異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中基于馬爾可夫決策過程的區(qū)分業(yè)務(wù)接納控制的研究

鄧強(qiáng)，陳山枝，胡博，時(shí)巖

（1. 北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；

2. 電信科學(xué)技術(shù)研究院 無線移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

1 引言

網(wǎng)絡(luò)融合已經(jīng)成為異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，各種異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍、資源管理和服務(wù)支持等方面具有良好的互補(bǔ)特性。作為2種使用最為廣泛的無線接入技術(shù)，CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠在大覆蓋范圍內(nèi)為高速移動(dòng)用戶提供低速率、低時(shí)延服務(wù)，而 WLAN則能夠在小覆蓋范圍內(nèi)為低速用戶提供高吞吐量服務(wù)[1]。在CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)或者WLAN中，接納控制機(jī)制研究的主要目標(biāo)是在保證用戶QoS的基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)容量，然而，由于這些機(jī)制沒有考慮其他網(wǎng)絡(luò)的狀況以及垂直切換問題，因此不能直接應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。另外異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接納控制還應(yīng)該對(duì)各種類型的業(yè)務(wù)要求進(jìn)行分析[2]，以便為不同類型的業(yè)務(wù)選擇最合適的接入網(wǎng)絡(luò)以滿足其QoS要求。因此，有效的接納控制機(jī)制應(yīng)該周期性地監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并結(jié)合用戶不同類型業(yè)務(wù)的QoS要求來做出最優(yōu)的接納控制策略，使得網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最大業(yè)務(wù)流量負(fù)載的同時(shí)滿足各類業(yè)務(wù)的QoS要求。

本文對(duì)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中區(qū)分業(yè)務(wù)類型的接納控制機(jī)制進(jìn)行研究。首先分析了 CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)和 WLAN中語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的容量區(qū)域。然后基于馬爾可夫決策過程[3]理論，提出異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中區(qū)分業(yè)務(wù)類型的接納控制模型，其中詳細(xì)定義了狀態(tài)空間、決策時(shí)刻和接納行為，并推導(dǎo)了系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，給出了性能標(biāo)準(zhǔn)的一般化表達(dá)形式。進(jìn)一步地，從用戶角度根據(jù)不同類型業(yè)務(wù)QoS要求及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)性能狀態(tài)，提出一種基于模糊邏輯的接納效用評(píng)估機(jī)制。最后在保證各類業(yè)務(wù)接入和切換成功率的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出接納效用最大的最優(yōu)接納控制策略。仿真結(jié)果證明了基于模糊邏輯的接納效用評(píng)估能夠有效反映網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化對(duì)各類業(yè)務(wù)接納控制的影響，而最優(yōu)接納控制機(jī)制能夠獲得最大平均接納效用，并能嚴(yán)格保證各類業(yè)務(wù)的接入和切換成功率。

2 相關(guān)工作

接納控制作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源管理的重要部分，直接影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源使用的有效性和用戶的QoS要求。已有大量專門用于CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)[4,5]或者 WLAN[6,7]的接納控制機(jī)制來提高系統(tǒng)容量同時(shí)保證服務(wù)質(zhì)量。最近的一些研究成果開始關(guān)注異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)選擇問題。在文獻(xiàn)[8]中，提出認(rèn)知無線電問題，認(rèn)知無線電技術(shù)在頻譜利用方面更具靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)更加均衡的系統(tǒng)負(fù)載。在文獻(xiàn)[9]中，提出一種基于效用的經(jīng)濟(jì)學(xué)模型來解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的資源分配和網(wǎng)絡(luò)選擇問題。在文獻(xiàn)[10]中，提出一種新的競價(jià)算法來獲取異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的無線信道。上述文獻(xiàn)雖然考慮了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，但關(guān)注重點(diǎn)仍然是其中某一特定網(wǎng)絡(luò)的接納決策問題。為充分利用CDMA/WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互補(bǔ)特性，研究人員開始在考慮整個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)條件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)綜合、有效的接納控制機(jī)制。在文獻(xiàn)[11]中，研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中3種基于測量的接納控制算法，通過比較業(yè)務(wù)需求和測量獲得的系統(tǒng)資源限制來決定是否接納該業(yè)務(wù)請(qǐng)求。在文獻(xiàn)[12]中，推導(dǎo)了蜂窩網(wǎng)絡(luò)和 WLAN中語音和數(shù)據(jù)流量的接納區(qū)域，接納控制策略考慮了不同網(wǎng)絡(luò)對(duì)QoS不同的支持能力，并能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)總資源利用率的最大化。

