衛星異構網中的呼叫接入控制技術研究

徐力 楊劍飛 解放軍理工大學通信工程學院 210007

衛星異構網中的呼叫接入控制技術研究

徐力 楊劍飛 解放軍理工大學通信工程學院 210007

文章主要對比分析了無呼叫溢出接入、隨機接入以及基于負載均衡的呼叫接入三種方案，并對異構網系統進行了呼叫阻塞率性能仿真。證實了基于負載均衡的異構網接入方式能有效的降低系統的呼叫阻塞概率，提升了系統的整體接入性能。

異構網絡；負載均衡；呼叫接入控制

在多個異構網絡重疊覆蓋的衛星通信系統中，多模終端能夠根據當前網絡狀況自由選擇合適的網絡進行通信，有效地提高了衛星通信的組網效率和資源利用率。但是，如果當大量用戶集中偏向于某一網絡，就有可能會造成該網絡由于擁塞而影響后續業務正常接入的情況發生。此時，若系統采用一定的負載均衡（LB，load balancing）技術，將呼叫轉移到其他網絡中，就能夠有效的解決該類問題的發生。例如，當衛星寬帶網負載較重的時候，就可以將一般的話音、傳真、短消息等業務轉移到窄帶網中去，以便網絡能夠接入新的寬帶業務呼叫。

不同衛星網絡所面向的主要業務類型是有所區別的，如衛星窄帶網可以很好地支持話音類業務，為其提供良好的QoS保證；衛星寬帶網通常用來傳輸需要更大帶寬和更高數據傳輸速率的寬帶多媒體業務；而抗干擾網由于受資源限制，所以一般都只是用于受干擾非常嚴重的通信環境。隨著衛星通信的發展，各網系之間的融合，多模終端的使用將會是一種必然，在這種條件下，如果將重負載網絡中不受限制的呼叫轉移到重疊覆蓋的輕負載網絡中，則空出的信道資源就能提供給受限制的呼叫使用，從而有效地降低了系統的呼叫阻塞概率，整個異構系統的資源利用率得到進一步提高。

由于戰時通信存在熱點地區，即該地區的通信設備會大量密集分布，通信業務量迅速增加，會導致用戶呼叫阻塞概率和切換呼叫掉線概率增大等問題，而其他地區的業務量卻很少，這樣就形成了有的地區資源十分緊張而有的地區卻有大量資源閑置的局面，造成了系統資源的浪費。若在衛星網絡中引入負載均衡，將有助于只能接入某一種網絡的受限制呼叫和其他呼叫能夠隨時接入到衛星通信系統中。所以，衛星異構網絡之間的呼叫接入控制技術研究具有十分重要的現實意義。

1 概述

1.1 系統模型

圖1給出了衛星異構網的系統結構，該異構系統由窄帶網A和寬帶網B構成，其中A網的容量比B網的容量要小。當各網絡中的負載發生較大變化的時候，網控中心通過一定的策略對各網絡之間的負載進行集中、統一控制。由于GEO衛星的覆蓋面積非常大，所以在實際應用中可以假設兩個網絡是基本重合的，且暫不考慮因移動出現用戶離開波束覆蓋范圍的情況。

圖1 異構重疊網絡的結構示意圖

1.2 業務接入方案介紹

為了簡單起見，假設網絡中傳輸的業務都是具有固定帶寬需求的實時業務，新到達的呼叫均服從泊松分布。其中，窄帶網中的低速新呼叫平均到達率為，寬帶網中的高速新呼叫平均達到率，呼叫持續時間服從負指數分布，高速和低速呼叫平均持續時間都為。下面對可能的業務入網方案進行簡單介紹以下：

（1）無呼叫溢出方案

呼叫只能在單一的網絡中進行接入，這也是目前衛星通信網絡的現狀，即各網絡只能傳輸自身的業務。以高速的寬帶業務為例，當新呼叫產生時，若系統中剩余的資源可供新呼叫正常通信時，則接入該呼叫請求，否則拒絕。

該方案存在的問題是：兩個網絡中的資源不能共享，可能會出現一個網絡中資源十分緊缺而另一個網絡還有很多空閑信道的情況，使得整個異構系統的信道利用率不高，造成了資源的浪費。

（2）低速業務上溢方案

低速的新呼叫可以接入到寬帶網中，即當一個低速呼叫產生時，若當前窄帶網中可用信道數大于保護信道數，則該呼叫可以被接入，否則溢出到寬帶網。而寬帶網接收低速新呼叫的條件是，網絡中的空閑信道數量大于保護信道數量，否則低速新呼叫在寬帶網也將被阻塞。

