張 羚, 郭 英, 林志國, 虞興隆

(1.空軍工程大學 信息與導航學院,陜西 西安 710077; 2.中國人民解放軍94826部隊，上海 200433； 3.空軍工程大學 裝備管理與安全工程學院,陜西 西安 710051)

WLAN中基于帶寬降級策略的聯合呼叫接納控制算法

張 羚1,2, 郭 英1, 林志國3, 虞興隆2

(1.空軍工程大學 信息與導航學院,陜西 西安 710077; 2.中國人民解放軍94826部隊，上海 200433； 3.空軍工程大學 裝備管理與安全工程學院,陜西 西安 710051)

由于無線局域網(wireless local area network,WLAN)接入用戶日漸增多、無線帶寬資源日益稀缺,IEEE 802.11 介質訪問控制(media access control,MAC)層協議已經無法保證無線局域網中接入用戶的服務質量(quality of service,QoS)。為了能在網絡過載或者負載較重的情況下保證用戶的QoS性能,呼叫接納控制(call admission control,CAC)的引入是非常必要的。文章提出了一種聯合權重系數和帶寬降級策略的CAC算法。通過對策略前后不同類型業(yè)務性能仿真,驗證了該算法對提高QoS性能的有效性。

呼叫接納控制(CAC);帶寬降級策略;無線局域網(WLAN);權重系數;效用

呼叫接納控制(call admission control,CAC)作為無線資源管理的一種方式,已經成為IEEE802.11 DCF協議[1]以及IEEE 802.11 Task Group E提出的EDCF協議[2]的有力補充。3GPP 組織協議 TS 36.300認為呼叫接納控制是一種對新的無線資源請求進行判決以決定是否接納的控制方式[3]。目前,已有的CAC策略主要考慮對無線帶寬資源進行管理,判斷目前無線網絡剩余帶寬資源是否滿足該業(yè)務的接入需求量[4],且根據不同類型業(yè)務,帶寬管理策略[5]主要可以分為完全共享、部分共享、完全區(qū)分。這類CAC策略滿足了業(yè)務類型對帶寬需求的不一致性,在一定程度上提高了業(yè)務的呼叫接受率,但是在網絡負載較重的情況下,就無法發(fā)揮其對服務質量(quality of service,QoS)的貢獻。因此本文提出一種聯合權重系數和帶寬降級策略的CAC算法,在網絡資源過載情況下,對已接入呼叫中權重系數最小的進行帶寬降級,根據切換呼叫(HC)和新到達呼叫(NC)優(yōu)先級不同,分別釋放特定的帶寬資源。并通過對降級前后呼叫拒絕率的仿真,驗證該算法對提高QoS性能的有效性。

1 基于效用的用戶業(yè)務模型

在用戶業(yè)務效用模型建立基礎之上,定義業(yè)務權重系數。首先,明確效用在通信領域的含義,即用戶在通信過程中,對系統所分配帶寬總數的滿意程度[6]。然后,根據不同的業(yè)務類型,建立基于效用的用戶業(yè)務模型。借鑒文獻[6-7],將用戶業(yè)務類型分為3個等級,并分析建立如下模型。

(1) 實時恒定速率業(yè)務,具體模型如下:

(1)

該類業(yè)務具有固定的數據率和較高的實時性要求。因此只要系統能滿足其對實時性的要求,并能提供的帶寬不低于最小值,用戶就會對此次業(yè)務感到滿意。其主要代表業(yè)務是語音。

(2) 實時可變速率業(yè)務,具體模型如下:

該類業(yè)務具有可變的數據率和實時性較高的特點,主要代表業(yè)務有視頻。此類業(yè)務對錯誤概率要求不是很高。由人的視覺感受可知當帶寬高于期望帶寬時,視覺感受沒有任何遲滯感,用戶滿意度較高。若所分配的帶寬低于最低要求時,視頻畫面會出現卡頓感,甚至會出現停滯于某一幀畫面的情形,此時用戶對分配帶寬的滿意度為0。當帶寬在兩者之間時,越是接近期望帶寬,再增加帶寬所帶來的滿意度增加量就越小,因此,該范圍的內帶寬與效用之間是一個凹函數。

(3) 非實時業(yè)務,具體模型如下:

(3)

該類業(yè)務對時延沒有要求,用戶對它的滿意度隨帶寬呈線性增大,直到達到期望帶寬時,滿意度就恒定不變了。代表業(yè)務有短消息、郵件等。

為便于定量描述業(yè)務特性,文獻[8]引入了業(yè)務凈效用,定義為業(yè)務的效用函數與該業(yè)務分配帶寬的乘積,即

(4)