3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型及容量區(qū)域分析

考慮實(shí)際部署中典型的WLAN/CDMA異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（如圖1所示）及流量模型，將CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)劃分成 CDMA區(qū)域和 WLAN區(qū)域，WLAN區(qū)域內(nèi)的用戶可以接入到WLAN和CDMA網(wǎng)絡(luò)，而CDMA區(qū)域內(nèi)的用戶只能接入到CDMA網(wǎng)絡(luò)。本文將重點(diǎn)關(guān)注目前廣泛使用的2類典型業(yè)務(wù)：語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為便于后續(xù)馬爾可夫決策過程的推導(dǎo)，假設(shè)新語音業(yè)務(wù)按照泊松到達(dá)率為λc,n,v和λw,n,v的速度進(jìn)入到CDMA區(qū)域和WLAN區(qū)域，新數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的到達(dá)率也近似為泊松過程，進(jìn)入CDMA區(qū)域和WLAN區(qū)域的到達(dá)率為λc,n,d和λw,n,d?？紤]到用戶移動(dòng)性，假設(shè) CDMA網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)按照泊松到達(dá)率為 μc,h,d的速度垂直切換到WLAN，WLAN中的語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分別按照泊松到達(dá)率為 μw,h,v和 μw,h,d的速度垂直切換到CDMA網(wǎng)絡(luò)。由于CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠嚴(yán)格保證語音業(yè)務(wù)的時(shí)延要求且為減小切換給語音業(yè)務(wù)帶來的性能下降，這里假設(shè)語音業(yè)務(wù)在從 CDMA區(qū)域移動(dòng)到 WLAN區(qū)域過程中不進(jìn)行垂直切換。CDMA網(wǎng)絡(luò)中語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的駐留時(shí)間服從平均值為1/μc,t,v和1/μc,t,d的指數(shù)分布，WLAN中語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的駐留時(shí)間服從平均值為1/μw,t,v和 1/μw,t,d的指數(shù)分布。

圖1 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 WLAN容量區(qū)域分析

假設(shè)WLAN中接納了 nvw語音業(yè)務(wù)用戶和 ndw數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶，語音業(yè)務(wù)的平均分組速率為定值 λvp，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分組速率與網(wǎng)絡(luò)中的語音業(yè)務(wù)數(shù)量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)量有關(guān)，因此數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分組速率可以表示為 λdp( nvw, ndw)。在飽和狀態(tài)下，λdp( nvw, ndw)等于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流分組服務(wù)率 ξdw( nvw, ndw)，λvp等于語音業(yè)務(wù)流分組服務(wù)率 ξvw( nvw, ndw)；在非飽和狀態(tài)下，當(dāng)分組服務(wù)率大于分組速率以及分組沖突概率非常小時(shí)，將足以滿足語音業(yè)務(wù)的時(shí)延要求和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的吞吐量要求，即語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的容量區(qū)域滿足以下條件：

在某個(gè)時(shí)間片內(nèi)，語音分組與數(shù)據(jù)分組/語音分組沖突的概率為

其中，

τv和τd為該時(shí)間片內(nèi)語音業(yè)務(wù)流和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流的傳輸概率[13]，可以表示為

其中， W = C Wmin+1， C Wmin表示初始退避窗口，在IEEE 802.11中為31，m表示最大重傳次數(shù)，m '表示最大退避次數(shù)。在某個(gè)時(shí)間片內(nèi)數(shù)據(jù)分組沖突概率為

基于文獻(xiàn)[14,15]分析，進(jìn)一步可以得到

基于式(1)～式(6)，可以通過遞歸的方法推導(dǎo)出語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分組服務(wù)率ξvw( nvw, ndw)和 ξdw( nvw, ndw)，以及語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的容量區(qū)域 ( nvw, ndw)。

3.2 CDMA蜂窩容量區(qū)域分析

假設(shè)CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)中有語音和數(shù)據(jù)2種類型的業(yè)務(wù)，語音業(yè)務(wù)通過專用信道(DCH)進(jìn)行傳輸，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過下行共享信道進(jìn)行傳輸(DSCH)。Web瀏覽等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可能導(dǎo)致上行和下行鏈路負(fù)載不對(duì)稱，這里將重點(diǎn)分析下行鏈路容量。CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠接納的業(yè)務(wù)數(shù)量受限于比特信噪比 EbN0，網(wǎng)絡(luò)能同時(shí)容納的最大語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)可以通過蜂窩負(fù)載因子ηDL[16]來計(jì)算

