異構(gòu)無線系統(tǒng)中一種改進的呼叫準入方案

王 偉,景志宏,陳 鵬

（空軍工程大學電訊工程學院,西安 710077）

異構(gòu)無線系統(tǒng)中一種改進的呼叫準入方案

王 偉,景志宏,陳 鵬

（空軍工程大學電訊工程學院,西安 710077）

針對異構(gòu)無線系統(tǒng)中上、下行業(yè)務(wù)需求不平衡引起的擁塞現(xiàn)象,提出了一種改進的呼叫準入方案。首先給出接入傾向度的概念,在接入時考慮用戶的實際接入需求,并進一步提出了基于接入傾向度的呼叫準入改進方案,最后利用無差別曲線的方法確定接入傾向度的選擇。仿真結(jié)果表明,改進后的方案在系統(tǒng)性能與用戶公平性之間做到了較好折衷,具有較大的實用價值。

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò);資源管理;接入傾向度;呼叫準入控制

1 引 言

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特別是多媒體業(yè)務(wù)逐漸成為無線網(wǎng)絡(luò)的主要承載對象,未來異構(gòu)無線系統(tǒng)不僅可以提供語音業(yè)務(wù),而且可以提供數(shù)據(jù)、視頻等多種業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)不像傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù),它們都存在上、下行的帶寬需求不平衡現(xiàn)象[1]。由于業(yè)務(wù)的帶寬需求不平衡,造成通信系統(tǒng)的上、下行負載不均衡。當新業(yè)務(wù)進入時,只要異構(gòu)無線系統(tǒng)上、下行中有一個方向鏈路負載很高,就可能造成阻塞。而系統(tǒng)另一方向鏈路負載如果很低,就會造成帶寬很大的浪費。為避免這種擁塞現(xiàn)象造成的資源浪費,必須在新業(yè)務(wù)到達時,從整體系統(tǒng)的上、下行負載的角度進行呼叫準入。

目前,已經(jīng)有一些文獻對此問題進行了闡述:文獻[2]提出了基于Inter-link Load Balance（ILLB）的呼叫準入方案;文獻[3]提出了一種業(yè)務(wù)區(qū)分的呼叫準入算法,并根據(jù)各種業(yè)務(wù)分配不同的優(yōu)先級,同時動態(tài)分配帶寬;文獻[4]采用多維序列數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),預測移動用戶精確位置,進行資源預留,從而進行呼叫準入;文獻[5]提出分布式呼叫準入算法,采用可變邊界策略,對于不同業(yè)務(wù)分配不同帶寬;文獻[6]運用聯(lián)合呼叫準入,在維持QoS限制的條件下,最大化網(wǎng)絡(luò)總收益。

雖然文獻[2]指出在異構(gòu)無線系統(tǒng)上、下行鏈路進行呼叫準入的必要性,并提出了方案。但在呼叫準入算法設(shè)計上,沒有考慮用戶的實際接入需求,而是把負載作為網(wǎng)絡(luò)接入的唯一標準。鏈路的使用者即用戶的實際接入需求沒有得到考慮,喪失了公平。

本文針對此問題提出了一種改進的呼叫準入方案:在用戶請求的業(yè)務(wù)接入時,同時考慮系統(tǒng)的性能和用戶的實際接入情況。與文獻[2]的明顯區(qū)別在于,在該方案中采用接入傾向度,來使用戶實際接入網(wǎng)絡(luò)需求與接入網(wǎng)絡(luò)情況接近一致,以求避免文獻[2]的上述不足。

2 基于接入傾向度的呼叫準入改進方案

2.1 接入傾向度

本方案提出了接入傾向度的概念,即用戶傾向接入何種網(wǎng)絡(luò)的程度。以3G/HSPA和WiMAX為例,假設(shè)α為接入3G/HSPA的傾向度,則1-α就是接入W iMAX的傾向度,傾向度越小,越傾向于接入網(wǎng)絡(luò);傾向度越大,則越傾向于接入另一種網(wǎng)絡(luò)。如α=0.1,接入 3G/HSPA的傾向度為 0.1,對于WiMAX的接入傾向度為 0.9,則傾向于接入3G/HSPA。α=0.5時接入兩種網(wǎng)絡(luò)傾向相同。

