謝健驪，李翠然，廉小萍

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅 蘭州 730070)

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基于GLV模型的異構網絡聯(lián)合無線資源管理

謝健驪，李翠然，廉小萍

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅 蘭州 730070)

為使不同的無線接入網絡協(xié)同工作，實現(xiàn)異構無線網絡的接納控制,基于生態(tài)學種群競爭與異構無線網絡資源管理的映射關系，提出了一種分布式聯(lián)合無線資源管理(JRRM)算法。建立了基于Gause-Lotka-Volterra (GLV)的異構網絡業(yè)務量預測模型，根據(jù)預測的業(yè)務量是否達到共存狀態(tài)來調整網絡參數(shù)，以使各網絡的業(yè)務量達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。性能分析與仿真結果表明，該算法可以均衡各個網絡的業(yè)務量，減少競爭對于網絡的影響，使不同網絡運營商均獲得了一定收益。

異構無線網絡；聯(lián)合無線資源管理；業(yè)務量預測；種群競爭；GLV模型

0　引言

未來移動通信的發(fā)展趨勢不是建設一個嶄新的具有各種完備功能的網絡，而是不同無線網絡間的任意切換并且保持通信的連續(xù)性。不同無線接入技術在容量、覆蓋、數(shù)據(jù)速率和移動性支持等方面均存在一定差異性，單一的網絡不能同時滿足用戶的服務質量(QoS)，多層覆蓋的全IP異構網絡可以達到低時延、高帶寬和服務范圍廣等需求[1]。聯(lián)合無線資源管理(JRRM)是實現(xiàn)不同異構網絡協(xié)同工作的關鍵技術之一。

接納控制(JAC)是實現(xiàn)JRRM的重要功能，針對JAC的JRRM研究主要包括：① 基于自適應門限策略的JAC算法[2]，它根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境及負載狀況的動態(tài)變化而設置自適應門限值，網絡通過是否超過門限值來判定是否接納；② 基于業(yè)務策略的JAC算法[3]，其優(yōu)點是可以提高用戶的服務體驗，缺點是可能導致整個系統(tǒng)的負載分布不均衡；③ 基于分層策略的JAC算法[4]，分層設計能夠有效均衡各層之間的負載，為了減少切換次數(shù)和提高資源的利用率，為各層設計不同的接入控制策略成為解決JAC問題的關鍵；此外，還有基于交互策略的JAC算法、基于區(qū)域區(qū)分策略的JAC算法、基于多屬性策略的JAC算法和基于經濟學理論的JAC算法等。

上述算法在優(yōu)化系統(tǒng)吞吐量和阻塞率等方面取得了較好的性能，實現(xiàn)了異構無線網絡的接納控制，然而它們對于所屬不同運營商的無線接入網絡之間競爭關系的研究略顯不足。為解決有些算法可能實現(xiàn)了接納控制，但卻使得某1個或某些網絡沒有用戶接入而導致的運營商之間收益嚴重不均衡問題，本文引入經濟學、生物學領域中的相關模型對不同運營商之間的競爭行為進行建模。根據(jù)生態(tài)學中的種群競爭理論，提出基于GLV模型的分布式JRRM算法，以使不同網絡運營商均可獲得一定收益。

1　種群競爭的GLV模型

在生態(tài)學中，種群可以被定義為占有一定空間和一定時間的同一物種個體的集合體[5]。資源是實體，可以促進種群數(shù)量增長并且在增長過程中被消耗。不同種群之間的關系可能是多樣的。然而，競爭關系是普遍的，且有種群內部的資源利用的斗爭，競爭導致種群數(shù)量的變化。GLV模型是描述生態(tài)系統(tǒng)中n個物種相互競爭的一個非常簡單、有效的模型[6-7]，可由n個一階微分方程描述：

(1)

式中，Ni為種群i的數(shù)量；ri為種群i的增長率；αij為種群i和種群j間的競爭系數(shù)。

在實際的異構無線網絡環(huán)境中，并不希望存在某一個網絡中沒有業(yè)務量(業(yè)務量嚴重不均衡)的情況出現(xiàn)，即要求滿足dNi/dt≥0，i=1,2,…n。令Ki表示當前網絡環(huán)境下能夠承擔的種群i的數(shù)量，于是可得判斷異構網絡是否符合穩(wěn)定平衡條件的不等式為[8]：

(2)

當同時滿足n組不等式(2)時，該系統(tǒng)能夠達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，此時種群數(shù)量穩(wěn)定且種群能夠共存。

2　種群競爭與網絡資源管理間的映射

異構網絡中，不同的無線接入網絡(RAN)為同覆蓋的區(qū)域內的用戶提供通信服務。隨著用戶接入到某無線接入網絡的概率變化，則在各個無線接入網絡的業(yè)務量就會發(fā)生相應變化，這種變化的起因是用戶接入概率的改變，接入概率的改變使不同RAN中的業(yè)務具有了繁殖能力。由此，用戶可以映射為資源，不同無線網絡中的服務可以映射為不同種群，不同RAN的用戶吸引力可以映射為在共同覆蓋區(qū)域內的由于有限的用戶數(shù)量的種群競爭。用戶選擇一個RAN來滿足業(yè)務需求，可以看作是種群個體的出生。當服務開始，一個RAN占據(jù)用戶直到服務結束。該業(yè)務的結束相當于種群個體的死亡。