其中， nvc和 nvd分別表示語音業(yè)務(wù)數(shù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)量，ρ表示正交因子， fDL表示蜂窩間干擾與用戶接收端測量到的蜂窩內(nèi)總功率的比值，Wc表示蜂窩總帶寬，Rbc,v和Rbc,v分別表示語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的比特速率，αv表示語音業(yè)務(wù)活動(dòng)因子，(EbN0)v和(EbN0)d分別表示語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的比特信噪比要求?；景l(fā)射功率限制等價(jià)于蜂窩負(fù)載因子限制。

其中，

其中，Lp,i表示第i個(gè)用戶的路徑損耗，Pp表示通用控制信道的功率，PN表示背景噪聲功率，PT,max表示基站最大發(fā)射功率。通過式(7)～式(9)，可以推導(dǎo)出 CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)中語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的容量區(qū)域 ( nvc, ndc)。

4 基于馬爾可夫決策過程的區(qū)分業(yè)務(wù)接納控制模型

本節(jié)將異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中區(qū)分業(yè)務(wù)的接納控制問題建模為一個(gè)馬爾可夫決策過程系統(tǒng)模型。當(dāng)不同業(yè)務(wù)類型的新用戶和垂直切換用戶到達(dá)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商根據(jù)當(dāng)前各接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)(state space)和用戶的業(yè)務(wù)類型做出相應(yīng)的接納控制決策，包括是否接納該用戶以及接納到何種網(wǎng)絡(luò)。在馬爾可夫決策過程模型中，這些時(shí)間點(diǎn)被稱為決策時(shí)刻(decision epochs)，而相應(yīng)的接納控制決策被稱為行為(actions)。本文的性能目標(biāo)(performance criterion)是在保證各類業(yè)務(wù)接入成功率和切換成功率的前提(constraints)下，找出使得單位時(shí)間平均接納效用最大的最優(yōu)接納控制策略(policy)。

4.1 狀態(tài)空間

定義 1 在決策時(shí)刻t，CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)向量可以用語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的數(shù)量表示為xc(t) =[nc,v( t),nc,d(t )]，WLAN狀態(tài)向量可以用語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的數(shù)量表示為 xw( t) =[nw,v(t),nw,d(t)]，則CDMA/WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的狀態(tài)空間X可以表示為

其中，nvc，ndc，nvw和 ndw為第1節(jié)中推導(dǎo)出的CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)和 WLAN語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的容量區(qū)域。

4.2 決策時(shí)刻和接納行為

每當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新的或者垂直切換到該接入網(wǎng)絡(luò)的語音業(yè)務(wù)或者數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和X用戶的業(yè)務(wù)類型做出相應(yīng)的接納控制決策，這些時(shí)刻就是馬爾可夫決策過程中的決策時(shí)刻。值得注意的是，當(dāng)有語音業(yè)務(wù)或者數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)離開網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)X同樣會(huì)發(fā)生變化。因此，將所有業(yè)務(wù)到達(dá)和離開的時(shí)刻定義為決策時(shí)刻 tk( k = 0 ,1,2,…)，并令 t0= 0 。在每一個(gè)決策時(shí)刻 tk，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商都會(huì)為在時(shí)間間隔 (tk, tk+1]內(nèi)到達(dá)的語音業(yè)務(wù)或者數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)做出接納決策，在馬爾可夫決策過程中，這些決策統(tǒng)稱為行為。

定義2 在決策時(shí)刻t，CDMA/WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中接納控制行為可以表示為

ac,n(tk)， ac,h(tk)， aw,n(tk)和 aw,h(tk)分別定義如下。

在決策時(shí)刻t，CDMA區(qū)域中新到達(dá)語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接納控制行為：

如果ac,n,v(tk)=1 (ac,n,d(tk)=1)，表示在時(shí)間間隔(tk,tk+1]內(nèi)到達(dá)CDMA區(qū)域的語音業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))將被接納到CDMA網(wǎng)絡(luò)中；如果ac,n,v(tk)=0 (ac,n,d(tk)=0)，表示將拒絕該語音業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))的接入請(qǐng)求。

在決策時(shí)刻t，從 WLAN區(qū)域垂直切換到CDMA區(qū)域的語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接納控制行為：

如果 ac,h,v(tk)=1 (ac,h,d(tk)=1)，表示在時(shí)間間隔(tk，tk+1]內(nèi)垂直切換到 CDMA 區(qū)域的語音業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))將被接納到CDMA網(wǎng)絡(luò)中；如果ac,h,v(tk)=0(ac,h,d(tk)=0)，表示將拒絕該語音業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))的接入請(qǐng)求。

