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) 計算機與信息學(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功能實體分別定義了CRRM與JRRM功能實體，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行分類，并建立相應(yīng)策略庫，根據(jù)策略選擇機制，對聯(lián)合接納控制算法進行分析，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，并且容易觸發(fā)用戶終端進行網(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)計好壞與否，不僅關(guān)系到用戶體驗和服務(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)進行接納（見圖1）。

圖1分析，策略判決點根據(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，策略判決點從策略庫中提取接入控制的策略參數(shù)進行接納判決，把判決結(jié)果交由策略執(zhí)行點執(zhí)行。同時JAC實體，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，以此來實現(xiàn)高性能、穩(wěn)定度、可擴展的接納控制。

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

綜上可知，當(dāng)新用戶業(yè)務(wù)請求到達時，多個網(wǎng)絡(luò)間進行資源協(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實體通過策略選擇機制，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)請求到達時，需要對業(yè)務(wù)進行接納控制，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)策略選擇機制，從策略庫中選擇相應(yīng)接納控制策略，由JAC實體進行決策判決接納。

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[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際中應(yīng)用。

在文獻[8]中，提出的負載均衡不是指網(wǎng)絡(luò)間完全的負載均衡，而是事先設(shè)定一個負載門限，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)間負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[9]，依據(jù)業(yè)務(wù)類型不同，對業(yè)務(wù)進行優(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)計目標(biāo)之一是如何在各層之間進行負載均衡的問題，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)的特點不同，需要在各層設(shè)計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，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?？梢钥闯?，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)計的方法，這樣避免了單獨采用瀏覽量與統(tǒng)計所帶來的不確定性。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，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)本地測量信息來進行判斷，而不與其它區(qū)域進行信息交互；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[10]提出的基于帶寬預(yù)留策略中，預(yù)先對帶寬門限值進行設(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[11]中，提出的給每個用戶分配網(wǎng)絡(luò)資源，根據(jù)負載均衡策略，在保持負載平衡的同時，實現(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，互相彌補不足，通過均衡各網(wǎng)絡(luò)間負載，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[12]提出了多屬性決策策略，實質(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行排序，并根據(jù)排序結(jié)果進行擇優(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調(diào)網(wǎng)間協(xié)調(diào)，當(dāng)用戶業(yè)務(wù)請求到達時，多個網(wǎng)絡(luò)進行資源協(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)，因為駐留網(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制為聯(lián)接點，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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