基于不同策略的聯(lián)合接納控制算法綜述

陳 駿， 劉立剛 ， 王 江， 譚國平

（1.河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 通信與信息系統(tǒng)研究所，江蘇 南京 211100；2.上海無線通信研究中心 上海 200335）

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，多種無線接入技術(shù)（Radio Access Technology，RAT）長期共存與協(xié)作，如何利用多種RAT的不同特性，協(xié)同為用戶提供服務(wù)，就需要對無線資源管理進(jìn)行研究與分析。然而，傳統(tǒng)無線資源管理是在有限帶寬的條件下，為網(wǎng)絡(luò)中的用戶提供業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量保障，其只考慮單一的無線接入網(wǎng)絡(luò)或基于單一因素，并不能適應(yīng)復(fù)雜、業(yè)務(wù)多樣性和具有多維特征的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。針對未來異構(gòu) 網(wǎng) 絡(luò) 的 無 線 資 源 管 理 （Radio Resource Management，RRM），目前有通用無線資源管理（Common RRM，CRRM）與聯(lián)合無線資源管理（Joint RRM，JRRM），區(qū)別于傳統(tǒng)RRM功能實(shí)體分別定義了CRRM與JRRM功能實(shí)體，CRRM用來處理不同無線接入系統(tǒng)間及小區(qū)間的資源調(diào)度問題[1]，其中JRRM與傳統(tǒng)的RRM相比，能夠根據(jù)不同業(yè)務(wù)類型、網(wǎng)絡(luò)狀況及用戶偏好進(jìn)行不同網(wǎng)絡(luò)間的聯(lián)合接納控制 （Joint Admission Control，JAC）、業(yè)務(wù)協(xié)同傳輸及聯(lián)合資源分配調(diào)度等[2]，以此提升用戶滿意度的同時，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體容量最大化目標(biāo)。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，如何根據(jù)業(yè)務(wù)類型、網(wǎng)絡(luò)狀況及用戶偏好等進(jìn)行接納控制，使得用戶滿意率和資源利用率提升的目標(biāo)。提出了一種新的分析方法，即基于不同的接納控制策略進(jìn)行分類，并建立相應(yīng)策略庫，根據(jù)策略選擇機(jī)制，對聯(lián)合接納控制算法進(jìn)行分析，以阻塞率、中斷率、用戶滿意率及網(wǎng)絡(luò)資源利用率作為評判聯(lián)合接納控制算法的好壞。

1 不同的接納控制策略

1.1 接納控制策略概述

接納控制策略是根據(jù)一定的接納準(zhǔn)則來判斷一個新的用戶業(yè)務(wù)接入請求是否能夠被系統(tǒng)所接納[3]。接納控制策略必須平衡新接入用戶業(yè)務(wù)的阻塞率和已接入用戶業(yè)務(wù)的中斷率，以保證接入用戶的連接質(zhì)量的同時，使系統(tǒng)資源利用率達(dá)到最大化。

傳統(tǒng)的接納控制策略，無法做到多業(yè)務(wù)有效區(qū)分，以至于不能有效協(xié)調(diào)多網(wǎng)絡(luò)間的資源，從而不能很好地提升系統(tǒng)整體性能。在現(xiàn)有接納控制策略研究中，雖對不同用戶業(yè)務(wù)進(jìn)行類型區(qū)分和網(wǎng)絡(luò)狀況考慮，但仍存在一些問題。多數(shù)接納控制策略以尋找最好接入網(wǎng)為目標(biāo)，卻忽視最好的接入網(wǎng)不一定最適合當(dāng)前用戶，這樣將造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，并且容易觸發(fā)用戶終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重選和頻繁發(fā)生切換，從而導(dǎo)致異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景中的“乒乓效應(yīng)”[4]。所以，接納控制策略的選取應(yīng)綜合考慮當(dāng)前用戶與網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況，這樣可以盡量避免上述情況的發(fā)生。接納控制策略的設(shè)計(jì)好壞與否，不僅關(guān)系到用戶體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量（Quality Of Service，QoS）的保障，還關(guān)系到異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)資源能否得到充分利用。

1.2 接納控制策略分類

對于用戶不同接入業(yè)務(wù)請求類型，應(yīng)使用不同接納控制策略，每類接納控制策略側(cè)重點(diǎn)不同，其得到的結(jié)果就會有所差別。傳統(tǒng)的接納控制策略主要基于帶寬、功率、干擾、測量等較為單一的因素考慮[5]，而多模終端的出現(xiàn)與業(yè)務(wù)類型多樣性、多種RAT共存與協(xié)作的情況下，如何進(jìn)行不同業(yè)務(wù)接納控制，就需要更加準(zhǔn)確與多樣的接納控制策略。為此，提出對接納控制策略進(jìn)行分類，并為后續(xù)建立相應(yīng)策略庫提供參考，如表1所示。

