基于業(yè)務類別的聯合呼叫接納控制算法

王艷敏

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

基于業(yè)務類別的聯合呼叫接納控制算法

王艷敏

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

提出了一種基于業(yè)務類別的聯合呼叫控制算法。在網絡接入選擇時，實時業(yè)務相對于非實時業(yè)務來說，應該盡可能地減少切換次數、降低切換時延。非實時業(yè)務要求較高的數據傳輸速率，而對時延不敏感。因此，在兩個網絡資源都足夠的情況下，實時業(yè)務首選接入蜂窩網絡，非實時業(yè)務首選接入WLAN。仿真并分析了異構網絡中呼叫接納控制算法性能的重要指標：新業(yè)務阻塞率。仿真結果表明，所提算法考慮了負載均衡，有效地利用了系統(tǒng)中的資源，提高了系統(tǒng)中的資源利用率，新業(yè)務阻塞率明顯降低。

異構無線網絡；聯合呼叫接納控制；業(yè)務類別；新業(yè)務阻塞率

0 引言

隨著無線技術的不斷發(fā)展，未來通信網絡將越來越趨于異構化，多種無線接入技術(RAT)將會出現長期共存的現象，因此如何充分利用不同網絡間的互補特性來實現異構網線網絡技術的有機融合，如何使得任何用戶在任何地點、任何時間都能獲得具有QoS(服務質量)保證的服務，都需要投入大量的研究。

聯合呼叫接納控制是指在異構無線網絡中，根據融合業(yè)務的需求、無線資源的變化、系統(tǒng)負載的調整以及用戶的偏好，為具有接入多種網絡能力的移動終端選擇最合適的接入網絡，并在網絡端充分協(xié)調各種網絡資源，在保證業(yè)務QoS的前提下，最大限度地接收用戶接入請求，以實現資源的優(yōu)化配置。是保證QoS和減少網絡擁塞的重要機制。理想的接納控制策略可以平衡不同網絡之間的網絡負載，進而減少不同網絡之間的資源調度。

在異構無線網絡中，由于不同類型的無線接入系統(tǒng)在資源分配策略、業(yè)務類型、可用帶寬以及QoS協(xié)商機制等方面都有不同之處，因此它們各自采用的接入控制策略也會有著很大的差別。不同的無線接入網絡的地理位置相互交錯重疊，因此呼叫類型也將更加復雜。

衡量聯合呼叫接納控制算法的重要指標有：網絡負載狀況、新呼叫阻塞率、切換呼叫中斷率、網絡吞吐量、網絡資源的利用率、服務質量等。在異構無線網絡中，用戶對業(yè)務的需求也將更加多樣化，不同業(yè)務對時延、丟包率、抖動、業(yè)務帶寬等 QoS 要求也不相同。本文主要研究基于業(yè)務類別的聯合呼叫接納控制算法，把業(yè)務類型分為兩種，即實時業(yè)務和非實時業(yè)務，根據業(yè)務特性選擇最合適的接入網絡，使業(yè)務能夠在較適合自身特性的網絡中傳輸。

1 相關研究

當前一些主要的聯合呼叫接納控制算法如下。

(1)基于用戶偏好的聯合呼叫接納控制算法

此類算法一般以業(yè)務類型、業(yè)務花費、服務質量作為參數，對于網絡融合的背景沒有限制，適用于多網絡、多運營商的場景，對于資源的利用率一般，能使用戶比較滿意，計算的開銷比較大，對移動終端的要求高，實施起來比較困難。文獻[1]提出異構網絡中基于用戶滿意度的資源分配，提出一個框架，建立運營商為投標方，用戶為買家，由第三方來代理拍賣，最終由用戶選擇滿足用戶偏好和應用具體要求的網絡。該算法每次投標都需要進行計算收益值并且計算比較復雜，另外對移動終端的要求也比較高，目前比較難以實施。

(2)基于負載均衡的聯合呼叫接納控制算法

此類算法一般以負載均衡、業(yè)務類型作為參數，適用于包括不對稱業(yè)務比較多的網絡，如LTE和WiMAX融合系統(tǒng)，對于資源的利用率非常高，但不能使用戶滿意，計算開銷一般，實施起來比較容易。文獻[2]提出了一種異構網絡負載均衡算法，合理分配網絡帶寬并調節(jié)適當的參數，實現了異構網絡的負載均衡。該算法對于資源利用比較充分，但是忽略了對用戶偏好的滿足。

(3)基于模糊邏輯的聯合呼叫接納控制算法

該算法引入模糊邏輯理論，是智能計算中較為常見的一種算法。此類算法一般考慮負載均衡、用戶偏好、業(yè)務類型，對于資源的利用率較好，能使用戶比較滿意，計算開銷比較大，算法比較復雜。文獻[3]提出一種基于模糊邏輯的呼叫接入控制算法，考慮到用戶的移動性、網絡負載、用戶滿意度等參數，從候選網絡中選擇最佳的接入網絡，但此類算法太過復雜，而且主觀性過大。

