異構蜂窩系統中動態聯合呼叫接納控制算法

凌毓濤，吳建斌，劉俐利

1.華中師范大學物理科學與技術學院，武漢 430079

2.華中師范大學國家數字化學習工程技術研究中心，武漢 430079

異構蜂窩系統中動態聯合呼叫接納控制算法

凌毓濤1，吳建斌1，劉俐利2

1.華中師范大學物理科學與技術學院，武漢 430079

2.華中師范大學國家數字化學習工程技術研究中心，武漢 430079

1 引言

隨著無線通信技術的迅速發展，逐漸形成了多種接入技術共存并相互融合的異構無線網絡。在此背景下，為了能夠在保障服務質量（Quality of Service，QoS）的同時提高無線資源的利用率，有必要對異構無線網絡進行聯合無線資源管理。聯合呼叫接納控制（Joint Call Admission Control，JCAC）作為聯合無線資源管理機制的重要組成部分，已成為當前的研究熱點[1-2]。JCAC算法包括接入選擇和接入控制兩方面，不僅需確定系統是否接納到達的呼叫，還需確定系統中哪個無線網絡最適合接納該呼叫。

現有文獻已經提出了多種JCAC算法。文獻[3]以提高用戶滿意度為目的，提出了一種以用戶為中心、基于資費的JCAC算法，但該算法缺乏對系統整體性能的考慮，容易造成網絡間負載的不均衡，進而導致系統呼叫阻塞率和掉線率的上升。文獻[4]提出了一種以網絡為中心、基于負載均衡的JCAC算法，將到達的呼叫接入到負載最低的網絡；文獻[5]則提出了一種基于強制式負載均衡的JCAC算法，將負載較高網絡中的部分呼叫強制切換到負載較低網絡。但這兩種算法均缺乏對用戶偏好的考慮，其結果是用戶滿意度較低。文獻[6]提出的JCAC算法雖然兼顧了用戶和網絡雙方的利益，但沒有考慮到呼叫業務類型的多樣性。此外，已有的JCAC算法通常將接入選擇與接入控制機制進行分離的研究[7-8]，而這兩者之間實際上是相互聯系和影響的：一方面，接入選擇為接入控制提供目標接入網絡；另一方面，接入控制的結果會影響接入選擇的決策。

針對上述算法存在的不足，本文將接入選擇與接入控制機制有機結合起來，設計了一種動態聯合呼叫接納控制（DJCAC）算法，在重視用戶偏好的同時改善系統的性能及用戶體驗。

2 系統模型與算法結構

目前，異構無線系統的相關研究大多采用蜂窩網和WLAN的融合模型，而對異構蜂窩系統的研究甚少。為此，本文針對融合了M個不同制式蜂窩網（例如GSM，CDMA，UMTS等）的異構無線系統展開研究。為便于分析，假設該系統中各網絡完全重疊地覆蓋同一區域。由于不同制式蜂窩網采用了不同的接入技術，因而，為了解決系統的資源度量問題，本文將無線資源的大小統一表示為“等效帶寬”，即：無線接入網RANm(m=1,2,…,M)的小區容量可以表示為Bm個基本等效帶寬單元（bu）。此外，在系統支持I種業務類型的情況下，按照蜂窩網絡中通常所采用的假設有：重疊區域中各類相互獨立的新呼叫/切換呼叫的到達時間和呼叫保持時間將分別服從泊松分布和指數分布；對于業務類型為i(i=1,2,…,I)的新呼叫和切換呼叫，其到達率分別為和，呼叫保持時間的均值為1/σ。

本文設計的DJCAC算法在如圖1所示的“聯合呼叫接納控制器”中實現。鑒于接入控制的結果會使網絡負載發生改變，而不均衡的負載反過來又會影響接入選擇的決策，因此本算法借鑒經濟學領域的價格調節作用，設計了一種動態定價機制，在獲取了反饋的各接入網絡中實際呼叫到達率的基礎上，依據各網絡負載情況對其資費進行周期性的調整，從而對接入選擇決策施加影響，以利于實現網絡負載均衡。同時，考慮到各種呼叫的優先級不同，在接入控制環節設計了一種多級接入閾值的動態帶寬分配策略，以進一步降低呼叫阻塞率及掉線率。