借鑒文獻[7]中的垂直切換決定函數(shù),確定影響接入傾向度的因素有:

（1）接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費用（C）:不同網(wǎng)絡(luò)具有不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費用,用戶會傾向于選擇接入費用小的網(wǎng)絡(luò)進行接入;

（2）網(wǎng)絡(luò)安全性（S）:當數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)時,安全性好的網(wǎng)絡(luò)更受歡迎;

（3）網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（D）:對于不同的網(wǎng)絡(luò),帶寬不同,傳輸速度也不同。帶寬大、傳輸速度快的網(wǎng)絡(luò),在實際的網(wǎng)絡(luò)接入中,用戶更傾向接入;

（4）網(wǎng)絡(luò)特性（F）:不同的網(wǎng)絡(luò)具有不同的網(wǎng)絡(luò)特性,所受干擾不同,通話質(zhì)量就不相同。在不同時刻,用戶會要求不同的通話質(zhì)量。

我們設(shè)定用戶更傾向接入傾向度小的網(wǎng)絡(luò),所以給出網(wǎng)絡(luò)i的接入傾向度αi的函數(shù)形式為

2.2 基于接入傾向度的呼叫準入改進方案

2.2.1 基于鏈路間負載均衡的呼叫準入算法

本方案的目標是充分考慮用戶的實際需求,并保證系統(tǒng)性能和用戶接入公平性的良好折衷。我們首先考慮文獻[2]中的基于鏈路間負載均衡的呼叫準入算法。算法描述如下:

算法采用負載預測的方式,當新業(yè)務(wù)到達時,假設(shè)該業(yè)務(wù)接入異構(gòu)系統(tǒng)的其中一種網(wǎng)絡(luò),預測會出現(xiàn)的上下行負載情況,并計算整體系統(tǒng)負載不平衡距離,再計算另一種網(wǎng)絡(luò)的整體系統(tǒng)負載不平衡距離,比較兩者大小,取小值接入該網(wǎng)絡(luò)。這種算法從異構(gòu)系統(tǒng)的整體負載考慮,動態(tài)調(diào)節(jié)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的上、下行負載。但方案只考慮系統(tǒng)的負載情況,用戶對于網(wǎng)絡(luò)的帶寬、傳輸速率和喜好等實際接入需要沒有得到考慮,難以確保網(wǎng)絡(luò)接入時的最佳選擇和用戶的實際公平,這是基于鏈路間負載均衡的呼叫準入算法的一個重要問題。

2.2.2 利用接入傾向度改善用戶接入公平性

我們在本方案中引入接入傾向度,以求改進實際接入的用戶公平性。假設(shè)接入3G/HSPA的接入傾向度為α,引入接入傾向度后的算法改寫如下:

當新業(yè)務(wù)接入3G/HSPA時,改進后的整體系統(tǒng)負載不平衡距離為

當新業(yè)務(wù)接入W iMAX時,改進后的整體系統(tǒng)負載不平衡距離為

式中,Δη1HSPA和 Δη1WiMAX分別為業(yè)務(wù)接入3G/HSPA后的3G/HSPA和WiMAX的負載不平衡距離,Δη2HSPA和 Δη2WiMAX分別為業(yè)務(wù)接入WiMAX后的3G/HSPA和WiMAX的負載不平衡距離。

當α為0.5時,表達式與原方案一致,可見原方案為本方案的特例。本方案引入接入傾向度后,充分考慮了實際的網(wǎng)絡(luò)接入需要和用戶的實際需求,可起到改善公平性的作用;并通過選取最佳接入傾向度,從而達到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能及用戶接入公平性的良好折衷。