在決策時(shí)刻t，WLAN區(qū)域中新到達(dá)語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接納控制行為：

如果 aw,n,v(tk)=1，表示在時(shí)間間隔(tk,tk+1]內(nèi)到達(dá) WLAN區(qū)域的語音業(yè)務(wù)將被接納到CDMA網(wǎng)絡(luò)中；如果aw,n,v(tk)=-1，表示將被接納到WLAN中；如果aw,n,v(tk)=0，表示將拒絕該語音業(yè)務(wù)的接入請(qǐng)求。

如果aw,n,d(tk)=1，表示在時(shí)間間隔(tk, tk+1]內(nèi)到達(dá) WLAN區(qū)域的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將被接納到 WLAN中；如果 aw,n,d(tk)=-1，表示將被接納到 CDMA網(wǎng)絡(luò)中；如果 aw,n,d(tk)=0，表示將拒絕該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入請(qǐng)求。

為減小切換給語音業(yè)務(wù)帶來的時(shí)延，規(guī)定語音業(yè)務(wù)在從CDMA區(qū)域移動(dòng)到WLAN區(qū)域的過程中不進(jìn)行垂直切換。

在決策時(shí)刻t，從 CDMA區(qū)域垂直切換到WLAN區(qū)域的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接納控制行為：

如果aw,h,d(tk)=1，表示在時(shí)間間隔(tk, tk+1]內(nèi)垂直切換到 WLAN區(qū)域的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將被接納到WLAN中；如果aw,h,d(tk)=0，表示該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)繼續(xù)停留在CDMA網(wǎng)絡(luò)中。

定義 3 CDMA/WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接納控制行為空間可以表示為

對(duì)于任一給定狀態(tài)x∈X，采取的接納控制行為所產(chǎn)生的新狀態(tài)都應(yīng)該在狀態(tài)空間X中。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài) x = ( 0,0,… ,0)時(shí)，為保證馬爾可夫決策過程能夠持續(xù)進(jìn)行，規(guī)定禁止采用接納控制行為a= ( 0,0,… ,0)。

定義4 給定狀態(tài)x∈X，其接納控制行為空間可以表示為

其中，行向量 evu(edu)表示只有語音業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))對(duì)應(yīng)的元素值為 1，其余為 0。 xc+evu( xc+edu)表示CDMA網(wǎng)絡(luò)中語音業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))的數(shù)量加1，xw+evu( xw+edu)表示W(wǎng)LAN中語音業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))的數(shù)量加1。

4.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率

在馬爾可夫決策過程中，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化可以用嵌入式馬爾可夫鏈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率和期望逗留時(shí)間來表示：

如果新到達(dá)和垂直切換語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能夠被接納到CDMA網(wǎng)絡(luò)和WLAN中，則總業(yè)務(wù)到達(dá)率為，總業(yè)務(wù)離開率為總累積事件速率為總業(yè)務(wù)到達(dá)率與總業(yè)務(wù)離開率之和。

定義 5 期望逗留時(shí)間為總累積事件速率的倒數(shù)，可以表示為

根據(jù)泊松過程的分解性質(zhì)：某類事件(如新語音業(yè)務(wù)到達(dá))發(fā)生的概率等于該類事件的發(fā)生率與總累積事件發(fā)生率1/τx(a)的比值，由此得到如下定義。

定義 6 CDMA/WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率

4.4 策略和性能標(biāo)準(zhǔn)

定義7 對(duì)每一個(gè)給定狀態(tài)x∈X，根據(jù)策略u(píng)x∈U來選擇接納控制行為a∈Ax，其中，U為接納控制策略集合，可以表示為

定義 8 本文中，選用平均效用標(biāo)準(zhǔn)作為馬爾可夫決策過程的性能標(biāo)準(zhǔn)，在下一節(jié)將對(duì)接納效用展開詳細(xì)闡述。對(duì)于任一策略u(píng)∈U及初始狀態(tài)x0，平均效用可以表示為

其中，T表示馬爾可夫決策過程從開始到結(jié)束的時(shí)間，r( x ( t) , a ( t))表示在狀態(tài) x ( t)選擇行為 a ( t)時(shí)在該決策時(shí)間段內(nèi)所產(chǎn)生的期望效用。本文的目標(biāo)是，對(duì)于任意初始狀態(tài) x0，找到一個(gè)最優(yōu)接納控制策略 u*，使得平均效用 Ju(x0)最大。