作為結果，可以應用不同種群的關系來反映在分布式JRRM中的不同RAN的關系。不同RAN在JRRM的控制下自由競爭，且分布式JRRM的目標是在沒有RAN荒廢的條件下為所有RAN獲得經營效益。因此，生態(tài)學的平穩(wěn)能夠映射為JRRM中的利益平衡。于是，可以將異構網絡中的業(yè)務量變化用生態(tài)學中的種群數(shù)量變化來預測。具體映射關系如表1所示[9]。

表1　映射關系

3　異構網絡的GLV模型資源管理

3.1資源管理競爭系數(shù)

在異構無線網絡中，競爭系數(shù)與不同網絡中的價格、帶寬、信號強度和時延等相關。競爭系數(shù)的變量包括：

① 價格：P∈[Pmin，Pmax]，其中Pmin為網絡提供的最小價格，Pmax為用戶能夠忍受的最大價格。

② 用戶帶寬：B∈[Bmin，Bmax]，其中Bmin為提供業(yè)務所需的最小帶寬，Bmax為網絡提供的最大帶寬。

③ 信號強度：SS∈[SSmin，SSmax]，表示某個網絡連接的信號強度。其中SSmin為用戶所需的最小信號強度，SSmax為網絡提供的最大信號強度。

④ 時延：T∈[Tmin，Tmax]，其中Tmin網絡提供的最小時延，T為用戶能夠忍受的最大時延。

競爭系數(shù)可被定義為：

(3)

式中，

β=kPPmax/Pmin+kBBmax/Bmin+kSSSSmax/SSmin+kTTmax/Tmin。

(4)

式中，β為競爭系數(shù)αij標準化到[0,1]的值，它表示在異構無線網絡中價格、網絡支持帶寬、信號強度和時延的可能最大不同；kP、kB、kSS和kT分別為競爭系數(shù)變量的權重。

3.2基于GLV模型的網絡參數(shù)調整算法

如果各個網絡能夠達到均衡狀態(tài)，則不需要進行參數(shù)調整。當環(huán)境負載改變時，可能導致網絡參數(shù)不滿足式(2)，于是觸發(fā)了網絡參數(shù)的調整。在調整被觸發(fā)之后，通過對環(huán)境負載的監(jiān)控來確定調整方向。調整過程中應遵循以下原則[10]：αij應該降低到能夠滿足式(2)；一個網絡的調整不應該打破另一個網絡的平衡狀態(tài)。

基于以上原則，調整算法分為如下步驟：

① 確定網絡i的調整方向，比如減低價格、增加帶寬、增大信號強度或是減小時延。

② 對于當前已知的量(Pi、Bi、SSi、Ti)，可以通過調整其中一個的大小來達到目的。例如，對于網絡i來說調整價格使網絡達到穩(wěn)定平衡，則可以根據(jù)式(2)和式(3)計算得出：

(5)

式中，

(6)

③ 當且僅當Pmax_i>Pmin_i，Pmax_i>Pmin，Pmin_iBmax，進行到步驟⑤；若Bi

④ 在P∈[Pmin_i，Pmax_i]中隨機選擇一個價格值作為價格的調整結果。調整過程以Bi、Pi和SSi、Ti當前值結束。

⑤Bi超出了網絡i所支持的帶寬，無法調整使其滿足式(2)。則增加SSi。若SSi>SSmax，進行到步驟⑥；若SSi

⑥SSi超出了最大范圍，無法調整使其滿足不等式(2)。則增加Ti。若Ti>Tmax，進行到步驟⑦；若Ti

⑦Ti超出了最大范圍，無法調整使其滿足不等式(2)。因此，將錯誤情況報告給上層管理模塊說明在此情況下沒有合適的調整值。

令每個用戶在網絡i中平均產生的業(yè)務量為1，通過對GLV競爭模型的分析，在種群競爭的過程中，當種群達到平衡穩(wěn)定的狀態(tài)時，dNi/dt=0，i=1,2,…n。則網絡i的業(yè)務量為：

(7)

4　仿真分析

本文以3個網絡為例進行仿真。仿真場景如圖1所示。仿真環(huán)境由2個WLAN接入點(AP)和1個UMTS基站(BTS)組成，其中，UMTS覆蓋整個區(qū)域，包括WLAN-1和WLAN-2覆蓋區(qū)域。WLAN-1和WLAN-2分別采用802.11a和802.11g標準。802.11a/g兩個標準均支持54 Mbps速率。UMTS包括各種版本，仿真中以R8(LTE)版本為例，其數(shù)據(jù)速率為100 Mbps。

圖1　異構無線網絡仿真場景

在仿真過程中，所有的用戶均可同時接入多個網絡，網絡參數(shù)如表2所示。

表2　調整前各個網絡的參數(shù)