該方案的優點是可以減少低速新呼叫的阻塞概率，但是對于寬帶網來說，由于其呼叫速度慢，信道可能會長時間被占用。若寬帶網中的低速呼叫數量較多，或高速呼叫平均到達率較高時，則會造成寬帶網呼叫阻塞概率增大的后果。

（3）低速和高速業務互相溢出方案

若只是低速業務能夠享受異構網的系統資源，那么對寬帶網是不公平的。為了有效地兼顧這種公平性，于是有了低速和高速業務可以互相溢出的方案，即系統中的業務可以自由的接入網絡，不受網絡體制的影響。但是為了保護窄帶網用戶的利益，通常會設置一定的保護門限，當網絡負載高于該值時，則不能溢出到另一網絡。

就新呼叫而言，只要網絡中存在任何非保護信道空閑，該呼叫就能被接入。顯然，通過這種方式可以大大降低整個分層系統的新呼叫阻塞概率和切換中斷概率。

2 異構網環境下的呼叫接入控制技術

2.1 無呼叫溢出接入策略

對于呼叫無法溢出的系統來說，其用戶只能接入某一固定的網絡，這也是目前衛星通信系統的實際情況，各衛星網絡相互獨立工作，相互直接不能共享資源。下面先對這種單一模式的入網方式進行呼叫阻塞概率分析。應用馬爾可夫過程，設系統處于狀態的穩態概率為Pn，狀態n表示有n個信道被n個呼叫占用。由于網絡只能接收單一的新呼叫，所以對應的狀態轉移圖如圖2所示。

圖2 狀態轉移圖

狀態平衡方程為：

又因為：

圖3 無呼叫溢出的理論呼叫阻塞概率

2.2 隨機接入策略

隨機接入策略是指在異構網環境下，多模終端用戶可以自由的、隨機的選擇網絡，只要系統中有足夠的資源就可以接入通信，不受外界環境因素干擾，也不用考慮負載均衡。該策略下的用戶接入主要包含以下幾個步驟：

（1）多模終端隨機選擇網絡A或B，發出連接請求；

（2）判斷網絡A（B）中是否有足夠的資源可供用戶使用，若資源充足，則允許用戶接入網絡A（B），轉到（5）；

（3）若之前選擇網絡中的資源不足以接入該用戶，則將該用戶切換到另一網絡；

（4）若切換后網絡中的資源可以滿足該用戶的業務接入，則將其接入網絡，否則拒絕該用戶，轉到（5）；

（5）呼叫接入控制過程結束。

通過上述步驟，完成了對一個新呼叫的接入控制過程。該策略在實現上比較簡單，不用考慮過多因素的影響，但是可能會造成大量某一網絡呼叫進入另一網絡，使得另一網絡自身呼叫得不到應有保障的情況出現，所以該方案并不是最優的。

2.3 基于負載均衡的異構網接入策略

對于多星、多頻段、多體制的衛星異構網絡來說，其異構網組成并不只是單純的窄帶網和寬帶網，本文設計了其具體的基于負載均衡的呼叫接入控制流程，如圖4所示。

當用戶請求接入時，首先向當前接入的通信網絡發出請求，當該網絡收到該請求時，結合用戶信息和負載均衡算法決定是否進行網間切換，若需要進行網間切換則向全局網管中心發送切換請求，全局網管中心根據用戶信息查詢用戶可接入的網絡集，并發送狀態查詢請求，各子網根據當前狀態以及待接入用戶信息計算接入該用戶后的狀態并反饋給全局網管中心，全局網管結合各可接入子網的預接入狀態和最佳接入準則確定最佳接入網絡，并發送確定接入信息，由最佳接入子網響應用戶的接入請求。

圖4 基于負載平衡的呼叫接入控制流程圖

當子網管收到用戶請求時，網管開始查詢當前的子網的狀態參數，并計算允許該用戶接入條件下子網的狀態參數，將該參數作為決策參數，結合切換準則決定是否進行負載平衡切換，如圖5所示。

圖5 異構網切換決策算法流程

通過異構網切換決策后，若輸出的結果是需要進行負載平衡切換，則業務選擇網絡進行通信；若輸出的結果是否，則說明當前沒有適合該業務的網絡，中斷該業務通信。下面對基于負載均衡的呼叫接入控制方式進行具體的描述。

對于某一具體的衛星網絡A，其系統中存在的業務主要有本網絡新呼叫和因負載均衡切換過來的新呼叫。為了保障本網絡內用戶的權益，本文為每一種網絡設置了一個吞吐門限，當系統負載高于該門限值時，則系統只接受本網絡的新業務呼叫，而低于該門限值時則判斷為輕負載狀態，可以接入其他網絡的用戶，其具體流程為：

