楊春德，史繼飛

(1.重慶郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶400065;2.重慶郵電大學(xué)系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究中心，重慶400065)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)融合已成為一種必然趨勢，并為用戶提供無縫業(yè)務(wù)連接和全球移動性。具有不同接入技術(shù)和服務(wù)類型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能夠支持具有不同服務(wù)質(zhì)量需求的多媒體業(yè)務(wù)。不同的接入技術(shù)具有不同的覆蓋范圍、系統(tǒng)容量、安全性和花費代價。因此，研究聯(lián)合呼叫接納控制策略對于保證移動用戶任何時候和任何地點都能永久在線并合理分配網(wǎng)絡(luò)有限資源是非常必要的。移動用戶根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)和個人偏好進行不同網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的合適選擇，同時網(wǎng)絡(luò)提供商也希望提供最大化的網(wǎng)絡(luò)收益，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。因此，在保證用戶服務(wù)質(zhì)量 (quality of service，QoS)的同時合理選擇不同的接入技術(shù)是聯(lián)合呼叫接納控制機制研究的重點。目前，該領(lǐng)域相關(guān)專家已經(jīng)根據(jù)業(yè)務(wù)自身特點進行區(qū)分業(yè)務(wù)類型研究，對于移動切換性所產(chǎn)生的接納控制問題也進行了一定的闡述。針對越來越復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)類型，如何保證不同業(yè)務(wù)合理接入網(wǎng)絡(luò)成為該領(lǐng)域中研究的熱點問題。本文則基于研究熱點的基礎(chǔ)上，進一步深入研究，提出新的高效聯(lián)合控制策略，以解決更加有效的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中接納控制問題。該研究對于將來接納選擇的理論研究和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實際部署來說都是具有十分重要的意義。本文所提策略將與不區(qū)分業(yè)務(wù)接納控制策略及不支持移動切換性的接納控制策略相比，通過理論推導(dǎo)、仿真驗證，證明網(wǎng)絡(luò)效用值具有較大的提升。并且，在呼叫阻塞率與切換掉話率上起到了很好的平衡效果。

1 相關(guān)研究

接納控制機制是無線資源管理的關(guān)鍵技術(shù)，它保證了用戶呼叫業(yè)務(wù)的QoS需求，接納控制策略的好壞會直接影響到系統(tǒng)資源利用率，進而影響到各類型業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的體驗性。目前，國內(nèi)外對該策略有了相關(guān)的研究。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中無線資源管理模型通過提供高效空口資源利用率來滿足不同用戶QoS需求。相關(guān)接納控制研究在不同類型網(wǎng)絡(luò)中均已涉及;文獻［1，2］中介紹了傳統(tǒng)的CDMA蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的接納控制;文獻 ［3，4］中介紹了WLAN局域網(wǎng)系統(tǒng)中的接納控制;文獻［5］中介紹了一種基于負(fù)載均衡的接納控制機制;文獻［6］中介紹了新型4G移動無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中支持QoS約束的接納控制算法。以上研究對象均是單一網(wǎng)絡(luò)，隨著無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)種類的不斷增長，在多種網(wǎng)絡(luò)同時存在的系統(tǒng)環(huán)境下進行的研究也逐漸增加。文獻［7］描述了多業(yè)務(wù)負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)接納模型;文獻［8］研究了基于半馬爾科夫決策過程模型［9］的聯(lián)合呼叫接納控制，通過求解線性規(guī)劃過程獲得最優(yōu)解，但未能考慮到不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級。

但是現(xiàn)有的研究，大多數(shù)未能結(jié)合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)綜合考慮用戶移動切換性及業(yè)務(wù)差異性，本文提出異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的一種區(qū)分業(yè)務(wù)和支持移動切換性的聯(lián)合接納控制策略。首先分析不區(qū)分業(yè)務(wù)的接納控制策略和不支持移動切換性的接納控制策略的特點，然后重點對比不同策略之間的區(qū)別并給出本文研究的策略的基本流程圖，最后通過數(shù)值仿真分析對方案的合理性與正確性。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼安呗苑治?/h2>

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

本文為了解決異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)接納控制問題，結(jié)合目前實際網(wǎng)絡(luò)特征，首先假設(shè)如圖1所示的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。在該拓?fù)涫疽鈭D中，LTE為目前廣泛研究的第四代移動通信 (4G)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)，保證用戶業(yè)務(wù)高實時性需求;WLAN為無線局域網(wǎng)絡(luò)，保證用戶業(yè)務(wù)高帶寬需求;BS為基站，負(fù)責(zé)移動終端之間信息的傳遞;MT為移動終端，為發(fā)出業(yè)務(wù)請求或接受請求響應(yīng)的設(shè)備。