異構網絡環(huán)境下的用戶參數(shù)設定如下：用戶業(yè)務所需最小的帶寬Bmin為1 Mbps，用戶能夠承受的最大價格Pmax為15，用戶所能忍受的最大時延Tmax為150 ms，SSmin為-110 dBm，SSmax為-50 dBm。同時令價格、帶寬、信號強度和時延同等重要，即kP=kB=kSS=kT=0.25，K1=100；K2=54；K3=54。

網絡在調整之前的業(yè)務量變化如圖2所示?？梢钥闯觯诰W絡進行調整之前，3個網絡不能達到穩(wěn)定平衡的狀態(tài)，網絡2的業(yè)務量被抑制。為了使3個網絡達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，需要根據(jù)調整算法對網絡2的價格進行調整。圖3和圖4分別給出了過度調整之后和適當調整后的網絡業(yè)務量變化趨勢。在圖3中，當調整網絡2的價格到0.01時，由于調整值不滿足保持穩(wěn)定平衡的不等式，即網絡2的價格調整超出范圍，導致網絡3的業(yè)務量逐漸下降，無法保持各網絡的穩(wěn)定平衡，不利于網絡共存。在圖4中，當調整網絡2的價格到2時，各網絡中的業(yè)務量均可達到穩(wěn)定平衡，3個網絡實現(xiàn)了共存，不同網絡的運營商均能獲得收益。

圖2　調整之前的網絡業(yè)務量

圖3　過度調整后的網絡業(yè)務量

圖4　適當調整后的網絡業(yè)務量

5　結束語

本文將種群競爭GLV模型有效地用于異構無線網絡資源管理中，較好地解決了異構網絡的業(yè)務量不均衡問題。下一步工作將研究不同調整方向，比如減低價格、增加帶寬、增大信號強度或是減小時延與各網絡達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)的性能差異性，以較小通信代價實現(xiàn)更為有效的異構網絡無線資源管理。

[1]李軍.異構無線網絡融合理論與技術實現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[2]GAO K,OZDEMIR O,PADOS D A， et al.Joint Admission Control and Resource Allocation in Cognitive Code-division Networks[C]∥International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC),Cesme Turkey,2012:149-153.

[3]溫小軍.LTE系統(tǒng)中接納控制的研究[D].北京:北京郵電大學,2010.

[4]LIAN R R,TIAN H,FEI W C,et al.QoS-aware Load Balancing Algorithm for Joint Group Call Admission Control in Heterogeneous Networks[C]∥IEEE 75th Vehicular Technology Conference (VTC Spring),Yokohama,2012:1-5.

[5]HOSSAIN M F,MUNASINGHE K S,JAMALIPOUR A.Ecological Competition Based Resource Control for Sustainable Heterogeneous Wireless Networks[C]∥IEEE 22nd International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC),Toronto:Canada,2011:1 361-1 365.

[6]LI D,CROSS M C,ZHENG Z G.Effect of Spatial Patterns on Population Size[J].Physica A:Statistical Mechanics and its Applications,2012,391(23):6 016- 6 023.

[7]REHM A M,SCRIBNER E Y,FATHALLAH-SHAYKH H M.Proper Orthogonal Decomposition for Parameter Estimation in Oscillating Biological Networks[J].Journal of Computational and Applied Mathematics,2011,258(3):135-150.

[8]李必文,余盛利.Lotka-Volterra型N-種群自治競爭系統(tǒng)的一些新結果[J].應用數(shù)學學報,2004,27(3):556-564.

[9]張平,馮志勇.認知無線網絡[M].北京:科學出版社,2010.

[10]GUANG Y,JIE C,KAI Y,et al.Joint Radio Resource Management based on the Species Competition Model[C]∥IEEE Wireless Communications & Networking Conference (WCNC),Las Vegas:American,2006(1):52-57.

謝健驪男，(1972—)，博士，副教授。主要研究方向：無線通信網絡、認知無線電。

李翠然女，(1975—)，博士，教授。主要研究方向：無線通信網絡、軌道交通通信。

GLV-based Joint Radio Resource Management in Heterogeneous Wireless Network

XIE Jian-li,LI Cui-ran,LIAN Xiao-ping

(SchoolofElectronics&InformationEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,LanzhouGansu730070,China)

To make the different radio access networks work together and achieve the admission control in heterogeneous wireless network,based on the mapping relationship of ecological competition and heterogeneous radio resources management,this paper proposes a distributed joint radio resource management (JRRM) algorithm.It establishes a GLV-based heterogeneous network traffic prediction model.Moreover,it adjusts the network parameters according to whether the predicted traffic achieves coexistence state or not,to achieve the traffic stable equilibrium state.Performance analysis and simulation results show that the algorithm can balance the network traffic,reduce the networks competition effect,and make the profits for different operators.

heterogeneous wireless networks;joint radio resource management;traffic prediction；ecological competition;GLV model

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.01

2016-05-09

國家自然科學基金資助項目(61261014)；甘肅省自然科學基金資助項目(148RJZA037)。

TN92

A

1003-3106(2016)08-0001-04

引用格式：謝健驪，李翠然，廉小萍.基于GLV模型的異構網絡聯(lián)合無線資源管理[J].無線電工程,2016,46(8):1-4.