǔn)則對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行接納判決。新算法在動(dòng)態(tài)預(yù)留資源的過(guò)程中不僅考慮了切換業(yè)務(wù)的中斷率，還考慮了新呼叫業(yè)務(wù)的阻塞率，能對(duì)預(yù)留帶寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使系統(tǒng)的切換中斷率和呼叫阻塞率降低。

3 非語(yǔ)音業(yè)務(wù)降質(zhì)接納控制算法

在新的帶寬動(dòng)態(tài)預(yù)留接納控制算法基礎(chǔ)上，可以獲得一種非語(yǔ)音業(yè)務(wù)降質(zhì)的接納控制(Degraded non-voice Bandwidth Movement Reservation Call Adimition Control, BMRDCAC)算法。根據(jù)接納控制算法模型對(duì)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的定義，這種非語(yǔ)音業(yè)務(wù)降質(zhì)的接納控制算法的實(shí)質(zhì)就是對(duì)優(yōu)先級(jí)比較低的非語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行降帶處理。當(dāng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)(新呼叫語(yǔ)音業(yè)務(wù)和切換呼叫語(yǔ)音業(yè)務(wù))請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，系統(tǒng)帶寬不能滿足呼叫請(qǐng)求，則采用遍歷法對(duì)非語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行首次降質(zhì)，使得被降質(zhì)的非語(yǔ)音業(yè)務(wù)以最小帶寬進(jìn)行傳輸，如果還不能滿足語(yǔ)音業(yè)務(wù)呼叫請(qǐng)求，則對(duì)已接納的非語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行二次降質(zhì)，將中斷傳輸被二次降質(zhì)的非語(yǔ)音業(yè)務(wù)，并將其放入緩存隊(duì)列中，以等待系統(tǒng)空閑時(shí)進(jìn)行二次服務(wù)，在此不對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行降質(zhì)處理。

算法具體步驟如下。

步驟1 當(dāng)業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí),先判斷其業(yè)務(wù)類(lèi)型。

步驟2 若是新呼叫語(yǔ)音業(yè)務(wù)，則判斷是否有

Bnonrsv-iBl-jBdmax>Bl，

(1)

其中i為已接納語(yǔ)音業(yè)務(wù)數(shù)，j為已接納數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)。若式(1)成立則接納該業(yè)務(wù)，否則采用遍歷法對(duì)已接納的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行第一次降帶處理。降帶處理的偽代碼如下。

for i=1:1:N

if i==Data_user

k=k+1;

Bnonrsv=k*ΔB

end

end

其中Data_user表示業(yè)務(wù)類(lèi)型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，k為被降質(zhì)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)。經(jīng)第一次降帶處理后，若有

k(Bdmax-Bdmin)>Bl,

則接納該呼叫請(qǐng)求，否則對(duì)非語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行第二次降帶處理，使被降質(zhì)的業(yè)務(wù)進(jìn)入緩存隊(duì)列中等待再次被調(diào)度，直到緩存隊(duì)列滿為止。如果其釋放出來(lái)的帶寬足夠接納該呼叫請(qǐng)求，則接納，否則拒絕。

步驟3 若是新呼叫非語(yǔ)音業(yè)務(wù)，則判斷

Bnonrsv-iBl-jBdmin>Bdmin,

(2)

若式(2)成立，則接納該用戶，否則拒絕。

步驟4 若是切換呼叫非語(yǔ)音業(yè)務(wù)，則判斷式(2)是否成立。若式(2)成立，則接納該呼叫請(qǐng)求,否則，采用與步驟1相同的遍歷法對(duì)已接納新呼叫非語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行降質(zhì)處理，之后若有

k(Bdmax-Bdmin)>Bdmin,

則接納，否則拒絕。

步驟5 若是切換呼叫語(yǔ)音業(yè)務(wù)，則判斷是否有

B0-mBl>Bl，

(3)

