郭 強，車玉潔，張曉萌，朱若菡

(山東財經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟南 250014)

一種適應(yīng)自相似業(yè)務(wù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接納控制算法

郭 強，車玉潔，張曉萌，朱若菡

(山東財經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟南 250014)

為了解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量有限、資源利用率較低的問題，根據(jù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的自相似特性，提出了一種適應(yīng)自相似業(yè)務(wù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接納控制算法。首先，通過統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)演算方法，根據(jù)業(yè)務(wù)流量特性和要求定量求解網(wǎng)絡(luò)性能的統(tǒng)計邊界，進而求解出自相似業(yè)務(wù)所需的最小帶寬，能夠進行更準確的帶寬估計；其次，制定合理的接納控制策略，即考慮業(yè)務(wù)優(yōu)先級、異構(gòu)網(wǎng)的剩余帶寬以及業(yè)務(wù)本身所需帶寬情況三方面的因素進行接納控制，另外，該策略通過引入概率機制保證終端接入的公平性；最后，在3G與WLAN互聯(lián)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行OPNET仿真驗證。通過仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，該算法能夠在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高帶寬利用率，降低系統(tǒng)的業(yè)務(wù)阻塞率，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

接納控制；自相似；帶寬估計；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；阻塞率

0 引 言

目前，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的資源管理技術(shù)已成為熱點研究領(lǐng)域，一個有效的無線資源管理機制能夠充分利用有限的資源給用戶提供高質(zhì)量的通信服務(wù)。而呼叫接納控制的意義是在可以保證用戶服務(wù)質(zhì)量的同時能夠提高網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，而出現(xiàn)新的通話呼叫時，新呼叫能被接納的前提是不影響已存在呼叫用戶的服務(wù)質(zhì)量，且新呼叫的服務(wù)質(zhì)量也能得到滿足[1]?？傊?，呼叫接納控制作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源管理的重要部分，直接影響著整個網(wǎng)絡(luò)資源使用的有效性和用戶的QoS要求。因此，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下設(shè)計一個合理有效的接納控制策略至關(guān)重要。

實施呼叫接納控制的網(wǎng)絡(luò)，首先需要獲得請求接入網(wǎng)絡(luò)的用戶的業(yè)務(wù)流量特性和要求，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)鏈路剩余帶寬情況決定是否同意接納用戶的呼叫請求。呼叫接納控制過程包括兩個重要過程：首先，進行數(shù)值計算，即要計算出請求接納業(yè)務(wù)的所需有效帶寬；其次，是判斷接納過程，即根據(jù)有效帶寬進行判別是否接納。

文獻[2]提出了一種多媒體業(yè)務(wù)的聯(lián)合呼叫接納控制算法，針對不同類型用戶的業(yè)務(wù)特性以及優(yōu)先級進行接納控制，但是未考慮業(yè)務(wù)所需帶寬及網(wǎng)絡(luò)剩余帶寬。文獻[3]提出了一種基于馬爾可夫決策過程的區(qū)分業(yè)務(wù)接納控制算法，根據(jù)馬爾可夫決策過程分析了不同類型業(yè)務(wù)的接納控制行為并提出基于模糊邏輯的接納效用評估機制，但是該算法沒有考慮業(yè)務(wù)流的自相似特性。文獻[4]提出了一種基于優(yōu)先權(quán)的自相似流量接納控制新算法，但不適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

根據(jù)上述研究中存在的問題，文中首先利用無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流自相似的特性，應(yīng)用統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)演算對自相似業(yè)務(wù)模型進行有效帶寬估計，進而提出適應(yīng)自相似業(yè)務(wù)的呼叫接納控制算法。通過在3G與WLAN搭建的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行仿真，結(jié)果表明，提出的AS-CAC可以大大提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，有效降低網(wǎng)絡(luò)擁塞率，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

1 自相似業(yè)務(wù)模型的帶寬估計

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，實際網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)出廣泛的統(tǒng)計自相似特征，而傳統(tǒng)的泊松分布和馬爾可夫模型體現(xiàn)不出長時間網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的自相似特性。因此，自相似模型成為仿真實際網(wǎng)絡(luò)流量的主要模型。

1.1 自相似過程

將這一隨機過程放入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，即X(t)表示在不同時間t時，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處的用戶業(yè)務(wù)流量，其性質(zhì)可以說明業(yè)務(wù)流量存在大時間尺度上的突發(fā)性[9-10]。由此可知，同時具備短相關(guān)和長相關(guān)性質(zhì)的模型更有利于說明網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的真實情況。文中選取分形布朗運動流量模型(FractionalBrownianMotion，F(xiàn)BM)作為自相似業(yè)務(wù)流量模型。

1.2 自相似業(yè)務(wù)的帶寬估計

統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)演算方法是分析網(wǎng)絡(luò)通信性能的有效方法之一，通過此方法可以定量求解網(wǎng)絡(luò)性能的統(tǒng)計邊界，進而求解出自相似業(yè)務(wù)所需的最小帶寬，能夠合理估計網(wǎng)絡(luò)資源，提高資源利用率。

