異構(gòu)蜂窩系統(tǒng)中動態(tài)聯(lián)合呼叫接納控制算法

凌毓?jié)?，吳建斌，劉俐?/p>

1.華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430079

2.華中師范大學(xué)國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心，武漢 430079

異構(gòu)蜂窩系統(tǒng)中動態(tài)聯(lián)合呼叫接納控制算法

凌毓?jié)?，吳建斌1，劉俐利2

1.華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430079

2.華中師范大學(xué)國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心，武漢 430079

1 引言

隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，逐漸形成了多種接入技術(shù)共存并相互融合的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)。在此背景下，為了能夠在保障服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）的同時提高無線資源的利用率，有必要對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)合無線資源管理。聯(lián)合呼叫接納控制（Joint Call Admission Control，JCAC）作為聯(lián)合無線資源管理機(jī)制的重要組成部分，已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[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(tǒng)是否接納到達(dá)的呼叫，還需確定系統(tǒng)中哪個無線網(wǎng)絡(luò)最適合接納該呼叫。

現(xiàn)有文獻(xiàn)已經(jīng)提出了多種JCAC算法。文獻(xiàn)[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(fèi)的JCAC算法，但該算法缺乏對系統(tǒng)整體性能的考慮，容易造成網(wǎng)絡(luò)間負(fù)載的不均衡，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)呼叫阻塞率和掉線率的上升。文獻(xiàn)[4]提出了一種以網(wǎng)絡(luò)為中心、基于負(fù)載均衡的JCAC算法，將到達(dá)的呼叫接入到負(fù)載最低的網(wǎng)絡(luò)；文獻(xiàn)[5]則提出了一種基于強(qiáng)制式負(fù)載均衡的JCAC算法，將負(fù)載較高網(wǎng)絡(luò)中的部分呼叫強(qiáng)制切換到負(fù)載較低網(wǎng)絡(luò)。但這兩種算法均缺乏對用戶偏好的考慮，其結(jié)果是用戶滿意度較低。文獻(xiàn)[6]提出的JCAC算法雖然兼顧了用戶和網(wǎng)絡(luò)雙方的利益，但沒有考慮到呼叫業(yè)務(wù)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(jī)制進(jìn)行分離的研究[7-8]，而這兩者之間實(shí)際上是相互聯(lián)系和影響的：一方面，接入選擇為接入控制提供目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)；另一方面，接入控制的結(jié)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(jī)制有機(jī)結(jié)合起來，設(shè)計了一種動態(tài)聯(lián)合呼叫接納控制（DJCAC）算法，在重視用戶偏好的同時改善系統(tǒng)的性能及用戶體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)模型與算法結(jié)構(gòu)

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

本文設(shè)計的DJCAC算法在如圖1所示的“聯(lián)合呼叫接納控制器”中實(shí)現(xiàn)。鑒于接入控制的結(jié)果會使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載發(fā)生改變，而不均衡的負(fù)載反過來又會影響接入選擇的決策，因此本算法借鑒經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域的價格調(diào)節(jié)作用，設(shè)計了一種動態(tài)定價機(jī)制，在獲取了反饋的各接入網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際呼叫到達(dá)率的基礎(chǔ)上，依據(jù)各網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況對其資費(fèi)進(jìn)行周期性的調(diào)整，從而對接入選擇決策施加影響，以利于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。同時，考慮到各種呼叫的優(yōu)先級不同，在接入控制環(huán)節(jié)設(shè)計了一種多級接入閾值的動態(tài)帶寬分配策略，以進(jìn)一步降低呼叫阻塞率及掉線率。

圖1 DJCAC算法結(jié)構(gòu)

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(lián)合呼叫接納控制器發(fā)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(wǎng)絡(luò)；之后，接入控制模塊根據(jù)所選網(wǎng)絡(luò)中可以動態(tài)分配給該呼叫的可用帶寬來確定是否接納該呼叫；最后，聯(lián)合呼叫接納控制器將決策結(jié)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(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及用戶的偏好為呼叫選擇最優(yōu)的接入網(wǎng)絡(luò)。

假設(shè)采用N個相互獨(dú)立的準(zhǔn)則（例如資費(fèi)、傳輸速率、功耗等）對異構(gòu)蜂窩系統(tǒng)中各接入網(wǎng)進(jìn)行評價，則對于系統(tǒng)中的M個候選網(wǎng)絡(luò)，可構(gòu)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(zhǔn)則n(n= 1,2,…,N)上的評價值。