圖1 DJCAC算法結構

圖1中所示的呼叫接納過程描述如下：在呼叫建立期間，移動終端向聯合呼叫接納控制器發送接入請求，接入選擇模塊綜合多種決策信息，確定最適合接入該呼叫的可用網絡；之后，接入控制模塊根據所選網絡中可以動態分配給該呼叫的可用帶寬來確定是否接納該呼叫；最后，聯合呼叫接納控制器將決策結果通知給移動終端。

3 接入選擇

3.1 TOPSIS接入選擇算法

為提高用戶的滿意度，在接入選擇過程中采用逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）[10]，根據網絡狀態及用戶的偏好為呼叫選擇最優的接入網絡。

假設采用N個相互獨立的準則（例如資費、傳輸速率、功耗等）對異構蜂窩系統中各接入網進行評價，則對于系統中的M個候選網絡，可構造接入選擇的決策矩陣R：

式（1）中，rm,n表示RANm(m=1,2,…,M)在評價準則n(n= 1,2,…,N)上的評價值。

對于不同用戶或業務類型，用戶偏好會有所差異，因而對各評價準則所分配的權重也不同。若用表示對于用戶u的i類呼叫，分配給準則n的權重，則N個準則權重所構成的權重向量為：

當用戶u的i類呼叫到達時，采用TOPSIS法為其選擇最優接入網，其具體計算步驟如下：

步驟1由于各準則的量綱及取值范圍不同，因此需要對決策矩陣進行規范化，得到規范化矩陣R′：

若準則的評價值采用語言變量集，例如：{非常低、低、中等、高、非常高}，則首先確定各語言變量值所對應的三角模糊數，然后再將這些模糊數轉換為清晰數{0.110 7，0.3，0.5，0.7，0.833 3}[11]。

步驟2計算得到加權規范化矩陣D：

其中，集合J和J′分別表示效益型（即越大越好型）準則和成本型（即越小越好型）準則的集合。

步驟4分別計算候選網絡m與正、負理想解的歐式距離：

步驟6確定取最大值的候選網絡為目標接入網。

3.2 動態定價機制

由于網絡資費通常是用戶在選擇接入網時需要考慮的重要因素，因此將其作為接入網的評價準則之一，通過采取動態的定價機制來平衡網絡間的負載，具體的設計思路描述如下：

動態定價模塊每隔一定周期T獲取系統各網絡中不同類型呼叫的實際到達率（接納率）以及相應的可用帶寬，并據此計算各網絡的理想到達率以及下一周期的服務資費，實現對各網絡資費的動態調整。需要說明的是，在呼叫以某一服務資費接入到系統后，該呼叫的資費將保持不變。

當系統負載處于均衡分布時，在任一周期T內，若到達系統的i類新呼叫和切換呼叫按照可用帶寬比例關系分流到各接入網絡中，則相應的理想到達率可計算如下：

4 接入控制

4.1 多級接入閾值

假設系統支持三種業務類型：（1）i=1，固定比特率的實時業務（CBR），如話音和視頻電話；（2）i=2，可變比特率的實時業務（VBR），如視頻流；（3）i=3，非實時的可變比特率或沒有指定比特率的業務（UBR），如email和文件傳輸。由于VBR和UBR業務所需帶寬不固定，為便于分析，假定VBR和UBR業務可分配帶寬的取值范圍為三個離散值：{最小帶寬(B)，平均帶寬(B)，最大帶寬(B}，并且在接入時請求分配帶寬(B)的大小為B。

不同種類的呼叫具有不同的優先級。若從業務類型考慮，可根據上述三種業務類型的相關特性，設定CBR業務的優先級最高，VBR業務次之，UBR業務的優先級最低；若從用戶體驗角度考慮，由于用戶移動或網絡狀態發生改變而產生的切換呼叫，如果在切換過程中出現掉線，顯然比新呼叫發起時遇到阻塞更讓人難以接受，因而設定切換呼叫的優先級高于新呼叫。為了盡量保證高優先級呼叫的QoS，可采取多級接入閾值的方法，即：對優先級越高的呼叫所設置的接入閾值越大；同時，為簡化算法，對CBR、VBR和UBR這三種業務類型的新呼叫設置相同的接入閾值，具體設置如下：