其中m為已經(jīng)接納的切換語(yǔ)音業(yè)務(wù)數(shù)。若式(3)成立，則接納,否則采用與步驟1相同的遍歷法對(duì)非語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行第一次降質(zhì)處理，若式(1)滿足，則接納該呼叫請(qǐng)求,否則對(duì)非語(yǔ)音呼叫業(yè)務(wù)進(jìn)行第二次降質(zhì)，使其暫時(shí)緩存到緩存隊(duì)列中等待再次被傳，直到緩存隊(duì)列滿為止。然后判斷其釋放出來(lái)的帶寬是否足夠接納該呼叫請(qǐng)求，若滿足則接納,否則拒絕。

步驟6 若系統(tǒng)中有剩余帶寬時(shí)則根據(jù)先到先服務(wù)的原則為緩存隊(duì)列中的業(yè)務(wù)進(jìn)行二次服務(wù)。

步驟7 當(dāng)業(yè)務(wù)到達(dá)后根據(jù)本課題設(shè)計(jì)的接納控制算法對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行接納，判斷接納結(jié)束之后動(dòng)態(tài)預(yù)留因子α的取值范圍，然后根據(jù)取值范圍為切換業(yè)務(wù)預(yù)留帶寬，返回步驟1繼續(xù)接納判決新的呼叫請(qǐng)求。

4 算法仿真及結(jié)果分析

進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估在動(dòng)態(tài)預(yù)留帶寬的條件下非語(yǔ)音業(yè)務(wù)降質(zhì)對(duì)系統(tǒng)中新用戶的阻塞率和切換用戶中斷率的影響，在接納判決過(guò)程中只考慮各類(lèi)業(yè)務(wù)的帶寬需求是否大于系統(tǒng)剩余總帶寬作為判決的依據(jù)。

4.1 仿真環(huán)境

同類(lèi)型業(yè)務(wù)的QoS參數(shù)相同，各類(lèi)業(yè)務(wù)的帶寬需求以及優(yōu)先級(jí)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果分析

針對(duì)所討論的接納控制算法，在Matlab仿真平臺(tái)上對(duì)3種不同策略的呼叫接納控制算法進(jìn)行了仿真對(duì)比。BSRCAC算法為切換語(yǔ)音業(yè)務(wù)預(yù)留固定的帶寬，根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判決接納，但不對(duì)非語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行降質(zhì)處理。BMRCAC算法根據(jù)新呼叫阻塞率和切換呼叫中斷率的比例關(guān)系為切換語(yǔ)音業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)預(yù)留帶寬，亦不對(duì)非語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行降質(zhì)處理，并且可變帶寬業(yè)務(wù)均以最大帶寬接納。BMRDCAC算法是在BMRCAC算法的基礎(chǔ)上對(duì)非語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行降質(zhì)處理，并且增加緩存隊(duì)列以存儲(chǔ)被降質(zhì)的業(yè)務(wù)。

新呼叫業(yè)務(wù)到達(dá)率和阻塞率的關(guān)系曲線如圖2所示,從中可以看出隨著業(yè)務(wù)到達(dá)率的增加，業(yè)務(wù)阻塞率都是呈上升趨勢(shì)，但是BSRCAC算法的阻塞率明顯高于BMRCAC算法，這是因?yàn)樗惴ㄒ粸榍袚Q業(yè)務(wù)固定預(yù)留帶寬，隨著業(yè)務(wù)到達(dá)率的增加，新呼叫業(yè)務(wù)到達(dá)數(shù)會(huì)遠(yuǎn)大于切換業(yè)務(wù)到達(dá)數(shù)，而B(niǎo)nonrsv值是固定不變的，這就導(dǎo)致新呼叫阻塞率增大。BMRCAC算法高于BMRDCAC算法的原因是BMRDCAC算法增加了緩存隊(duì)列，當(dāng)業(yè)務(wù)不被接納時(shí)可以暫放入緩存隊(duì)列等到系統(tǒng)空閑時(shí)繼續(xù)為其服務(wù)，而B(niǎo)MRCAC算法是若不被接納則直接拒絕。