2.3 算法描述

算法描述主要包含以下幾個步驟:

（1）當新業(yè)務(wù)到達時,根據(jù)用戶實際接入需求和系統(tǒng)性能確定接入傾向度 α;

（2）預測3G/HSPA和WiMAX接入該業(yè)務(wù)后,分別計算改進后的整體系統(tǒng)負載不平衡距離L1和L2;

（3）判斷L1和L2大小,新業(yè)務(wù)接入其中較小的網(wǎng)絡(luò);

（4）若接入的網(wǎng)絡(luò)有足夠資源,則準入該業(yè)務(wù),否則拒絕該業(yè)務(wù)請求。

綜合上述算法,整個呼叫準入方案流程如圖1所示。

圖1 呼叫準入方案流程圖Fig.1 Flowchart of admission control scheme

3 仿真與分析

由于文獻[2]已經(jīng)驗證了基于鏈路間負載均衡的呼叫準入算法對傳統(tǒng)負載均衡的呼叫準入算法的優(yōu)越性,本文的仿真主要針對系統(tǒng)性能和公平性這兩項指標進行。

為了衡量接入3G/HSPA的接入傾向度 α對系統(tǒng)性能和接入情況的影響,分別取接入傾向度 α為0.1、0.4、0.5（原方案）的情況下對我們提出的改進的呼叫準入方案進行仿真。

仿真中采用3G/HSPA和WiMAX異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。其中,3G/HSPA的上、下行負載分別為40%和50%,WiMAX的上、下行負載分別為60%和50%。3G/HSPA的最大上、下行容量分別為5.76 Mbit/s和14.4 Mbit/s[8]。當下行與上行之比為 1∶1時,WiMAX的最大上、下行容量分別為7 Mbit/s和32Mbit/s[9]。

業(yè)務(wù)上、下行速率和業(yè)務(wù)分布分別如表1和表2所示[10]。

表1 服務(wù)要求Table 1 Service resources requirements

表2 服務(wù)分布場景Table 2 Service distribution Scenarios

3.1 接入傾向度的選取

接入傾向度 α是系統(tǒng)性能和公平性的折衷。對于它取值的選取,可以借助無差別曲線確定。

3.1.1 無差別曲線

如果甲占有c數(shù)量的X和d數(shù)量的Y（p）與占有b數(shù)量的X和a數(shù)量的Y（q）,對于甲是同樣滿意的,則p和q是無差別的。所有與它們具有同樣滿意程度的點組成的曲線MN叫做甲的一組無差別曲線[11],如圖2所示。

將它記作:

式中,C1稱為滿意度。

同樣,乙對于物品X和Y也有一組無差別曲線,記作:

圖2 無差別曲線Fig.2 Indifference curve

3.1.2 利用無差別曲線確定接入傾向度 α的取值

利用文獻[11]中的方法確定本方案的接入傾向度α,因為無差別曲線是希望物品X和Y增加的曲線,但用戶和運營商分別希望接入傾向度和實際系統(tǒng)的阻塞率變?yōu)樽钚?所以設(shè)物品X和Y分別為用戶希望的接入傾向度（由式（3）確定）和系統(tǒng)的阻塞率的倒數(shù)。甲為用戶,乙為系統(tǒng)運營商。

由文獻[11]可得,接入傾向度和實際系統(tǒng)的阻塞率的倒數(shù)的折衷點必定在曲線AB上。

圖3 雙方的無差別曲線和交換路徑Fig.3 Indifference curve and exchange path of both sides

利用等價交換準則,即用戶和系統(tǒng)運營商可以作為交換的接入傾向度和阻塞率的倒數(shù)c和d具有相同的價值。雙方滿意的交換方案必是cd與AB的交點p[11],從而可以確定接入傾向度α。

