張 羚, 郭 英, 林志國, 虞興隆

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

WLAN中基于帶寬降級策略的聯(lián)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(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院,陜西 西安 710077; 2.中國人民解放軍94826部隊(duì)，上海 200433； 3.空軍工程大學(xué) 裝備管理與安全工程學(xué)院,陜西 西安 710051)

由于無線局域網(wǎng)(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(zhì)訪問控制(media access control,MAC)層協(xié)議已經(jīng)無法保證無線局域網(wǎng)中接入用戶的服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)。為了能在網(wǎng)絡(luò)過載或者負(fù)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(lián)合權(quán)重系數(shù)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(wù)性能仿真,驗(yàn)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(wǎng)(WLAN);權(quán)重系數(shù);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(jīng)成為IEEE802.11 DCF協(xié)議[1]以及IEEE 802.11 Task Group E提出的EDCF協(xié)議[2]的有力補(bǔ)充。3GPP 組織協(xié)議 TS 36.300認(rèn)為呼叫接納控制是一種對新的無線資源請求進(jìn)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(jìn)行管理,判斷目前無線網(wǎng)絡(luò)剩余帶寬資源是否滿足該業(yè)務(wù)的接入需求量[4],且根據(jù)不同類型業(yè)務(wù),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(wù)類型對帶寬需求的不一致性,在一定程度上提高了業(yè)務(wù)的呼叫接受率,但是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的情況下,就無法發(fā)揮其對服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)的貢獻(xiàn)。因此本文提出一種聯(lián)合權(quán)重系數(shù)和帶寬降級策略的CAC算法,在網(wǎng)絡(luò)資源過載情況下,對已接入呼叫中權(quán)重系數(shù)最小的進(jìn)行帶寬降級,根據(jù)切換呼叫(HC)和新到達(dá)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(yàn)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(wù)模型

在用戶業(yè)務(wù)效用模型建立基礎(chǔ)之上,定義業(yè)務(wù)權(quán)重系數(shù)。首先,明確效用在通信領(lǐng)域的含義,即用戶在通信過程中,對系統(tǒng)所分配帶寬總數(shù)的滿意程度[6]。然后,根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型,建立基于效用的用戶業(yè)務(wù)模型。借鑒文獻(xiàn)[6-7],將用戶業(yè)務(wù)類型分為3個(gè)等級,并分析建立如下模型。

(1) 實(shí)時(shí)恒定速率業(yè)務(wù),具體模型如下:

(1)

該類業(yè)務(wù)具有固定的數(shù)據(jù)率和較高的實(shí)時(shí)性要求。因此只要系統(tǒng)能滿足其對實(shí)時(shí)性的要求,并能提供的帶寬不低于最小值,用戶就會(huì)對此次業(yè)務(wù)感到滿意。其主要代表業(yè)務(wù)是語音。

(2) 實(shí)時(shí)可變速率業(yè)務(wù),具體模型如下:

該類業(yè)務(wù)具有可變的數(shù)據(jù)率和實(shí)時(shí)性較高的特點(diǎn),主要代表業(yè)務(wù)有視頻。此類業(yè)務(wù)對錯(cuò)誤概率要求不是很高。由人的視覺感受可知當(dāng)帶寬高于期望帶寬時(shí),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(shí),視頻畫面會(huì)出現(xiàn)卡頓感,甚至?xí)霈F(xiàn)停滯于某一幀畫面的情形,此時(shí)用戶對分配帶寬的滿意度為0。當(dāng)帶寬在兩者之間時(shí),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(nèi)帶寬與效用之間是一個(gè)凹函數(shù)。

(3) 非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),具體模型如下:

(3)

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

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

(4)

設(shè)業(yè)務(wù)呼叫i在整個(gè)通信過程中在小區(qū)內(nèi)駐留的時(shí)間,則該業(yè)務(wù)服務(wù)價(jià)值為:

(5)

進(jìn)一步可以推出權(quán)重系數(shù)表達(dá)式為:

(6)

其中,Cj為已接入呼叫;d為業(yè)務(wù)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(shù)。將實(shí)時(shí)固定速率業(yè)務(wù)表示為RTCR,實(shí)時(shí)可變速率業(yè)務(wù)表示為RTVR,非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)表示為NRT。其中業(yè)務(wù)因子[9]dRTCR=8，dRTVR=2，dNRT=1。

2 基于帶寬降級的聯(lián)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(quán)重因子進(jìn)行排序,選擇因子數(shù)最低的已接入呼叫Cj進(jìn)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(shí),接受該呼叫;相反,則選擇權(quán)重系數(shù)次低的呼叫進(jìn)行帶寬降級,以此類推，直到小區(qū)內(nèi)所有該類業(yè)務(wù)的Cj達(dá)到降級的最大限度。

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

由于通信中HC掉話率的代價(jià)顯然高于NC的阻塞率,因此設(shè)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(shù)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(shí)延;Pi為呼叫類型(新到達(dá)呼叫或切換呼叫);Ki為呼叫i的業(yè)務(wù)類型。

(2) 在確定呼叫類型Pi的基礎(chǔ)上,確定呼叫i的業(yè)務(wù)類型Ki。

(3) 判斷現(xiàn)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(wù)請求時(shí)延已經(jīng)超過最大可容忍時(shí)延Dmin,j,則拒絕呼叫請求。

(4) 若時(shí)延未超過最大可容忍時(shí)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(shí),則進(jìn)入下一CAC周期進(jìn)行重復(fù)上述步驟,若已超時(shí),則拒絕該呼叫請求。

各業(yè)務(wù)類型呼叫是否滿足接入要求,主要是對業(yè)務(wù)帶寬和時(shí)延兩項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行判定,因此判斷是否接受呼叫請求的具體公式如下:

(1) 網(wǎng)絡(luò)資源未過載的情況下,Dr,i

(2) 網(wǎng)絡(luò)資源已過載的情況下,Dr,i

(3) 切換呼叫,Dr,i

(4) 新到達(dá)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(shù)設(shè)定

以3GPP LTE為仿真背景,帶寬為20 MHz;IEEE 802.11n WLAN數(shù)據(jù)率為100 Mb/s。呼叫請求達(dá)到率服從泊松分布,持續(xù)時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布,仿真時(shí)間為1 800 s。仿真所需的業(yè)務(wù)參數(shù)設(shè)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(shí)延。

表1 業(yè)務(wù)參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證基于帶寬降級策略的聯(lián)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(wù)拒絕率,并對其進(jìn)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(biāo)準(zhǔn),表達(dá)式如下:

(9)

(10)

對非實(shí)時(shí)、實(shí)時(shí)固定速率、實(shí)時(shí)可變速率呼叫請求處理的仿真結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)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(shè)計(jì)。在采取降級策略以后,各類業(yè)務(wù)的HC阻塞率明顯低于NC掉話率,該結(jié)果符合優(yōu)先級順序;實(shí)時(shí)可變業(yè)務(wù)帶寬需求最高,占用無線網(wǎng)絡(luò)資源最多,因此它的拒絕率也高于其他兩類業(yè)務(wù);在沒有采取帶寬降級策略之前,呼叫請求達(dá)到4個(gè)/s左右時(shí),網(wǎng)絡(luò)就會(huì)進(jìn)入負(fù)載狀態(tài),業(yè)務(wù)呼叫請求率急劇降低,在采用降級策略之后,各類業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)過載情況下的QoS性能,驗(yàn)證了算法的有效性。

圖3 實(shí)時(shí)固定速率的呼叫請求拒絕率

圖4 實(shí)時(shí)可變速率的呼叫請求拒絕率

4 結(jié) 論

基于帶寬降級策略的聯(lián)合呼叫接納控制算法有效地解決了網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(wù)呼叫同時(shí)接入無線局域網(wǎng)的控制算法,具有較高的借鑒意義。

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(責(zé)任編輯 閆杏麗)

·信息動(dòng)態(tài)·

CNKI推出《中國高被引圖書年報(bào)》

日前，中國知網(wǎng)(CNKI)中國科學(xué)文獻(xiàn)計(jì)量評價(jià)研究中心推出了一套《中國高被引圖書年報(bào)》，該報(bào)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(nèi)期刊、博碩、會(huì)議論文的引用頻次，分學(xué)科、分時(shí)段遴選高被引優(yōu)秀學(xué)術(shù)圖書予以發(fā)布。據(jù)研制方介紹，他們統(tǒng)計(jì)并分析了2013-2015年中國學(xué)術(shù)期刊813萬余篇、中國博碩士學(xué)位論文101萬余篇、中國重要會(huì)議論文39萬余篇，累計(jì)引文達(dá)1 451萬條。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，422萬本圖書至少被引1次的圖書達(dá)72萬本。研制方根據(jù)中國圖書館分類法，將72萬本圖書劃分為105個(gè)學(xué)科，分1949-2009年和2010-2014年2個(gè)時(shí)間段，分別遴選被引最高的TOP 10%圖書，共計(jì)選出70 911本優(yōu)秀圖書收入《中國高被引圖書年報(bào)》。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(zhì)量上乘，在同類圖書中發(fā)揮了更加重要的作用。該報(bào)告還首次發(fā)布各學(xué)科“學(xué)科h指數(shù)”排名前20的出版單位的評價(jià)指標(biāo)，對客觀評價(jià)出版社的社會(huì)效益——特別是學(xué)術(shù)出版物的社會(huì)效益具有重要的參考價(jià)值。

該報(bào)告從圖書被引用的角度出發(fā)，評價(jià)圖書的學(xué)術(shù)影響力，彌補(bǔ)了以銷量和借閱等指標(biāo)無法準(zhǔn)確評價(jià)學(xué)術(shù)圖書的缺憾，科學(xué)、客觀地評價(jià)了圖書、圖書作者以及出版單位對各學(xué)科發(fā)展的貢獻(xiàn)。

《中國高被引圖書年報(bào)》把建國以來出版圖書全部納入評價(jià)范圍屬國內(nèi)首創(chuàng)，是全面、客觀評價(jià)圖書學(xué)術(shù)影響力的工具，填補(bǔ)了目前圖書學(xué)術(shù)水平定量評價(jià)的空白，在幫助圖書館建設(shè)特色館藏和提高服務(wù)水平、幫助出版管理部門了解我國學(xué)術(shù)出版物現(xiàn)狀、幫助科研機(jī)構(gòu)科研管理、幫助讀者購買和閱讀圖書等方面，均具有較強(qiáng)的參考價(jià)值，也為出版社評估出版業(yè)績、決策再版圖書、策劃學(xué)科選題提供有用的信息。

《中國高被引圖書年報(bào)》由《中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》電子雜志社有限公司出版。該產(chǎn)品的形式為光盤電子出版物，分為理學(xué)、工學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、人文科學(xué)和社會(huì)科學(xué)6個(gè)分卷，隨盤贈(zèng)送圖書，歡迎您咨詢、訂購。咨詢電話：010-82710850 82895056轉(zhuǎn)8599，email：aspt@cnki.net

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(xué)基金資助項(xiàng)目(61172148);航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20112096016)和陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2010JQ8003)

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

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.008

TN919.21

A

1003-5060(2017)08-1048-05