表1 接納控制策略分類Tab.1 Classification of admission control strategies

從上述接納控制策略分類，可以清晰地看出，基于不同策略分類依據(jù)，對應(yīng)不同適用情況，表現(xiàn)出不同優(yōu)勢。接納控制策略從用戶層面來說，其根本目的是使用戶滿意度最大，即提高用戶QoS，從網(wǎng)絡(luò)層面來最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，使其能為更多用戶提供服務(wù)。

1.3 接納控制策略庫

根據(jù)接納控制策略的分類，提出建立接納控制策略庫，用于記錄用戶業(yè)務(wù)分類及相應(yīng)策略的數(shù)據(jù)庫在不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，通過制定不同接納控制策略，以協(xié)助接納控制、切換管理、資源聯(lián)合分配等功能的完成。在策略庫中選取相對應(yīng)的接納策略，由聯(lián)合接納控制對用戶業(yè)務(wù)JAC請求進(jìn)行判決，并為準(zhǔn)許接納用戶業(yè)務(wù)選取適合的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接納（見圖1）。

圖1分析，策略判決點(diǎn)根據(jù)用戶業(yè)務(wù)請求、網(wǎng)絡(luò)狀況和用戶偏好等信息，在策略執(zhí)行判決過程中，策略判決點(diǎn)從策略庫中提取接入控制的策略參數(shù)進(jìn)行接納判決，把判決結(jié)果交由策略執(zhí)行點(diǎn)執(zhí)行。同時JAC實(shí)體，根據(jù)用戶業(yè)務(wù)服務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)動態(tài)監(jiān)測、調(diào)整、協(xié)商和智能地設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)高度集中接納判決和接入控制，表現(xiàn)出基于接納控制策略優(yōu)勢所在。

圖1 接納控制策略庫示意圖Fig.1 Admission control repository

1.4 接納控制策略選擇機(jī)制

為了更好地發(fā)揮策略庫效用，在此設(shè)定相應(yīng)策略選擇機(jī)制，通過對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)狀況的動態(tài)測量，結(jié)合預(yù)先對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)預(yù)測的非精確描述，實(shí)現(xiàn)對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前狀況準(zhǔn)確預(yù)測，以此來實(shí)現(xiàn)高性能、穩(wěn)定度、可擴(kuò)展的接納控制。

1.5 接納控制策略性能評估

根據(jù)不同的系統(tǒng)特征和用戶需求，不同的接納控制策略各有優(yōu)劣，其性能評價指標(biāo)主要有：業(yè)務(wù)阻塞率、切換中斷率、用戶滿意率及系統(tǒng)資源利用率。在確定無線接入網(wǎng)絡(luò)采用哪種接納控制策略，需要考慮以上幾個評價指標(biāo)的同時，還需要對于不同系統(tǒng)與用戶需求，對實(shí)際情況與系統(tǒng)特性有所側(cè)重。

1.6 接納控制策略不足與改進(jìn)

綜上可知，當(dāng)新用戶業(yè)務(wù)請求到達(dá)時，多個網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行資源協(xié)作，最終根據(jù)用戶業(yè)務(wù)請求信息和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況等參數(shù)，由JAC實(shí)體通過策略選擇機(jī)制，在策略庫中選取相應(yīng)接納控制策略來決定是否接納，并選擇某一個網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù)。所以，在用戶接入前期需要根據(jù)相應(yīng)請求信息參數(shù)，設(shè)定相應(yīng)的接納控制策略，且該策略應(yīng)兼顧用戶服務(wù)質(zhì)量和系統(tǒng)容量，并在二者之間做相應(yīng)合理的折中。

2 策略使用下的聯(lián)合接納控制算法

2.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)JAC場景

在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，同樣存在單接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量有限問題，且需要考慮如何協(xié)同多接入網(wǎng)絡(luò)的問題。當(dāng)新業(yè)務(wù)請求到達(dá)時，需要對業(yè)務(wù)進(jìn)行接納控制，遵循怎樣的策略來判決是否接納當(dāng)前業(yè)務(wù)請求，并為其選取適合網(wǎng)絡(luò)，是JAC算法研究內(nèi)容，JAC場景（如圖2所示）。

圖2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)JAC場景Fig.2 Joint admission control in heterogeneous networks

該場景主要是不同的RAT協(xié)同為用戶提供服務(wù)，用戶發(fā)起業(yè)務(wù)請求，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)請求信息，依據(jù)策略選擇機(jī)制，從策略庫中選擇相應(yīng)接納控制策略，由JAC實(shí)體進(jìn)行決策判決接納。