首先確定自相似業(yè)務(wù)模型的統(tǒng)計到達包絡(luò)，F(xiàn)BM模型一般需要Hurst系數(shù)H、流量平均到達率m、流量方差系數(shù)a三個參數(shù)就可以描述一個長相關(guān)序列，非常簡單，易于求解。一個分形布朗運動包絡(luò)過程定義為:

(1)

它的統(tǒng)計到達包絡(luò)G(t)=A*(t)。

其中：ρ表示FBM的平均到達率；ε表示分組丟失率；β表示單位時間流量標(biāo)準差。

此過程表示一個FBM過程在t時刻超出G(t)的概率為ε，統(tǒng)計意義更加明顯。

其次確定統(tǒng)計服務(wù)曲線并根據(jù)時延統(tǒng)計上界公式進行帶寬估計。在每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)置參數(shù)為(R,T)的速率時延服務(wù)曲線，對數(shù)據(jù)流進行服務(wù)保證，因為存在速率時延，服務(wù)曲線能夠簡潔明了地展現(xiàn)多種不同類型的調(diào)度器，是一種網(wǎng)絡(luò)路由器的標(biāo)準模型。這樣，各個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的統(tǒng)計服務(wù)曲線為:

S(t)=R(t-T)

(2)

違背概率εs，R為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供的服務(wù)速率。時延公式為：

d(t)=inf{d≥0:G(t)≤S(t+d)}

(3)

將統(tǒng)計到達包絡(luò)和統(tǒng)計服務(wù)曲線代入關(guān)系式G(t)≤S(t+d)中，可以得到帶寬下界為：

(4)

進一步取可容忍時延上界dmax，最終得到帶寬估計結(jié)果：

(5)

以上方法解決了單節(jié)點的帶寬估計問題，由于統(tǒng)計服務(wù)曲線的等效作用，也可以將該方法應(yīng)用到多節(jié)點和端對端網(wǎng)絡(luò)，聚合流通過同型流的疊加即可得到[11-13]。

2 適應(yīng)自相似業(yè)務(wù)的接納控制算法

文中在3G與WLAN互聯(lián)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，選取了三種代表性的業(yè)務(wù)類型，即語音、視頻以及數(shù)據(jù)，不同業(yè)務(wù)類型用戶有不同的服務(wù)質(zhì)量需求，需要根據(jù)它們的業(yè)務(wù)特性、優(yōu)先級以及可用帶寬進行接納控制。同時，同一業(yè)務(wù)也都分為新呼叫和切換呼叫，通常對用戶來講，正在進行的業(yè)務(wù)進行中斷比新呼叫產(chǎn)生阻塞更讓人不舒服，所以將切換呼叫的優(yōu)先權(quán)設(shè)置為高于新呼叫的優(yōu)先權(quán)。另外，設(shè)定實時業(yè)務(wù)的優(yōu)先級高于非實時業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，三種業(yè)務(wù)類型中，語音和視頻業(yè)務(wù)是實時業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是非實時業(yè)務(wù)，而語音又作為日常必需的業(yè)務(wù)。因此三種業(yè)務(wù)類型的優(yōu)先級是：語音類>視頻類>數(shù)據(jù)類。

文中提出適應(yīng)自相似業(yè)務(wù)的接納控制算法的設(shè)計原理參考隨機早期丟棄(RandomEarlyDetection，RED)算法，主要目的在于通過引入概率機制提供更公平更有保障的服務(wù)質(zhì)量，在資源有限的情況下緩解競爭。接納控制算法在計算拒絕概率時，遵循網(wǎng)絡(luò)鏈路剩余帶寬越小，拒絕概率越大的原則，這樣通過這個概率進行接納或者拒絕呼叫，實現(xiàn)了終端接入的公平性。拒絕概率Pre根據(jù)RED的原理計算方法如下：

(6)

接納概率為：

P=1-Pre

(7)

由于自相似業(yè)務(wù)的突發(fā)性，設(shè)置剩余帶寬的最大門限值maxb，最小門限值minb，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)鏈路的剩余帶寬為B，則maximumb一般取值在0.8B左右，而minimumb的取值與業(yè)務(wù)源的突發(fā)強度有關(guān)，如果自相似系數(shù)H的值越小則突發(fā)強度越小，網(wǎng)絡(luò)為以防出現(xiàn)突發(fā)設(shè)置的緩沖應(yīng)該越小，minimumb的值應(yīng)該越大。反之亦然。

文中提出算法的基本步驟如圖1所示。

圖1 接納算法過程

具體為：

1)每個業(yè)務(wù)終端采集并提交業(yè)務(wù)流相關(guān)的參數(shù)，包括：自相關(guān)系數(shù)H，流量平均到達率m，流量方差系數(shù)a和所要求的丟包率。

2)根據(jù)式(5)計算有效帶寬R。

3)比較有效帶寬和網(wǎng)絡(luò)剩余帶寬，分為以下幾種情況。

(1)如果R>maximumb，首先判斷請求接入的業(yè)務(wù)流的類型。如果不是高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流，即切換語音及新呼叫語音，則拒絕接納；如果是語音類業(yè)務(wù)流，則采取強制接納，對網(wǎng)絡(luò)中已進行的低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)暫時接納，以釋放資源滿足語音類業(yè)務(wù)的順利接納。