4.2 多閾值動態帶寬分配的接入控制算法

當呼叫接入目標網絡時，為了降低阻塞率和掉線率，可根據該呼叫的種類以及目標接入網的資源狀況，采取動態的帶寬分配策略。當網絡可用帶寬不足時，可按照業務優先級由低到高的順序，對網絡中所占帶寬可減少的呼叫進行適當降級，在逐步釋放帶寬資源的同時盡量減少對已有呼叫的影響。對于目標接入網中現有的可降級呼叫，可分別采取帶寬降級算法1或算法2對其中一種業務類型或兩種業務類型的呼叫進行降級處理，相應的算法偽代碼分別如圖2和圖3所示。

圖2 帶寬降級算法1

圖3 帶寬降級算法2

對于新呼叫和切換呼叫所采取的接入控制算法流程分別如圖4和圖5所示。

圖4 新呼叫的接入控制算法流程

圖5 切換呼叫的接入控制算法流程

5 性能分析

5.1 仿真參數

為了評價本文算法的性能，現將其與文獻[12]提出的VIKOR-JCAC算法進行比較。仿真環境中，異構系統由RAN1、RAN2和RAN3這三種蜂窩網絡構成，呼叫業務類型包括CBR、VBR和UBR，價格更新周期T為10 min，具體仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

如表2所示，接入網的評價準則包括資費、傳輸速率和電池功耗。由于每隔一定周期會對資費進行動態調節，因此，表2給出的是各接入網的初始資費。同時，為了模擬真實的場景，對于每個到達系統的呼叫，為其隨機分配各評價準則的權重。

表2 網絡性能參數

5.2 仿真結果分析

圖6（a）和圖6（b）分別顯示了采用VIKOR-JCAC算法與DJCAC算法時，各網絡的負載百分比。從圖中可以看出，對于VIKOR-JCAC算法，各網絡不均衡的負載并不會隨時間而有所改善；而對于DJCAC算法，各網絡的負載會隨時間逐漸趨于均衡。其原因是，DJCAC算法采取了動態定價機制，可以根據各網絡負載情況隨時間動態調整網絡的服務資費，從而逐漸平衡網絡間的業務負載。

圖6 網絡負載

圖7顯示了DJCAC算法與VIKOR-JCAC算法在新呼叫阻塞率和切換呼叫掉線率方面的性能。從圖中可以看出，DJCAC算法的阻塞率和掉線率均低于VIKOR-JCAC算法；此外，DJCAC算法的阻塞率和掉線率隨時間的增加會有所下降，而VIKOR-JCAC算法的阻塞率和掉線率則基本保持不變。其原因是，DJCAC算法采取了動態定價機制，通過均衡網絡負載降低阻塞率和掉線率，并且，DJCAC算法采取了多級接入閾值及動態帶寬分配策略，可以進一步降低阻塞率和掉線率。

圖7 呼叫阻塞率和掉線率

6 結束語

本文將接入選擇與接入控制機制有機結合起來，針對異構蜂窩系統，設計了一種動態聯合呼叫接納控制算法。該算法采用TOPSIS法為系統中到達的呼叫選擇最優接入網絡，提高了用戶的滿意度，通過動態調節網絡資費均衡了系統的負載分布，采取多級接入閾值及動態帶寬分配策略進一步降低了阻塞率和掉線率。需要指出的是，價格更新周期越短，越有利于實現負載均衡，從而提高系統的性能，但是會增加系統的計算負擔；此外，動態帶寬分配采取的是逐步釋放帶寬的方法，也在一定程度上增加了計算的復雜度。因而下一步的工作重點將是進一步簡化算法，提高其實用性。

[1]Kim D K，Griffith D，Golmie N.A new call admission control schemefor heterogeneous wireless networks[J].IEEE Trans on Wireless Communication，2010，9（10）：3000-3005.