設業(yè)務呼叫i在整個通信過程中在小區(qū)內駐留的時間,則該業(yè)務服務價值為:

(5)

進一步可以推出權重系數表達式為:

(6)

其中,Cj為已接入呼叫;d為業(yè)務因子;n為完成一次完整通信過程,在CAC模塊中被帶寬降級的次數。將實時固定速率業(yè)務表示為RTCR,實時可變速率業(yè)務表示為RTVR,非實時業(yè)務表示為NRT。其中業(yè)務因子[9]dRTCR=8，dRTVR=2，dNRT=1。

2 基于帶寬降級的聯合接納控制算法

2.1 帶寬管理策略

首先對所有已接入呼叫的權重因子進行排序,選擇因子數最低的已接入呼叫Cj進行帶寬降級,所釋放出的帶寬資源大于請求呼叫所需的最小帶寬時,接受該呼叫;相反,則選擇權重系數次低的呼叫進行帶寬降級,以此類推，直到小區(qū)內所有該類業(yè)務的Cj達到降級的最大限度。

當呼叫請求是NC時,若Cj的帶寬已降低到最小帶寬級別,則該呼叫請求就會被拒絕;當呼叫請求是HC時,若Cj的帶寬已降低到期望帶寬級別,則請求呼叫會被拒絕。

由于通信中HC掉話率的代價顯然高于NC的阻塞率,因此設定HC優(yōu)先級高于NC,兩者對已接入呼叫Cj的降級量分別為:

(7)

(8)

其中,Breq,Cj為分配給呼叫Cj的帶寬;Bmin,Cj為Cj最小帶寬等級;Breq,Cj為Cj期望帶寬等級;α、β為降級因子。

2.2 算法步驟

本文算法的具體步驟如下。

(1) 獲取呼叫請求的一些QoS基本參數為：

其中,Breq,j為呼叫i的期望帶寬值;Bmin,j為呼叫i的帶寬最小值;Dmin,j為呼叫i的最大可容忍時延;Pi為呼叫類型(新到達呼叫或切換呼叫);Ki為呼叫i的業(yè)務類型。

(2) 在確定呼叫類型Pi的基礎上,確定呼叫i的業(yè)務類型Ki。

(3) 判斷現有資源是否能滿足呼叫。若滿足則接受呼叫請求;若不滿足且該業(yè)務請求時延已經超過最大可容忍時延Dmin,j,則拒絕呼叫請求。

(4) 若時延未超過最大可容忍時延Dmin,j,則使用帶寬降級策略。

(5) 若不滿足帶寬管理策略,但還未超時,則進入下一CAC周期進行重復上述步驟,若已超時,則拒絕該呼叫請求。

各業(yè)務類型呼叫是否滿足接入要求,主要是對業(yè)務帶寬和時延兩項性能指標進行判定,因此判斷是否接受呼叫請求的具體公式如下:

(1) 網絡資源未過載的情況下,Dr,i

(2) 網絡資源已過載的情況下,Dr,i

(3) 切換呼叫,Dr,i

(4) 新到達呼叫,Dr,i

算法基本流程圖如圖1所示。

圖1 算法基本流程圖

3 仿真分析

3.1 仿真參數設定

以3GPP LTE為仿真背景,帶寬為20 MHz;IEEE 802.11n WLAN數據率為100 Mb/s。呼叫請求達到率服從泊松分布,持續(xù)時間服從負指數分布,仿真時間為1 800 s。仿真所需的業(yè)務參數設置見表1所列。其中,Bmin為最小等效帶寬；Breq為期望等效帶寬；Dmax為最大可容忍時延。

表1 業(yè)務參數設置

3.2 仿真結果分析

為了驗證基于帶寬降級策略的聯合呼叫接納算法的有效性,分別仿真帶寬降級策略前后的業(yè)務拒絕率,并對其進行分析比較。呼叫請求拒絕率分別為HC掉話率和NC阻塞率,將其作為QoS性能標準,表達式如下:

(9)

(10)