圖1 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)典型拓?fù)?/p>

在圖1中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包含LTE宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN無線局域網(wǎng)絡(luò)，其中LTE宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以劃分為LTE區(qū)域和WLAN區(qū)域，WLAN無線局域網(wǎng)絡(luò)只包含WLAN區(qū)域。在該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，假設(shè)總共存在兩種多媒體業(yè)務(wù)，即語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);同時存在兩種呼叫類型，即新呼叫類型與切換呼叫 (水平和垂直切換)［10］類型。由于語音業(yè)務(wù)具有實時性、帶寬資源需求較少的特點;數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則相反，具有非實時性、帶寬資源需求較多的特點。因此，LTE宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)偏向于接納語音業(yè)務(wù)，WLAN網(wǎng)絡(luò)偏向于接納數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。即將語音業(yè)務(wù)成功接納到LTE網(wǎng)絡(luò)比成功接納到WLAN網(wǎng)絡(luò)中獲得的收益較大，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則相反;當(dāng)業(yè)務(wù)到達系統(tǒng)時，需要在較短的時間內(nèi)做出決策，考慮是否接納以及如何接納?？梢再x予語音業(yè)務(wù)相對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)較高處理優(yōu)先級。對于兩種呼叫類型，其中新呼叫類型指某一時刻，系統(tǒng)中檢測到有新的語音業(yè)務(wù)或者數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達網(wǎng)絡(luò);切換呼叫類型指正在網(wǎng)絡(luò)中進行的語音業(yè)務(wù)或者數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由于用戶需要從一個區(qū)域移動進入另外一個區(qū)域時發(fā)生的切換呼叫。較新呼叫類型而言，正在通話或數(shù)據(jù)操作的用戶進行切換引起的掉話率會更加難以令人忍受。故可以賦予切換類型具有相對較高優(yōu)先級。若用O表示各業(yè)務(wù)呼叫類型的優(yōu)先權(quán)，則有以下關(guān)系:Ovh＞Ovn＞Odh＞Odn，其中Ovh表示語音業(yè)務(wù)切換優(yōu)先級，Ovn表示語音業(yè)務(wù)新呼叫優(yōu)先級，Odh表示數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)切換優(yōu)先級，Odn表示數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)新呼叫優(yōu)先級。當(dāng)系統(tǒng)資源充足時，作以下一般假設(shè):①各業(yè)務(wù)呼叫類型到達系統(tǒng)的時間間隔服從參數(shù)為λ的泊松分布;②各業(yè)務(wù)呼叫類型在系統(tǒng)中接納服務(wù)所需的服務(wù)時間服從參數(shù)為μ的指數(shù)分布;③對于特定系統(tǒng)模型，其最大容納上限值C是可計算或事先給定的，本文假設(shè)是事先給定的值。

2.2 策略分析

為了進一步解決接納控制問題，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣o出的基礎(chǔ)上，本節(jié)將采用類排隊論［11］的理論進行接納控制研究。總體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 聯(lián)合呼叫接納控制方案

從圖2中可見，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，語音新的呼叫業(yè)務(wù)、語音切換業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)新呼叫業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)切換業(yè)務(wù)隨時都有可能發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)接納控制器檢測到有對應(yīng)業(yè)務(wù)到達時，根據(jù)到達業(yè)務(wù)的QoS需求以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信道資源可用情況對相應(yīng)業(yè)務(wù)做出接納或者拒絕處理。傳統(tǒng)的方案則是不區(qū)分業(yè)務(wù)接納策略［12］，即當(dāng)各業(yè)務(wù)到達時，系統(tǒng)接納控制器不能得知該業(yè)務(wù)具體類型，而且不能合理選擇相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，而采取隨機接納到LTE網(wǎng)絡(luò)或WLAN網(wǎng)絡(luò)中，此時系統(tǒng)容量信道為LTE網(wǎng)絡(luò)信道與WLAN網(wǎng)絡(luò)信道共享;另外一種傳統(tǒng)接納方案是不同網(wǎng)絡(luò)之間獨立接納控制，即不存在“資源借用”的情況。譬如當(dāng)語音業(yè)務(wù)請求到達時，根據(jù)語音業(yè)務(wù)特點選擇接納到LTE網(wǎng)絡(luò)中，若LTE網(wǎng)絡(luò)中有足夠的剩余資源，則接納該語音的接入請求，否則拒絕。本文提出的方案能夠很好的對業(yè)務(wù)呼叫類型進行區(qū)分，根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前負(fù)載情況，優(yōu)先選擇對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)不能接納時，考慮對另一網(wǎng)絡(luò)進行“資源借用”進行二次接納判斷。因切換引起的掉話情況比起新呼叫引起的阻塞情況更加難以令人忍受，本方案所采取的為切換預(yù)留獨享的信道資源，可以有效降低切換掉話率，保證用戶體驗型。

2.3 流程描述

基于上述分析，考慮到利用不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)同接納來達到網(wǎng)絡(luò)整體收益最大化。本文所提出的區(qū)分業(yè)務(wù)類型與支持移動切換性的聯(lián)合接納控制策略的基本流程如圖3所示。

圖3 聯(lián)合接納控制流程

主要步驟為:

(1)業(yè)務(wù)到達時，首先獲取業(yè)務(wù)的基本信息，包括業(yè)務(wù)類型，帶寬要求，優(yōu)先級別等。

(2)判斷該業(yè)務(wù)是否為實時業(yè)務(wù)，進一步判斷該呼叫類型是否為具有高優(yōu)先級的切換用戶，若為語音業(yè)務(wù)則優(yōu)先考慮接入LTE網(wǎng)絡(luò)中，若LTE網(wǎng)絡(luò)資源充足，則考慮接納呼叫請求。

(3)如若在首選LTE網(wǎng)絡(luò)中資源剩余不足，那么可以考慮借用WLAN網(wǎng)絡(luò)中的資源，WLAN網(wǎng)絡(luò)資源充足，則考慮接納呼叫請求，否則拒絕。對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，情況相同。

(4)該時刻處理結(jié)束，下一時刻重復(fù)上述步驟。

3 仿真及性能分析

為了驗證本文所提出的聯(lián)合接納控制策略有效性，本節(jié)主要給出該策略與上述提及的不區(qū)分業(yè)務(wù)和不支持移動切換性場景下的策略性能進行比較，利用matlab實驗平臺驗證其合理性。

3.1 參數(shù)設(shè)定

仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，考慮到目前廣泛使用的語音和數(shù)據(jù)兩種典型業(yè)務(wù)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在著新呼叫類型、水平切換類型及垂直切換類型。為了降低仿真復(fù)雜度，本文將水平切換和垂直切換統(tǒng)一看成切換類型，即存在新呼叫與垂直切換兩種典型呼叫類型。LTE網(wǎng)絡(luò)仍以語音業(yè)務(wù)接納為主，WLAN網(wǎng)絡(luò)仍以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接納為主。假設(shè)到達異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所有業(yè)務(wù)的服務(wù)時間均值為1。業(yè)務(wù)到達時間間隔均值變化范圍為0.4到0.05。單一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量上限值均為10，對于新呼叫類型可以使用的容量上限值為總?cè)萘恐档?0%。假設(shè)每個語音業(yè)務(wù)成功接納到LTE網(wǎng)絡(luò)中獲得的收益為0.02，成功接納到WLAN網(wǎng)絡(luò)中獲得的收益為0.01;每個數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)成功接納到WLAN網(wǎng)絡(luò)中獲得的即時收益為0.02，成功接納到LTE網(wǎng)絡(luò)中獲得的即時收益為0.01。

3.2 性能分析

圖4 仿真結(jié)果

如效用對比圖4(a)所示，隨著語音或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量到達系統(tǒng)平均時間間隔越來越小時，即每單位時間內(nèi)平均到達數(shù)量逐漸增加，本文所提出的聯(lián)合接納控制策略所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)平均效益將越來越凸顯。語音業(yè)務(wù)為實時性業(yè)務(wù)，具有相對高優(yōu)先級，如效果對比圖4(b)和圖4(c)所示，當(dāng)系統(tǒng)中語音或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量越來越多時，同一時刻，優(yōu)先進行接納判斷語音業(yè)務(wù)的存在性，所以從效果對比圖中可見語音業(yè)務(wù)的新呼叫阻塞率與垂直切換掉話率值都相對比較低。充分顯示語音業(yè)務(wù)高優(yōu)先級特點，保證了系統(tǒng)中語音的實時性。相對而言，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為非實時性業(yè)務(wù)，偏向于較大的帶寬需求，在語音業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)共存的場景中，當(dāng)系統(tǒng)中語音業(yè)務(wù)或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達數(shù)量很多時刻，由于優(yōu)先選擇語音業(yè)務(wù)進行接納處理，到達的語音業(yè)務(wù)進入處理隊列，占用了系統(tǒng)的信道容量，故而會導(dǎo)致一定數(shù)量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)無法獲得及時接納處理，如效果對比圖4(d)和圖4(e)所示，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)新呼叫阻塞率和垂直切換掉話率值的效果相對不是很明顯。與不支持移動性和不區(qū)分業(yè)務(wù)的傳統(tǒng)接納控制策略值幅度相差不大。而從圖4(d)中可見，聯(lián)合接納控制策略的切換掉話率比傳統(tǒng)接納控制策略值稍大，正如剛才分析，語音業(yè)務(wù)占用了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一定信道帶寬導(dǎo)致的。綜上可知，本文提出的聯(lián)合接納控制策略在保證網(wǎng)絡(luò)整體收益的情況下可以很好的保證系統(tǒng)實時性，在新呼叫阻塞率和切換掉話率之間起到很好折中效果。

4 結(jié)束語

本文首先給出了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并對相關(guān)場景進行了說明，然后在傳統(tǒng)的接納控制策略的基礎(chǔ)上提出了聯(lián)合接納控制策略，進行了比較后給出了聯(lián)合接納控制策略的算法流程圖，最后設(shè)定特定的場景，進行仿真，通過實驗驗證了該策略的有效性。所提出的接納控制策略可以有效提高網(wǎng)絡(luò)整體收益，降低新呼叫阻塞率與切換掉話率，滿足不同用戶的QoS需求。

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