對于不同用戶或業(yè)務(wù)類型，用戶偏好會有所差異，因而對各評價準(zhǔn)則所分配的權(quán)重也不同。若用表示對于用戶u的i類呼叫，分配給準(zhǔn)則n的權(quán)重，則N個準(zhǔn)則權(quán)重所構(gòu)成的權(quán)重向量為：

當(dāng)用戶u的i類呼叫到達(dá)時，采用TOPSIS法為其選擇最優(yōu)接入網(wǎng)，其具體計算步驟如下：

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

若準(zhǔn)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(yīng)的三角模糊數(shù)，然后再將這些模糊數(shù)轉(zhuǎn)換為清晰數(shù){0.110 7，0.3，0.5，0.7，0.833 3}[11]。

步驟2計算得到加權(quán)規(guī)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(zhǔn)則和成本型（即越小越好型）準(zhǔn)則的集合。

步驟4分別計算候選網(wǎng)絡(luò)m與正、負(fù)理想解的歐式距離：

步驟6確定取最大值的候選網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)接入網(wǎng)。

3.2 動態(tài)定價機(jī)制

由于網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)通常是用戶在選擇接入網(wǎng)時需要考慮的重要因素，因此將其作為接入網(wǎng)的評價準(zhǔn)則之一，通過采取動態(tài)的定價機(jī)制來平衡網(wǎng)絡(luò)間的負(fù)載，具體的設(shè)計思路描述如下：

動態(tài)定價模塊每隔一定周期T獲取系統(tǒng)各網(wǎng)絡(luò)中不同類型呼叫的實(shí)際到達(dá)率（接納率）以及相應(yīng)的可用帶寬，并據(jù)此計算各網(wǎng)絡(luò)的理想到達(dá)率以及下一周期的服務(wù)資費(fèi)，實(shí)現(xiàn)對各網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)的動態(tài)調(diào)整。需要說明的是，在呼叫以某一服務(wù)資費(fèi)接入到系統(tǒng)后，該呼叫的資費(fèi)將保持不變。

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載處于均衡分布時，在任一周期T內(nèi)，若到達(dá)系統(tǒng)的i類新呼叫和切換呼叫按照可用帶寬比例關(guān)系分流到各接入網(wǎng)絡(luò)中，則相應(yīng)的理想到達(dá)率可計算如下：

4 接入控制

4.1 多級接入閾值

假設(shè)系統(tǒng)支持三種業(yè)務(wù)類型：（1）i=1，固定比特率的實(shí)時業(yè)務(wù)（CBR），如話音和視頻電話；（2）i=2，可變比特率的實(shí)時業(yè)務(wù)（VBR），如視頻流；（3）i=3，非實(shí)時的可變比特率或沒有指定比特率的業(yè)務(wù)（UBR），如email和文件傳輸。由于VBR和UBR業(yè)務(wù)所需帶寬不固定，為便于分析，假定VBR和UBR業(yè)務(wù)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(yōu)先級。若從業(yè)務(wù)類型考慮，可根據(jù)上述三種業(yè)務(wù)類型的相關(guān)特性，設(shè)定CBR業(yè)務(wù)的優(yōu)先級最高，VBR業(yè)務(wù)次之，UBR業(yè)務(wù)的優(yōu)先級最低；若從用戶體驗(yàn)角度考慮，由于用戶移動或網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生改變而產(chǎn)生的切換呼叫，如果在切換過程中出現(xiàn)掉線，顯然比新呼叫發(fā)起時遇到阻塞更讓人難以接受，因而設(shè)定切換呼叫的優(yōu)先級高于新呼叫。為了盡量保證高優(yōu)先級呼叫的QoS，可采取多級接入閾值的方法，即：對優(yōu)先級越高的呼叫所設(shè)置的接入閾值越大；同時，為簡化算法，對CBR、VBR和UBR這三種業(yè)務(wù)類型的新呼叫設(shè)置相同的接入閾值，具體設(shè)置如下：