5 基于模糊的接納效用評(píng)估及最優(yōu)接納控制策略

不同類型業(yè)務(wù)具有不同的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求。語音業(yè)務(wù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及時(shí)延抖動(dòng)較為敏感，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則更關(guān)注帶寬和誤碼率。在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，多樣業(yè)務(wù)可以充分利用各接入網(wǎng)絡(luò)的互補(bǔ)特性，CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)的集中式架構(gòu)能夠有效為語音業(yè)務(wù)提供嚴(yán)格的時(shí)延保證，而 WLAN能夠?yàn)閿?shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供較高的帶寬。用戶可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)QoS要求和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和性能，對(duì)接入的滿意度，也即效用進(jìn)行評(píng)估，該效用反映了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)對(duì)各種業(yè)務(wù)的支持能力，而網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商通過接納控制機(jī)制使用戶的平均效用值最大。本節(jié)首先將基于模糊邏輯對(duì)用戶的接納效用進(jìn)行評(píng)估，然后將其用于求解最優(yōu)接納控制策略。

5.1 基于模糊邏輯的接納效用評(píng)估機(jī)制

評(píng)估性能指標(biāo)包括當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時(shí)延(DL)、抖動(dòng)(JT)、帶寬(BW)和誤碼率(BER)，根據(jù)語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不同的性能要求，將評(píng)估因素集合表示為其中，表示時(shí)延和抖動(dòng)，表示帶寬和誤碼率。用戶針對(duì)CDMA網(wǎng)絡(luò)和WLAN的各個(gè)性能指標(biāo)對(duì)接入效用進(jìn)行評(píng)估，采用模糊模型Mamdani[17]并且將評(píng)估結(jié)果分為 5個(gè)級(jí)別：非常高(VH, very high)、高(H,high)、中等(M, medium)、低(L, low)和非常低(VL,very low)，該評(píng)估集合可以表示為E = {VH, H, M, L,VL}。DL、JT、BW和BER的隸屬函數(shù)用三角和梯形函數(shù)表示，如圖2所示，根據(jù)3GPP TS 22.105[3]中對(duì)各類業(yè)務(wù)QoS的規(guī)定，將各指標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置如下：(DLvh, DLh, DLm, DLl, DLvl) = (30ms, 100ms,150ms, 250ms, 400ms)，(JTvh, JTh, JTm, JTl, JTvl) =(1ms, 2ms, 3ms, 4ms, 5ms)，(BWvl, BWl, BWm, BWh, BWvh)=(4kbit/s, 25kbit/s, 60kbit/s, 128kbit/s, 384kbit/s)，

(BERvh, BERh, BERm, BERl, BWRvl) = (10-8, 10-7, 10-5,10-4, 10-3)。

圖2 時(shí)延、抖動(dòng)、帶寬及誤碼率隸屬函數(shù)

評(píng)估因素集合中共有 4個(gè)評(píng)價(jià)接納效用的因素?？赏ㄟ^這些因素構(gòu)建效用評(píng)估矩陣。U1的 u11和u12與評(píng)估集合E可以構(gòu)成一個(gè)2×5的矩陣R1，同理，U2的u21和u22與評(píng)估集合E可以構(gòu)成一個(gè)2×5的矩陣R2。

其中，rij是因素ui對(duì)評(píng)估集合ej的隸屬關(guān)系。不同業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)QoS的要求各不相同，語音業(yè)務(wù)更關(guān)注時(shí)延和抖動(dòng)，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)更注重帶寬和誤碼率，因此需要對(duì)各個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配。假定權(quán)重向量 A = (a1,a2)，A1= (a11, a12)和 A2= (a21, a22)，其中，A表示評(píng)估因素集U1和U2的權(quán)重向量，Ai是評(píng)估因素集Ui(i = 1, 2)的權(quán)重向量。綜合評(píng)估可以用式(20)表示：

其中，算子“°”是M(·,⊕)，“·”表示a·b =a×b=a b 且“⊕”表示 a⊕ b =m in(a +b ,1)。因此，B可以表示為

其中，C1、C2、C3、C4、C5是VH、H、M、L 和 VL的得分百分比。評(píng)估向量E用數(shù)值向量Y表示為

定義 9 基于模糊邏輯的綜合評(píng)估接納效用值可通過如下式進(jìn)行計(jì)算。

其中，“°”|表示算子 M(·,+)。

5.2 最優(yōu)接納控制策略

定義8給出了平均效用的形式化表達(dá)式，這里結(jié)合式(23)接納效用評(píng)估值。

定義10 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)x和接納控制行為a，區(qū)分業(yè)務(wù)的接納控制效用函數(shù)可以表示為