[2]鄧強，陳山枝，胡博，等.異構無線網絡中基于馬爾可夫決策過程的區分業務接納控制的研究[J].通信學報，2010，31（12）：27-36.

[3]Falowo O E，Chan H A.Joint call admission control for next generation wireless networks[C]//Proceedings of IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering，2006：1151-1154.

[4]Demestichas P，Koutsouris N，Koundourakis G，et al.Management of networks and services in a composite radio context[J]. IEEE Wireless Communications，2003，10（4）：44-51.

[5]Pillekeit A，Derakhshan F，Jugl E，et al.Force-based load balancing in co-located UMTS/GSM networks[C]//VTC，2004：4402-4406.

[6]Tragos E Z，Tsiropoulos G，Karetsos G T，et al.Admission control for QoS support in heterogeneous 4G wireless networks[J].IEEE Network，2008，22（3）：30-37.

[7]Ong E H，Khan J Y.On optimal network selection in a dynamic multi-RAT environment[J].IEEE Communications Letters，2010，14（3）：217-219.

[8]Pei Xuebing，Jiang Tao，Qu Daiming，et al.Radio-resource management and access-control mechanism based on a novel economic model in heterogeneous wireless networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2010，59（6）：3047-3056.

[9]Bo X，Chen Z.On call admission and performance evaluation for multi-service CDMA networks[J].ACM Mobile Computing and Communications Review，2004，8（1）：98-108.

[10]夏勇其，吳祈宗.一種混合型多屬性決策問題的TOPSIS方法[J].系統工程學報，2004，19（6）：630-634.

[11]Chen S H，Hsieh C H.Graded mean integration representation of generalized fuzzy number[C]//Proceedings of 1998 Sixth Conference on Fuzzy Theory and Its Application，1998：1-6.

[12]Alkhawlani M M.MCDM based joint admission control for heterogeneous wireless networks[C]//Seventh International Conference on Computer Engineering&Systems，2012：3-8.

LING Yutao1,WU Jianbin1,LIU Lili2

1.College of Physical Science and Technology,Central China Normal University,Wuhan 430079,China
2.National Engineering Research Center for E-Learning,Central China Normal University,Wuhan 430079,China

LING Yutao,WU Jianbin,LIU Lili.Dynamic joint call admission control algorithm in heterogeneous cellular systems. Computer Engineering and Applications,2013,49（24）：88-92.

A dynamic joint call admission control algorithm is designed aiming at the admission control problem in heterogeneous cellular systems.This algorithm adopts TOPSIS method to select the optimal access network and adjusts network cost dynamically according to the system’s load distribution,thus balances the load between networks by influencing the user’s access selection decision-making.Also,a multi-level access threshold and dynamic bandwidth allocation strategy is adopted for different call priorities to further improve system performance and user experience in the stage of access control.Simulation results show that the algorithm pays attention to the user preferences while achieving load balancing,reducing the call blocking probability and dropping rate.

heterogeneous cellular systems;joint call admission control;load balancing;bandwidth allocation

針對異構蜂窩系統的接納控制問題，設計了一種動態聯合呼叫接納控制算法。該算法采取TOPSIS法選擇最優接入網，根據系統負載分布情況動態調整網絡資費，對用戶的接入選擇決策施加影響，以均衡網絡間負載；針對不同的呼叫優先級，采取多級接入閾值及動態帶寬分配策略，在接入控制環節進一步改善系統性能及用戶體驗。仿真結果表明，該算法在重視用戶偏好的同時實現了負載均衡，降低了呼叫阻塞率和掉線率。

異構蜂窩系統；聯合呼叫接納控制；負載均衡；帶寬分配

A

TN929.52

10.3778/j.issn.1002-8331.1306-0044

國家自然科學基金（No.61074046/F030107）；華中師范大學中央高校基本科研業務研究基金。

凌毓濤（1976—），男，博士，講師，研究領域為異構無線網絡資源管理、信號處理；吳建斌（1972—），通訊作者，男，博士，副教授，研究領域為無線網絡優化和雷達信號處理；劉俐利（1982—），女，講師，研究領域為信息處理。E-mail：infoccnu@163.com

2013-06-07

2013-07-23

1002-8331（2013）24-0088-05