2.2 基于策略的JAC算法

2.2.1 基于自適應(yīng)門限策略的JAC算法

文獻(xiàn)[6]提出了基于最優(yōu)接入門限的聯(lián)合接納控制算法，該算法在維持切換優(yōu)先級的同時，來保證切換中斷率低于預(yù)設(shè)值，以平衡不同區(qū)域中用戶QoS的差異，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞率低的解決方案。在給定滿足一定業(yè)務(wù)請求目標(biāo)的條件下，找到各個業(yè)務(wù)門限的門限值，使其自適應(yīng)進(jìn)行設(shè)定[7]。但最優(yōu)門限的判斷與設(shè)定其分析較為單一，并未考慮到多業(yè)務(wù)共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，所以不能很好地在實(shí)際中應(yīng)用。

在文獻(xiàn)[8]中，提出的負(fù)載均衡不是指網(wǎng)絡(luò)間完全的負(fù)載均衡，而是事先設(shè)定一個負(fù)載門限，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)間負(fù)載差值在容忍范圍內(nèi)且低于門限值時，就不會觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)間負(fù)載均衡策略。但最好的方式是，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)反饋的信息，采用自適應(yīng)門限策略，使得門限值可以動態(tài)調(diào)整，同時各個網(wǎng)絡(luò)具有很高的穩(wěn)定性。

2.2.2 基于業(yè)務(wù)策略的JAC算法

文獻(xiàn)[9]，依據(jù)業(yè)務(wù)類型不同，對業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級劃分，基于優(yōu)先級與業(yè)務(wù)降級的接納控制策略，可分為自身業(yè)務(wù)降級和降級其它業(yè)務(wù)。該策略不僅保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS，還能兼顧到低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的有效接入，從總體上提高用戶的滿意度，另外所有業(yè)務(wù)協(xié)同共享系統(tǒng)資源，使得系統(tǒng)資源利用率也隨之提升。

2.2.3 基于分層策略的JAC算法

分層策略是假定用戶不能獲得支持高層次所需的必要資源，則通過通信端協(xié)商接受一個較底層次（較少資源需求）的接納，而不是直接被拒絕用戶請求。分層系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是如何在各層之間進(jìn)行負(fù)載均衡的問題，在減小微蜂窩層的切換次數(shù)同時，增加宏蜂窩層的資源利用率，就需要根據(jù)分層系統(tǒng)的特點(diǎn)不同，需要在各層設(shè)計(jì)不同的接納控制策略相應(yīng)算法。

2.2.4 基于交互策略的JAC算法

基于系統(tǒng)的即時狀態(tài)，逐一對門限值設(shè)定，直到用戶接納或拒絕為止，在交互策略中基于約束功率算法，對用戶剛接入時的功率控制約束最強(qiáng)，然后接入用戶的功率控制約束逐漸減弱，直到用戶被容許接入或拒絕。可以看出，交互接納算法允許用戶與系統(tǒng)交互，并且監(jiān)視和預(yù)測用戶被完全接納將對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

2.2.5 基于混合策略的JAC算法

基于混合策略的JAC算法，是同時采用了基于測量和統(tǒng)計(jì)的方法，這樣避免了單獨(dú)采用瀏覽量與統(tǒng)計(jì)所帶來的不確定性。對通信系統(tǒng)的研究中，為了尋求性能和可行性之間的良好平衡點(diǎn)，引出一種混合策略模式。另外，對用戶接入請求的評估是在對系統(tǒng)的傳輸情況進(jìn)行預(yù)測基礎(chǔ)上完成，接入請求評估準(zhǔn)則是每個蜂窩內(nèi)多用戶干擾必須小于一定的門限。

2.2.6 基于區(qū)域區(qū)分策略的JAC算法

區(qū)域區(qū)分可以劃分為局部的、半局部的、全局的，其中局部是指接納控制算法僅僅根據(jù)本地測量信息來進(jìn)行判斷，而不與其它區(qū)域進(jìn)行信息交互；全局是定期地在各區(qū)域間交互信息，有接納控制從整理去做出判決，而不是像局部一樣僅考慮當(dāng)?shù)赜脩粜阅堋?/p>

文獻(xiàn)[10]提出的基于帶寬預(yù)留策略中，預(yù)先對帶寬門限值進(jìn)行設(shè)定，并且周期更新閾值。接入控制策略分為兩部分，一部分是避免用戶在系統(tǒng)重載情況下重復(fù)發(fā)送接入請求的動態(tài)概率閾值設(shè)置；另一部分是網(wǎng)絡(luò)側(cè)接收到用戶接入請求后，根據(jù)接入選擇結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)間協(xié)調(diào)；但這兩種方式都有弊端，所以折中提出了半局部接納控制算法。對不同QoS需求或者等級的業(yè)務(wù)設(shè)置不同的閾值，且對閾值根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況周期更新，也就是讓信息在某一區(qū)域范圍內(nèi)交換信息，以減少信令開銷。