圖2 呼叫過(guò)程阻塞概率仿真

切換業(yè)務(wù)到達(dá)率與中斷概率關(guān)系如圖3所示。3種算法的曲線也是隨著業(yè)務(wù)到達(dá)率的增大而呈上升趨勢(shì)，BSRCAC算法的中斷概率大于BMRCAC算法是因?yàn)锽MRCAC算法為切換業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)預(yù)留帶寬，隨著α的變化區(qū)間為切換業(yè)務(wù)預(yù)留足夠的帶寬，故其中斷概率比較??；BMRCAC算法的中斷率大于BMRDCAC算法是因?yàn)锽MRCAC算法在接納控制過(guò)程中對(duì)可變帶寬業(yè)務(wù)均以Bdmax接納，而B(niǎo)MRDCAC算法在接納過(guò)程中對(duì)非語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行降質(zhì)，這樣非語(yǔ)音切換業(yè)務(wù)便可以以最小帶寬接納從而增加了接納用戶數(shù)，因此中斷概率會(huì)比較小。

圖3 呼叫中斷概率仿真

業(yè)務(wù)到達(dá)率和系統(tǒng)帶寬利用率的關(guān)系如圖4所示,從中可見(jiàn)：BMRDCAC算法的帶寬利用率高于BMRCAC算法，原因是BMRDCAC算法在BMRCAC算法的基礎(chǔ)上采用了非語(yǔ)音業(yè)務(wù)降質(zhì)的接納控制策略，增加了緩存隊(duì)列，當(dāng)系統(tǒng)空閑時(shí)緩存隊(duì)列中的業(yè)務(wù)可以繼續(xù)利用帶寬資源；BMRCAC算法的帶寬利用率高于BSRCAC算法的原因是BMRCAC采用了動(dòng)態(tài)預(yù)留策略，這樣可以避免BSRCAC算法中因?yàn)橘Y源預(yù)留不合理而造成的資源浪費(fèi)。

圖4 系統(tǒng)帶寬利用率仿真

5 結(jié) 語(yǔ)

給出一種新的為切換業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)預(yù)留帶寬的策略,并在其基礎(chǔ)上提出了對(duì)非語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行兩次降帶的接納控制算法。新算法考慮了業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，并且根據(jù)動(dòng)態(tài)預(yù)留因子的取值范圍來(lái)為切換業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)預(yù)留帶寬。通過(guò)仿真可知，新算法既能降低業(yè)務(wù)阻塞率和中斷概率，又可提高系統(tǒng)帶寬利用率，達(dá)到了預(yù)期的研究目的。

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[責(zé)任編輯:王輝]

Admission control algorithm for
degraded non-voice services in wireless network

ZHU Guohui1, SHAO Zhuanni1, LEI Xing2

(1.School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China；2.Department of the Fifth Research Laboratory, Institute of Shaanxi Huanghe Group Co. Ltd., Xi’an 710000, China)

An admission control algorithm of switching service bandwidth dynamics reserved is proposed in this paper to solve the problems of the reduced switching service bandwidth utilization. The algorithm is based on the ratio between the user interrupt rate and blocking rate to calculate and decide the reserved bandwidth, and to judge the remaining bandwidth resources. At the same time, an admission control algorithm for degraded non-voice services in wireless network based on the admission control algorithm for switching services of bandwidth reserved fixedly is proposed. This algorithm mainly use the services priorities strategy to cut down the bandwidth of the non-voice services twice for reducing the voice service blocking rate and dropping rate. Simulation results show that compared with other traditional algorithms, the new algorithms can reduce the new call blocking probability and handoff call dropping rate, and therefore can improve the bandwidth utilization.

broadband wireless networks, admission control, non-voice services degraded, dynamic reserved, caching mechanism

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.01.009

2013-09-17

陜西省教育廳科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(07JK377)

朱國(guó)暉(1969-)，男，副教授，從事移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)路由算法等研究。E-mail:zhgh@xupt.edu.cn 邵轉(zhuǎn)妮(1988-),女,碩士研究生,研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)。E-mail:429341908@qq.com

TN929.5

A

2095-6533(2014)01-0046-04