(4)基于業(yè)務類別的聯合呼叫接納控制算法

此類算法一般考慮負載均衡、業(yè)務類別、服務質量作為參數，適用于承載不同業(yè)務特性的網絡，如4G和WLAN融合網絡，對于資源的利用率和用戶滿意度一般，計算開銷比較小，也比較容易進行部署。接下來將詳細介紹基于業(yè)務類別的聯合呼叫接納控制算法。

2 系統(tǒng)模型

下一代無線網絡環(huán)境是寬帶移動無線接入和異構分布的網絡，是各種無線接入技術的異構融合，強調不同系統(tǒng)之間的互聯互通。異構無線網絡的互聯互通方案有兩種：緊耦合模式和松耦合模式。本文考慮到4G和WLAN在覆蓋范圍和接入帶寬上有不同的優(yōu)勢和局限性，它們之間可以相互補充，滿足不同的用戶需求，因此采用兩種網絡緊耦合的方式為用戶提供無縫的連接，其系統(tǒng)的仿真場景示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)場景示意圖

在該場景中，在地理位置上主要包括兩類區(qū)域：4G蜂窩小區(qū)(4G蜂窩網絡單一覆蓋的區(qū)域)和WLAN小區(qū)(4G蜂窩網絡和WLAN網絡重疊覆蓋區(qū)域)。本文假設4G蜂窩網絡之間的水平切換處于平衡狀態(tài)，不考慮4G蜂窩網絡間的水平切換問題。4G蜂窩網絡覆蓋范圍較廣，WLAN具有高帶寬和高速率，但是其覆蓋范圍有限。而網絡承載有兩大類業(yè)務：實時業(yè)務和非實時業(yè)務。

3 基于業(yè)務類別的聯合呼叫控制算法(BDS-JCAC算法)

在4G/WLAN的異構融合網絡中，多模終端既可以接入4G蜂窩網絡中，也可以接入到 WLAN 網絡中?；跇I(yè)務類別的聯合呼叫接納控制機制主要有以下三點任務：(1)要保證接入用戶的服務質量，當網絡中的資源足以接入用戶業(yè)務時，允許接入;(2)要保證當前正在進行的業(yè)務的服務質量不受新接入的業(yè)務的影響;(3)要保證各個網絡的負載均衡，避免造成系統(tǒng)資源利用率低的情況。

本文提出一種基于業(yè)務類別的聯合呼叫接納控制算法(BDS-JCAC算法)。考慮兩種業(yè)務類型：實時業(yè)務和非實時業(yè)務，并且假設4G蜂窩網絡中的新呼叫在整個呼叫過程中都保持靜止或者低速移動的狀態(tài)，即不考慮4G蜂窩網絡之間的水平切換問題。在4G/WLAN的異構融合網絡中，移動終端的接收信號強度與其距離基站的大小有關，距離越大，接收信號強度越小。在移動終端運動的過程中，要判斷移動終端處于何種網絡之中就必須判斷移動終端的位置，設定移動終端在4G蜂窩網絡和WLAN網絡重疊覆蓋區(qū)域邊界所接收的信號強度為接收信號強度的門限值，當移動終端的接收信號強度小于門限值時，則其處于4G蜂窩網絡單一覆蓋的區(qū)域，反之，則處于4G蜂窩網絡和WLAN網絡重疊覆蓋區(qū)域。下面分別考慮實時業(yè)務和非實時業(yè)務的具體接入控制流程。

(1)實時業(yè)務：當到達的新業(yè)務為實時業(yè)務時，優(yōu)先考慮4G蜂窩網絡，具體的接納控制流程如圖2所示，具體描述如下：

圖2 實時業(yè)務接納控制流程圖

①移動終端判斷4G蜂窩網絡的網絡負載值，若此時4G蜂窩網絡的網絡負載允許接入該用戶業(yè)務，則接入該業(yè)務；反之，進行下一步判斷。

②移動終端根據其接收信號強度判斷其所處的網絡區(qū)域，若此時是4G蜂窩網絡單一覆蓋的區(qū)域，則阻塞該業(yè)務；反之，進入下一步判斷。

③移動終端判斷WLAN網絡的網絡負載值，若此時WLAN網絡的負載允許接入一些業(yè)務，則移動終端首先嘗試將4G蜂窩網絡的部分非實時業(yè)務切換到WLAN網絡中，若切換成功，則再進行第一步判斷，嘗試在4G蜂窩網絡中接入該業(yè)務；若沒有切換成功，則根據WLAN網絡的網絡負載值判斷WLAN網絡是否允許接入該用戶業(yè)務，若允許，則接入該業(yè)務，反之則阻塞該業(yè)務。