其中，rc,n,v(rc,n,d)和rc,h,v(rc,h,d)為CDMA網(wǎng)絡(luò)中接納新到達(dá)語音業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))和垂直切換語音業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))的效用，rw,n,v(rw,n,d)和rw,h,d為WLAN中接納新到達(dá)語音業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))和垂直切換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的效用。值得注意的是，接納行為和接納效用均取決于業(yè)務(wù)類型和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

此外，對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來說，可以對(duì)不同類型業(yè)務(wù)限制不同的阻塞概率上限來優(yōu)化接納控制。例如，相對(duì)于新到達(dá)業(yè)務(wù)來說，垂直切換業(yè)務(wù)受到阻塞會(huì)令用戶更加難以忍受，因此，需要將垂直切換業(yè)務(wù)的阻塞概率限制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。本文中，將阻塞概率作為基于馬爾可夫決策過程的接納控制的限制條件。

定義11 對(duì)于所有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)x∈X及接納控制行為 a∈Ax，最大接納效用可表示為

限制條件

利用線性規(guī)劃(linear programming)來求解上述最優(yōu)接納控制策略 u*。其中zxa(x∈X和a ∈ Ax)為決策變量， zxaτx(a)表示系統(tǒng)處于狀態(tài)x并且選擇接納行為a的穩(wěn)態(tài)概率。第1個(gè)限制條件為平衡等式，第2個(gè)限制條件保證穩(wěn)態(tài)概率之和為1，第3到第6個(gè)限制條件分別為CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)中新到達(dá)和垂直切換語音業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))，WLAN中新到達(dá)語音業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))以及垂直切換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的阻塞概率限制條件。 zx*a表示LP的最優(yōu)解，最優(yōu)接納控制策略 u*按照下述方法進(jìn)行構(gòu)建：對(duì)任意a∈Ax，如果z*xa＞0，則u*(x)=a；對(duì)所有a∈Ax，如果z*xa= 0 ，則選擇任意一個(gè)a∈Ax，并設(shè)u*(x)=a。LP的復(fù)雜性是基于決策變量個(gè)數(shù)的多項(xiàng)式復(fù)雜度，通過內(nèi)點(diǎn)算法可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)完成。

6 仿真模型和性能分析

6.1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有一個(gè)WLAN AP，考慮目前廣泛使用的語音和數(shù)據(jù)2種典型業(yè)務(wù)。語音業(yè)務(wù)總到達(dá)率λn,v=λc,n,v+λw,n,v，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)總到達(dá)率 λn,d=λc,n,d+λw,n,d，考慮到目前CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)仍以語音業(yè)務(wù)為主，WLAN則主要支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，假設(shè)總語音業(yè)務(wù)70%到達(dá)CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中，總數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)70%到達(dá)WLAN區(qū)域中。CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)區(qū)域和WLAN區(qū)域中語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的終止率 μc,t和 μw,t均為 0.005，CDMA 區(qū)域中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的切換速率 μc,h,d=0.004，WLAN中語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的切換速率μw,h,v和μw,h,d均為0.000 5。仿真基于MATLAB和NS-2，利用NS-2中的MIH[18]模塊來獲取網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)并根據(jù)業(yè)務(wù)類型對(duì)接納效用做出評(píng)估，考慮到語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)關(guān)注的性能指標(biāo)不同，設(shè)置語音業(yè)務(wù)的模糊評(píng)估權(quán)重向量A = (0.8, 0.2)，A1= (0.6, 0.4)，A2= (0.5, 0.5)；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的模糊評(píng)估權(quán)重向量A =(0.2, 0.8)，A1= (0.5, 0.5)，A2= (0.7, 0.3)。最優(yōu)接納控制策略通過 MATLAB優(yōu)化工具箱中的Linprog求解，同時(shí)比較的還有不區(qū)分業(yè)務(wù)類型的接納控制和不支持用戶移動(dòng)性的接納控制2種機(jī)制，在不區(qū)分業(yè)務(wù)類型的接納控制機(jī)制中，CDMA區(qū)域中的所有業(yè)務(wù)均接入到 CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)，WLAN區(qū)域中的所有業(yè)務(wù)均接入到WLAN；不支持移動(dòng)性指的是接納控制只發(fā)生在 CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)或者WLAN，不支持2個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的垂直切換。根據(jù)文中第 2節(jié)對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的分析，推導(dǎo)CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)和 WLAN中語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的容量區(qū)域，CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)和 WLAN的詳細(xì)性能參數(shù)見表 1。其中，WLAN性能參數(shù)參考了廣泛使用的IEEE 802.11 DCF標(biāo)準(zhǔn)[19]。

表1 仿真參數(shù)