在進行強制接納時，對優(yōu)先級由低到高逐個進行暫時接納，接納條件為：

(8)

式中，通過對最低優(yōu)先級業(yè)務(wù)流進行逐個暫時接納，如果該優(yōu)先級不滿足接納條件，則再對比最低優(yōu)先級高一級的業(yè)務(wù)流進行逐個暫時接納，以此類推，直至滿足條件為止。通過該方式基本上強制接納都可以實現(xiàn)。

(2)如果minimumb

(3)如果R

3 仿 真

為了驗證文中提出的適應(yīng)自相似業(yè)務(wù)的接納控制算法的性能，采用OPNET仿真，利用3G和WLAN兩種網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景，并考慮目前廣泛使用的語音、視頻和數(shù)據(jù)3種典型業(yè)務(wù)。仿真比較了該模型與傳統(tǒng)呼叫接納控制模型的性能。

仿真數(shù)據(jù)來源基于FBM模型，其中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流的生成程序參考文獻[10]，利用Matlab進行編寫，通過仿真程序代碼，可動態(tài)調(diào)節(jié)模型中的參數(shù)。仿真中，所用到的流量參數(shù)如表1所示。其中：H,m,a分別代表流量參數(shù)；1，2，3分別代表業(yè)務(wù)類型。

表1 各業(yè)務(wù)流量參數(shù)

針對提出的算法SCAC，在Matlab仿真平臺上將其和文獻[11]提出的基于效用的接納策略UBCAC進行仿真對比，主要從呼叫阻塞率、掉話率、系統(tǒng)性能、帶寬利用率等方面進行比較。圖2～4為仿真結(jié)果。

圖2 呼叫阻塞率

圖2比較了兩種算法的呼叫業(yè)務(wù)阻塞率和業(yè)務(wù)到達率的關(guān)系?？梢钥闯觯S著到達率的提高，業(yè)務(wù)阻塞率都是不斷上升的。業(yè)務(wù)阻塞率能夠反映系統(tǒng)的性能和用戶服務(wù)質(zhì)量，阻塞率越低說明系統(tǒng)性能越好，能給用戶帶來更好的服務(wù)質(zhì)量，反之亦然。同時從圖中可見，新算法下的阻塞率比較低，由此看出，新算法有較好的性能。

圖3 掉話率

圖4 帶寬利用率

圖3和圖4從掉話率和帶寬利用率兩方面比較了兩種算法的網(wǎng)絡(luò)性能。可以看出，新算法比傳統(tǒng)算法的掉話率更低，帶寬利用率更高。這是因為新算法設(shè)置了合理的接納控制機制以及語音業(yè)務(wù)優(yōu)先的策略。綜合比較來看，新算法可以更好地提升系統(tǒng)性能。

4 結(jié)束語

文中研究了自相似業(yè)務(wù)有效帶寬的計算方法，并在此基礎(chǔ)上提出新的呼叫接納控制算法。該算法一方面可以更準確估計自相似業(yè)務(wù)的帶寬，另一方面考慮到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不同類型業(yè)務(wù)的特性差異，引入概率機制，保證了重要基本業(yè)務(wù)的優(yōu)先接納以及對同一業(yè)務(wù)的公平接納。仿真結(jié)果表明，該算法能夠在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高帶寬利用率，降低系統(tǒng)的業(yè)務(wù)阻塞率。

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A CAC Algorithm Adopting for Self-similar Service in Wireless Network

GUO Qiang,CHE Yu-jie,ZHANG Xiao-meng,ZHU Ruo-han

(School of Management Science and Engineering,Shandong University of Finance and Economics,Jinan 250014,China)

In order to solve the problem of limited system capacity and low resource utilization rate in heterogeneous network,according to the self-similarity of heterogeneous network traffic,a Call Admission Control (CAC) algorithm for self-similar traffic model is proposed.First of all,it makes more accurate bandwidth estimation by statistical network calculus according to the self-similarity and requirement for solving the minimal bandwidth of self-similar business.Secondly,reasonable admission control strategy is designed,which considers three factors including business priorities,the remainder of the heterogeneous network bandwidth and the business itself for admission control.In addition,by introducing probability mechanism,the strategy ensures the fairness of terminal access.Finally,the OPNET simulation and verification is conducted in the heterogeneous network environment of 3G and WLAN.The results show that this algorithm can improve the utilization of the network and reduce the call drop ratio,realizing the optimized configuration of the resource on the basis of guaranteeing QoS of the network.

call admission control;self-similar;bandwidth estimation;heterogeneous network;blocking rate

2015-01-06

2015-04-13

時間：2016-02-18

山東省自然科學(xué)基金(ZR2011FM022)

郭 強(1975-)，男，副教授，博士，研究方向為無線通信網(wǎng)絡(luò)；車玉潔(1989-)，女，碩士，研究方向為無線通信網(wǎng)絡(luò)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160218.1619.008.html

TN929.5

A

1673-629X(2016)03-0097-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.03.023