圖4 等價交換確定的交換方案Fig.4 Exchange scheme of equal value

3.2 仿真結(jié)果

圖5比較了改進后的算法在選取不同接入傾向度α情況下阻塞率情況。由圖中可以看出在 α為0.1、0.4的阻塞率差別不大,但相對 α為0.5（原方案）時差距較大,從而猜想接入傾向度 α在0.5和0.4之間時,阻塞率上升,后趨于穩(wěn)定。

圖5 不同接入傾向度α的阻塞率Fig.5 Blocking rate of different α

基于此猜想,取接入傾向度α值為0.48、0.49、0.5（原方案）的情況下對我們提出的改進的呼叫準入方案進行仿真。圖6示出了在接入傾向度α值為0.48、0.49、0.5（原方案）的情況下的阻塞率。

圖6 接入傾向度 α取值為0.48、0.49、0.50時的阻塞率Fig.6 Blocking rate when α=0.48,0.49,0.50

由圖5和圖6可以看出,在接入傾向度α取值為0.5、0.49、0.48時,阻塞率逐漸上升,后來逐漸趨于穩(wěn)定,所以由此可以確定接入傾向度α的大致范圍。

圖7示出了在接入傾向度 α值為0.48、0.49、0.5（原方案）的情況下的呼叫接入3G/HSPA的比例。由圖中可以看出,在接入傾向度 α取值為0.5、0.49、0.48時,接入3G/HSPA的比例逐漸上升。

圖7 不同接入傾向度的呼叫接入比例Fig.7 Access proportion of different α

綜上所述,可以看出接入傾向度α在0.5和0.4之間逐漸減小時,阻塞率有所上升,在0.4附近趨于穩(wěn)定。而業(yè)務(wù)接入3G/HSPA比例逐漸增加,用戶的實際接入3G/HSPA的要求被滿足,公平性得到體現(xiàn)。

綜合公平性和系統(tǒng)性能方面的對比,可見本文彌補了原算法在公平性方面的不足,而阻塞率稍有增加,綜合對比大致相當。本方案中的接入傾向度α起到一個調(diào)節(jié)器的作用,能夠針對系統(tǒng)性能與用戶實際接入需求起到平衡作用。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于接入傾向度的呼叫準入改進方案,利用接入傾向度,提高用戶公平性。仿真證明本方案與原方案相比有大致相當?shù)男阅?而在公平性方面具備明顯優(yōu)勢。本方案可用于未來異構(gòu)無線系統(tǒng)的呼叫準入控制等領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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An Improved Call Adm ission Control Scheme in Heterogeneous W ireless Networks

WANG Wei,JING Zhi-hong,CHEN Peng
（The Telecommunication Engineering Institute,Air Force Engineering University,Xi′an 710077,China）

An improved Call Admission Control（CAC）scheme is proposed to avoid the congestion due to the asymmetry of uplink and downlink service resource requirements.This scheme first proposes Access Preference Degree（APD）,which is used to consider the actual access demand of users.Then an improved CAC scheme based on APD is proposed.Finally,indifference curve is used to determ ine APD value.Numerical results demonstrate that the proposed scheme achieves a good tradeoff between system performance and user fairness,and it has preferable application value.

heterogeneous wireless network;resource management;access preference degree（APD）;call admission control（CAC）

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.015

1001-893X（2010）11-0071-05

2010-05-14;

2010-06-11

王 偉（1984-）,男,吉林圖門人,2007年于空軍工程大學獲學士學位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向為無線資源管理;

WANG Wei was born in Tumen,Jilin Province,in 1984.He

the B.S.degree from Air Force Engineering University in 2007.He is now a graduate student.His research direction is radio resource management.

Email:soma1984@126.com

景志宏（1965-）,男,河北邢臺人,副教授、碩士生導師,主要研究方向為移動通信、寬帶無線接入、目標識別。

JING Zhi-hong was born in Xingtai,Hebei Province,in 1965.He is now an associate professor and also the supervisor of graduate student.His research interests include mobile communication,broad-band wireless access and target identification technique.