6.2 性能分析

如圖3所示，隨著語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達(dá)率由0.005增加到0.035，基于馬爾可夫決策過程的最優(yōu)接納控制機(jī)制獲得的平均效用總是大于其他2種機(jī)制，不支持移動(dòng)性的接納控制機(jī)制獲得的平均效用最小。對(duì)語音業(yè)務(wù)來說，隨著業(yè)務(wù)到達(dá)率的增加，WLAN由于業(yè)務(wù)數(shù)量的增加而導(dǎo)致競爭加劇，無法為語音業(yè)務(wù)提供嚴(yán)格的時(shí)延保證，導(dǎo)致用戶的接納效用降低，而 CDMA網(wǎng)絡(luò)能夠更好地滿足其時(shí)延和抖動(dòng)性能要求，最優(yōu)接納控制機(jī)制通過為語音用戶選擇 CDMA網(wǎng)絡(luò)而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)效用值最大化，而不區(qū)分業(yè)務(wù)的接納控制機(jī)制無法根據(jù)接納效用為用戶選擇接入網(wǎng)絡(luò)，不支持移動(dòng)性的接納控制由于掉話率增加而使接納效用進(jìn)一步降低；對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說，CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)為每一個(gè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分配的帶寬是一樣的，而當(dāng) WLAN業(yè)務(wù)數(shù)量較少時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能夠分配到更多的帶寬，從而提高用戶的接納效用，最優(yōu)接納控制機(jī)制通過將數(shù)據(jù)用戶接入到WLAN中而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)效用值最大化。

圖3 語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平均效用對(duì)比

圖4 和圖5顯示了語音用戶和數(shù)據(jù)用戶的移動(dòng)性給接納效用帶來的影響。由于語音業(yè)務(wù)不進(jìn)行CDMA網(wǎng)絡(luò)到WLAN的垂直切換，因此這里只考查WLAN中語音用戶移動(dòng)性，從圖4中可以看出，隨著WLAN中語音用戶垂直切換率的增加，最優(yōu)接納控制機(jī)制獲得的接納效用值始終明顯優(yōu)于其他 2種機(jī)制。在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面，CDMA網(wǎng)絡(luò)與WLAN之間的雙向切換同時(shí)存在，由于WLAN中用戶移動(dòng)速率相對(duì)較低，因此假設(shè) μw,h,d=μc,h,d/5，圖 5顯示隨著CDMA網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)切換率的增加最優(yōu)接納控制機(jī)制的效用值始終最大且效用增益逐漸增加。

圖4 語音業(yè)務(wù)效用增益與WLAN中切換率的關(guān)系

圖5 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)效用增益與CDMA中切換率的關(guān)系

最優(yōu)接納控制機(jī)制除了在接納效用方面優(yōu)于其他2種機(jī)制外，還能夠保證語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)阻塞概率不超過設(shè)定目標(biāo)值。如圖6(a)所示，隨著語音業(yè)務(wù)到達(dá)率的增加，阻塞概率將不斷增大，當(dāng)業(yè)務(wù)到達(dá)率超過0.02時(shí)，最優(yōu)接納控制機(jī)制通過設(shè)置阻塞概率上限，可以將新到達(dá)語音業(yè)務(wù)的阻塞概率控制在5%以內(nèi)，而其他2種機(jī)制的阻塞概率則呈近似線性增長趨勢；圖6(b)顯示的是從WLAN垂直切換到 CDMA網(wǎng)絡(luò)的語音業(yè)務(wù)的阻塞概率，不支持移動(dòng)性的接納控制的阻塞概率始終為 1，隨著語音業(yè)務(wù)到達(dá)率的增加，不區(qū)分業(yè)務(wù)類型的接納控制的阻塞概率快速增長，而最優(yōu)接納控制機(jī)制的阻塞概率可以限定在 1%以內(nèi)。在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面，如圖7(a)所示，不區(qū)分業(yè)務(wù)類型的接納控制機(jī)制除了需要接納新到達(dá)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)外，還要接納 CDMA網(wǎng)絡(luò)切換過來的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此阻塞概率始終高于不支持移動(dòng)性的接納控制機(jī)制，最優(yōu)接納控制機(jī)制的阻塞概率最小且被限定在5%以下。如圖7(b)所示。與語音業(yè)務(wù)類似。不支持移動(dòng)性的接納控制機(jī)制的垂直切換阻塞概率為 1，最優(yōu)接納控制機(jī)制的垂直切換阻塞概率最小且低于0.01。