2.2.7 基于重分配策略的JAC算法

重分配策略是假定系統(tǒng)不能獲得支持用戶申請的優(yōu)先級較高的QoS所需的必要資源，則降低一些已接納低優(yōu)先級用戶的服務(wù)。文獻(xiàn)[11]中，提出的給每個用戶分配網(wǎng)絡(luò)資源，根據(jù)負(fù)載均衡策略，在保持負(fù)載平衡的同時，實(shí)現(xiàn)更好的用戶滿意度。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)目的在于充分發(fā)揮各網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，互相彌補(bǔ)不足，通過均衡各網(wǎng)絡(luò)間負(fù)載，接納更多的用戶請求，為用戶提供更好的服務(wù)。

2.2.8 基于多屬性策略的JAC算法

文獻(xiàn)[12]提出了多屬性決策策略，實(shí)質(zhì)是利用己有的決策信息通過一定的方式對多個決策候選方案進(jìn)行排序，并根據(jù)排序結(jié)果進(jìn)行擇優(yōu)采納。根據(jù)各屬性判斷復(fù)雜程度及決策結(jié)果的準(zhǔn)確性不同，將選用不同的判決策略，這樣針對不同屬性集合選取不同接納控制策略，在考慮多屬性同時能夠有效利用起相應(yīng)接納控制策略。

2.3 JAC算法總結(jié)

在異構(gòu)無線環(huán)境下，不同接入網(wǎng)絡(luò)的資源可用性、業(yè)務(wù)特征及用戶偏好等多方面參數(shù)，通過接納控制策略庫，對聯(lián)合接納控制綜合考慮多種接入判決參數(shù)，決策過程從傳統(tǒng)的單一屬性最優(yōu)化問題變成多屬性決策問題。

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的接納控制策略都著重強(qiáng)調(diào)網(wǎng)間協(xié)調(diào)，當(dāng)用戶業(yè)務(wù)請求到達(dá)時，多個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源協(xié)同分配，最終根據(jù)業(yè)務(wù)特征和網(wǎng)絡(luò)性能決定某一個網(wǎng)絡(luò)為用戶提供接入服務(wù)，而在用戶接入前期，應(yīng)設(shè)定必要的接納控制策略。針對不同業(yè)務(wù)的接入情況，可以防止高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS下降及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重，并避免用戶不斷發(fā)送接入請求而惡化系統(tǒng)性能。相信基于策略庫的無線資源管理系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮它簡單而集中的管理成效，用戶也將在未來的網(wǎng)絡(luò)中得到更為廣泛、更為高質(zhì)量的服務(wù)。

3 下一步發(fā)展與研究方向

基于策略庫的接納控制，很好地在聯(lián)合接納控制算法中得到體現(xiàn)，同時拓展了接納控制策略在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，但由于需要各網(wǎng)絡(luò)周期性地上報當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況并需要及時更新，這樣可能會帶來部分決策效率過低，對判決實(shí)時性得不到很好的保障。

在未來的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，策略庫還能有效應(yīng)用到無線資源管理里面，這將更好地為系統(tǒng)的資源管理提供借鑒，在很大程度上是有利于系統(tǒng)整體資源優(yōu)化配置。另外，不應(yīng)該忽視用戶所在的駐留網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)轳v留網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于聯(lián)合接納控制的一個前導(dǎo)及判別功能，能很好地收集來自用戶終端發(fā)送的業(yè)務(wù)請求和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況，為聯(lián)合接納控制實(shí)體減輕對業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)狀況的判決與協(xié)同工作，同時有利于提升了聯(lián)合接納控制實(shí)體的效率。

4 結(jié) 論

綜上所述，基于不同的接納控制策略，有利于聯(lián)合接納控制算法的研究和與性能分析，并在兩者之間以策略選擇機(jī)制為聯(lián)接點(diǎn)，較好地體現(xiàn)了策略庫所起的作用。由于事先根據(jù)相應(yīng)策略分類建立策略庫，這樣便于快速對用戶業(yè)務(wù)請求做出決策，同時為JAC判決提供依據(jù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該對多網(wǎng)絡(luò)間的業(yè)務(wù)處理所帶來的時延過大及信令交互過多的問題進(jìn)行考慮，這樣才能更好地提升用戶滿意度，使系統(tǒng)資源得到有效利用，并且給整體網(wǎng)絡(luò)帶來更好的穩(wěn)定性。

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