4.2 多閾值動態(tài)帶寬分配的接入控制算法

當(dāng)呼叫接入目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)時，為了降低阻塞率和掉線率，可根據(jù)該呼叫的種類以及目標(biāo)接入網(wǎng)的資源狀況，采取動態(tài)的帶寬分配策略。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)可用帶寬不足時，可按照業(yè)務(wù)優(yōu)先級由低到高的順序，對網(wǎng)絡(luò)中所占帶寬可減少的呼叫進(jìn)行適當(dāng)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(biāo)接入網(wǎng)中現(xiàn)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(yè)務(wù)類型或兩種業(yè)務(wù)類型的呼叫進(jìn)行降級處理，相應(yīng)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(shù)

為了評價本文算法的性能，現(xiàn)將其與文獻(xiàn)[12]提出的VIKOR-JCAC算法進(jìn)行比較。仿真環(huán)境中，異構(gòu)系統(tǒng)由RAN1、RAN2和RAN3這三種蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，呼叫業(yè)務(wù)類型包括CBR、VBR和UBR，價格更新周期T為10 min，具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

如表2所示，接入網(wǎng)的評價準(zhǔn)則包括資費(fèi)、傳輸速率和電池功耗。由于每隔一定周期會對資費(fèi)進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，因此，表2給出的是各接入網(wǎng)的初始資費(fèi)。同時，為了模擬真實(shí)的場景，對于每個到達(dá)系統(tǒng)的呼叫，為其隨機(jī)分配各評價準(zhǔn)則的權(quán)重。

表2 網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)

5.2 仿真結(jié)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(wǎng)絡(luò)的負(fù)載百分比。從圖中可以看出，對于VIKOR-JCAC算法，各網(wǎng)絡(luò)不均衡的負(fù)載并不會隨時間而有所改善；而對于DJCAC算法，各網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載會隨時間逐漸趨于均衡。其原因是，DJCAC算法采取了動態(tài)定價機(jī)制，可以根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況隨時間動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)資費(fèi)，從而逐漸平衡網(wǎng)絡(luò)間的業(yè)務(wù)負(fù)載。

圖6 網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(tài)定價機(jī)制，通過均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(tài)帶寬分配策略，可以進(jìn)一步降低阻塞率和掉線率。

圖7 呼叫阻塞率和掉線率

6 結(jié)束語

本文將接入選擇與接入控制機(jī)制有機(jī)結(jié)合起來，針對異構(gòu)蜂窩系統(tǒng)，設(shè)計了一種動態(tài)聯(lián)合呼叫接納控制算法。該算法采用TOPSIS法為系統(tǒng)中到達(dá)的呼叫選擇最優(yōu)接入網(wǎng)絡(luò)，提高了用戶的滿意度，通過動態(tài)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)均衡了系統(tǒng)的負(fù)載分布，采取多級接入閾值及動態(tài)帶寬分配策略進(jìn)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(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，從而提高系統(tǒng)的性能，但是會增加系統(tǒng)的計算負(fù)擔(dān)；此外，動態(tài)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(fù)雜度。因而下一步的工作重點(diǎn)將是進(jìn)一步簡化算法，提高其實(shí)用性。

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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(gòu)蜂窩系統(tǒng)的接納控制問題，設(shè)計了一種動態(tài)聯(lián)合呼叫接納控制算法。該算法采取TOPSIS法選擇最優(yōu)接入網(wǎng)，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載分布情況動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)，對用戶的接入選擇決策施加影響，以均衡網(wǎng)絡(luò)間負(fù)載；針對不同的呼叫優(yōu)先級，采取多級接入閾值及動態(tài)帶寬分配策略，在接入控制環(huán)節(jié)進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能及用戶體驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，該算法在重視用戶偏好的同時實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡，降低了呼叫阻塞率和掉線率。

異構(gòu)蜂窩系統(tǒng)；聯(lián)合呼叫接納控制；負(fù)載均衡；帶寬分配

A

TN929.52

10.3778/j.issn.1002-8331.1306-0044

國家自然科學(xué)基金（No.61074046/F030107）；華中師范大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)研究基金。

凌毓?jié)?976—），男，博士，講師，研究領(lǐng)域?yàn)楫悩?gòu)無線網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和雷達(dá)信號處理；劉俐利（1982—），女，講師，研究領(lǐng)域?yàn)樾畔⑻幚?。E-mail：infoccnu@163.com

2013-06-07

2013-07-23

1002-8331（2013）24-0088-05