（1）計算各網絡的負載狀況

重負載情況下：此時系統只能接入本網絡內的新用戶。

輕負載情況下：系統既可以接入新用戶也能接入負載切換過來的用戶。

假設新業務的帶寬需求為B新用戶，負載切換用戶的帶寬要求是B負載切換，所以有B重負=B新用戶，B輕負=B新用戶+B負載切換。

（2）判斷網絡A的負載狀態，若為重負載狀態，則執行（3），否則，結束；

（3）檢查狀態信息表中網絡B的負載狀態，若網絡B處于重負載狀態，則執行（4），否則，結束該流程；

（4）選擇一個低速呼叫業務，通知B網絡為其接入預留一部分資源；

（5）網絡B接收到信息后，啟動一個定時器，若在定時期間沒有接收到該業務，則收回預留的資源；

（6）網絡A通過數據分組或導頻信息通知被選擇的用戶進行負載均衡切換；

（7）執行負載平均衡切換。

上述過程中，每個負載均衡周期只選擇一個業務，直到網絡B進入重負載狀態或網絡A由重負載狀態轉移到輕負載狀態。

3 仿真實驗

3.1 仿真模型

假設衛星異構網系統由兩種不同的網絡構成，即窄帶網和寬帶網。為了減小仿真運算量，假設窄帶網的最大吞吐量為5Mbps，寬帶網的最大吞吐量為20Mbps。假設窄帶網產生的低速和高速兩種業務，其中低速業務為主，占呼叫總數的80%，寬帶網中的業務以高速的為主，占呼叫總數的50%，低速業務的傳輸速率為10kbps，高速業務的傳輸速率為50kb/s。窄帶網的吞吐量門限是最大吞吐量的80%；寬帶網的吞吐量門限是最大吞吐量的75%，在異構網系統中，終端均可工作在雙模式。新呼叫到達率服從泊松分布，平均達到率的取值范圍是5～50calls/s，呼叫持續時間服從指數分布，均值為1/μ= 20s 。

下面我們對以下幾種接入方案的呼叫阻塞概率性能進行仿真分析：第一種方案中的兩個網絡系統獨立工作，且終端都為單模式；第二個方案中采用隨機接入方式，即兩個系統獨立工作，無流量均衡，但是系統中既有單模終端也有雙模終端；第三個方案采用負載均衡算法。

3.2 仿真結果和分析

在MATLAB中建立實驗仿真環境后，下面開始進行具體的仿真以及結果分析。

圖6顯示的是在三種接入方式下，窄帶網的呼叫阻塞概率。其中基于負載均衡的呼叫接入控制方式要優于隨機接入方式，而隨機接入方式的性能又要優于單模工作下的網絡性能。這是因為在異構網條件下，若系統采用隨機接入策略，那么對一個新呼叫來說，只要系統中有資源該呼叫就能夠被接入，所以它的性能要優于目前這種只能工作于單模方式的網絡。但是，該方案的性能又遠低于基于負載均衡的接入控制方式，這主要是因為基于負載均衡的接入控制方式對用戶能夠轉移負載的情況作了限制，有效地避免了窄帶網因接入過多高速業務造成呼叫阻塞的情況發生。

圖6 窄帶網的呼叫阻塞概率

而寬帶網的呼叫阻塞概率如圖7所示。從圖中我們可以發現，寬帶網的呼叫阻塞概率情況為單模時最優，均衡基于負載均衡的接入控制方式次之，而隨機接入時的阻塞率最大。造成這種結果的原因是：隨著呼叫到達率的提高，窄帶網已經達到了飽和的狀態，不能接入寬帶網中的業務，而寬帶網由于容量大，起始階段接入了大量的窄帶業務，所以就使得異構網條件下的寬帶網系統呼叫阻塞概率性能反而不如作為單一網絡存在時的性能。

異構網的整體呼叫阻塞概率如圖8所示。從圖中可以發現，相對單一網絡，若能實現異構網內的通信資源共享，則整個衛星異構網系統的呼叫阻塞概率是會有所降低的。對于單模的呼叫接入方式，其呼叫阻塞概率在到達率為15～20之間時基本保持不變，而在到達20之后急劇上升的原因是：在20之前的呼叫阻塞概率主要是由窄帶網產生的，此時寬帶網中的阻塞率很小，由于到達20后，寬帶網的呼叫阻塞概率也急劇增大，所以整個異構系統的呼叫阻塞率就發生了很大的變化。當異構網采用一定的負載均衡策略時，其阻塞率相對要低很多，整體性能得到了較大的改善。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.025

圖8 異構網條件下的系統呼叫阻塞概率