對非實時、實時固定速率、實時可變速率呼叫請求處理的仿真結果如圖2～圖4所示。

圖2 非實時業(yè)務的呼叫請求拒絕率

在未采取降級策略前,NC請求的阻塞率和HC請求的掉話率一致,符合流程圖設計。在采取降級策略以后,各類業(yè)務的HC阻塞率明顯低于NC掉話率,該結果符合優(yōu)先級順序;實時可變業(yè)務帶寬需求最高,占用無線網絡資源最多,因此它的拒絕率也高于其他兩類業(yè)務;在沒有采取帶寬降級策略之前,呼叫請求達到4個/s左右時,網絡就會進入負載狀態(tài),業(yè)務呼叫請求率急劇降低,在采用降級策略之后,各類業(yè)務的呼叫請求拒絕率下降了70%左右。本文采用的CAC算法提高了網絡過載情況下的QoS性能,驗證了算法的有效性。

圖3 實時固定速率的呼叫請求拒絕率

圖4 實時可變速率的呼叫請求拒絕率

4 結 論

基于帶寬降級策略的聯合呼叫接納控制算法有效地解決了網絡負載較重情況下的QoS性能較差的問題。采取帶寬策略(帶寬降級策略)有效提高了無線資源的利用率,優(yōu)化了多類業(yè)務呼叫同時接入無線局域網的控制算法,具有較高的借鑒意義。

[1] IEEE Standards Association.Wireless LAN mediumaccess control (MAC)and physical layer (PHY)specifications：IEEE 802.11 WG[S].New York:IEEE Computer Society,2007.

[2] IEEE Standards Association.IEEE standard for wireless LAN mediumaccess control (MAC)and physical layer (PHY)specifications:IEEE 802.11 WG[S].New York:IEEE Computer Society,2005.

[3] 熊歡.LTE-Advanced基于資源利用率的接納控制跨層設計[J].現代電子技術,2012(9):52-56.

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(責任編輯 閆杏麗)

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CNKI推出《中國高被引圖書年報》

日前，中國知網(CNKI)中國科學文獻計量評價研究中心推出了一套《中國高被引圖書年報》，該報告基于中國大陸建國以來出版的422萬余本圖書被近3年國內期刊、博碩、會議論文的引用頻次，分學科、分時段遴選高被引優(yōu)秀學術圖書予以發(fā)布。據研制方介紹，他們統計并分析了2013-2015年中國學術期刊813萬余篇、中國博碩士學位論文101萬余篇、中國重要會議論文39萬余篇，累計引文達1 451萬條。根據統計數據，422萬本圖書至少被引1次的圖書達72萬本。研制方根據中國圖書館分類法，將72萬本圖書劃分為105個學科，分1949-2009年和2010-2014年2個時間段，分別遴選被引最高的TOP 10%圖書，共計選出70 911本優(yōu)秀圖書收入《中國高被引圖書年報》。統計數據顯示，這7萬本高被引優(yōu)秀圖書雖然只占全部圖書的1.68%，卻獲得67.4%的總被引頻次，可見這些圖書質量上乘，在同類圖書中發(fā)揮了更加重要的作用。該報告還首次發(fā)布各學科“學科h指數”排名前20的出版單位的評價指標，對客觀評價出版社的社會效益——特別是學術出版物的社會效益具有重要的參考價值。

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Combined call admission control algorithm based on bandwidth level degradation strategy in WLAN

ZHANG Ling1,2, GUO Ying1, LIN Zhiguo3， YU Xinglong2

(1.College of Information and Navigation, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China； 2.Unit 94826 of PLA, Shanghai 200433, China; 3.College of Equipment Management and Safety Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

IEEE 802.11 media access control(MAC) protocols are unable to provide quality of service(QoS) to subscribers who have access to wireless local area network(WLAN) any more due to the fact that the numbers of subscribers are larger and larger with increasingly scarce wireless bandwidth resources. It is necessary to introduce the measure of call admission control(CAC) in order to guarantee QoS performance of subscribers under the circumstances that the network is overloaded or heavily loaded. A novel CAC algorithm which integrates weight coefficient with bandwidth level degradation strategy is proposed. The validity of the algorithm to QoS guarantee is verified by simulating the performance of different types of service before and after the strategy.

call admission control(CAC); bandwidth level degradation strategy; wireless local area network(WLAN); weight coefficient; utility

2015-11-25；

2016-04-22

國家自然科學基金資助項目(61172148);航空科學基金資助項目(20112096016)和陜西省自然科學基金資助項目(2010JQ8003)

張 羚(1991-),女,上海市人,空軍工程大學碩士生,中國人民解放軍94826部隊助理工程師; 郭 英(1961-),女,山西臨汾人,博士，空軍工程大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.008

TN919.21

A

1003-5060(2017)08-1048-05