圖6 CDMA網(wǎng)絡(luò)中新到達(dá)語音業(yè)務(wù)和垂直切換語音業(yè)務(wù)阻塞概率

圖7 WLAN中新到達(dá)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和垂直切換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)阻塞概率

7 結(jié)束語

本文對(duì)于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中區(qū)分業(yè)務(wù)類型的接納控制機(jī)制進(jìn)行了研究，基于馬爾可夫決策過程理論定義了不同類型業(yè)務(wù)接納控制行為并推導(dǎo)了系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，分析了不同類型業(yè)務(wù)在不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)條件下的接納效用，最終推導(dǎo)出使接納效用最大的最優(yōu)控制策略?；谀：壿嫷慕蛹{效用評(píng)估機(jī)制充分考慮了不同類型業(yè)務(wù) QoS要求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。最優(yōu)接納控制機(jī)制能夠在保證各類業(yè)務(wù)接入和切換成功率的基礎(chǔ)上最大化平均接納效用。通過驗(yàn)證分析表明，基于模糊邏輯的接納效用評(píng)估能夠有效反映網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化對(duì)接納控制的影響，而最優(yōu)接納控制機(jī)制能夠獲得最大平均接納效用，并能嚴(yán)格保證各類業(yè)務(wù)的接入和切換成功率。

[1] BUDDHIKOT M, CHANDRANMENON G, HAN S, et al. Integration of 802.11 and third-generation wireless data networks[A]. Proc IEEE INFOCOM[C]. 2003. 503-512.

[2] SONG W, JIANG H, ZHUANG W, et al. Call admission control for integrated voice/data services in cellular/WLAN interworking[A].IEEE International Conference on Communications (ICC)[C]. 2006.5480-5485.

[3] HU Q Y, LIU J Y. An Introduction to Markov Decision Processes[M].Xidian Press, 2000.125-158.

[4] RAMJEE R, NAGARAJAN R, TOWSLEY D. On optimal call admission control in cellular networks[A]. Proc IEEE INFOCOM[C]. 1996.43-50.

[5] ZHANG H, FANG X M. Pricing and game theory based admission control scheme[J]. Journal on Communications, 2008,29(7):94-102.

[6] GAO D, CAI J, NGAN K N. Admission control in IEEE 802.11e wireless LANs[J]. IEEE Network, 2005, 19(4):6-13.

[7] CHEN M X, LIU G, ZHU G X. Utility based call admission control in WLAN[J]. ACTA Electronic Sinica, 2008, 36(7):1429-1434.

[8] MALDONADO D, LE B, HUGINE A, et al. Cognitive radio applications to dynamic spectrum allocation: a discussion and an illustrative example[A]. First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN 2005)[C]. 2005.597-600.

[9] CHAN H, FAN P, CAO Z. A utility-based network selection scheme for multiple services in heterogeneous networks[A]. International Conference on Wireless Networks, Communications and Mobile Computing[C]. 2005.1175-1180.

[10] SURI N R, NARAHARI Y. An auction algorithm for procuring wireless channel in a heterogeneous wireless network[A]. IEEE IFIP International Conference on Wireless and Optical Communications Networks[C]. 2006. 1-5.

[11] LAI Y C, TSAI S F. Unfairness of measurement-based admission controls in a heterogeneous environment[A]. International Conference on Parallel and Distributed Systems (ICPADS)[C]. 2001. 667-674.

[12] SONG W, ZHUANG W. QoS provisioning via admission control in cellular/wireless LAN interworking[A]. International Conference on Broadband Networks[C]. 2005. 543-550.

[13] WU H, PENG Y, LONG K, et al. Performance of reliable transport protocol over IEEE 802.11 wireless LAN: analysis and enhancement[A]. Proc IEEE INFOCOM[C]. 2002. 599-607.

[14] TICKOO O, SIKDAR B. A queueing model for finite load IEEE 802.11 random access MAC[A]. Proc IEEE ICC[C]. 2004.175-179.

[15] CAI L X, SHEN X, MARK J W, et al. Voice capacity analysis of WLAN with unbalanced traffic[J]. IEEE Trans Veh Technol, 2006,55(3):752-761.

[16] PéREZ-ROMERO J, SALLENT O, AGUSTI R, et al. Radio Resource Management Strategies in UMTS[M]. New York: Wiley, 2005.

[17] PEDRYCZ W, GOMIDE F. An Introduction to Fuzzy Sets Analysis and Design[M]. MIT Press, 1998.

[18] IEEE 802.11 media independent handover working group[EB/OL].http://www.ieee802.org/21/.

[19] ANSI/IEEE Std 802.11. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications[S]. 1999.