基站實時監(jiān)測4G蜂窩網絡和WLAN網絡的負載狀況。當檢測到4G蜂窩網絡的網絡負載變輕而WLAN網絡過載時，為了使用戶獲得更好的服務質量，將在WLAN網絡中的實時業(yè)務切換回4G蜂窩網絡。當有多個移動終端需要切換時，選擇移動速度較快的優(yōu)先進行切換。

(2)非實時業(yè)務：當到達的新業(yè)務為非實時業(yè)務時，優(yōu)先考慮WLAN網絡，具體的接納控制流程如圖3所示，具體描述如下：

①移動終端根據其接收信號強度判斷其所處的網絡區(qū)域。若此時是4G蜂窩網絡單一覆蓋的區(qū)域，移動終端先判斷4G蜂窩網絡的網絡負載值，若此時4G蜂窩網絡的網絡負載允許接入該用戶業(yè)務，則接入該業(yè)務；反之，則阻塞該業(yè)務。若此時是4G蜂窩網絡和WLAN網絡重疊覆蓋區(qū)域，則進入下一步判斷。

②移動終端判斷WLAN網絡的網絡負載值，若此時WLAN網絡的網絡負載允許接入該用戶業(yè)務，則接入該業(yè)務；反之，進行下一步判斷。

③移動終端判斷4G蜂窩網絡的網絡負載值，若此時4G蜂窩網絡的負載允許接入一些業(yè)務，則移動終端首先嘗試將WLAN網絡的部分實時業(yè)務切換到4G網絡中，若切換成功，則再進行第二步判斷，嘗試在WLAN網絡中接入該業(yè)務；若沒有切換成功，則根據4G蜂窩網絡的網絡負載值判斷4G蜂窩網絡是否允許接入該用戶業(yè)務，若允許，則接入該業(yè)務，反之則阻塞該業(yè)務。

圖3 非實時業(yè)務接納控制流程圖

基站實時監(jiān)測4G蜂窩網絡和WLAN網絡的負載狀況。當檢測到WLAN網絡的網絡負載變輕而4G蜂窩網絡的網絡過載，為了使用戶獲得更好的服務質量，將在4G蜂窩網絡中的非實時業(yè)務切換回WLAN網絡。當有多個移動終端需要切換時，選擇移動速度較慢的優(yōu)先進行切換。

4 仿真與分析

設置仿真場景為4G/WLAN的異構融合網絡，見圖1。在該場景中，設定4G蜂窩網絡的覆蓋區(qū)域半徑為1 km，WLAN網絡的覆蓋區(qū)域半徑為150 m，4G蜂窩網絡的帶寬為7.2 Mb/s，WLAN網絡的帶寬為11 Mb/s。用戶均勻地分布在圖1中網絡所覆蓋的區(qū)域，用戶使用的業(yè)務分為實時業(yè)務和非實時業(yè)務，業(yè)務的到達過程服從泊松分布。移動終端的速度設定為低速和高速兩種。移動終端的接收信號強度與發(fā)送方和接收方的距離有關，參考第3節(jié)的無線傳輸信道模型，其中μ=0，δ=3。

當一個新業(yè)務到達時，根據實時業(yè)務或者非實時業(yè)務接納控制流程進行判斷，BDS-JCAC算法與未進行業(yè)務類別區(qū)分的JCAC算法的新業(yè)務阻塞率對比圖如圖4所示。從圖4可以看出，當業(yè)務到達率比較低時，新業(yè)務阻塞率都為0，此時系統(tǒng)中4G蜂窩網絡和WLAN網絡都有充足的容量來接納新業(yè)務，所以沒有新業(yè)務阻塞率，而此時也看不出BDS-JCAC算法的優(yōu)勢。接下來隨著業(yè)務到達率的不斷提高，兩種算法的新業(yè)務阻塞率也在不斷提高，而對于相同的業(yè)務到達率，BDS-JCAC算法的新業(yè)務阻塞率明顯低于未進行業(yè)務類別區(qū)分的JCAC算法。這是因為，BDS-JCAC算法考慮到了負載均衡，有效利用系統(tǒng)中的資源，提高了系統(tǒng)中的資源利用率。

圖4 新業(yè)務阻塞率的對比圖

系統(tǒng)的網絡負載變化對比圖如圖5所示。從圖5可以看出，當業(yè)務到達率比較低時，兩種算法的網絡負載情況相同，此時系統(tǒng)中4G蜂窩網絡和WLAN網絡負載較輕，都有充足的容量來接納新業(yè)務，所以新業(yè)務都能被接納，而此時也看不出BDS-JCAC算法的優(yōu)勢。接下來隨著業(yè)務到達率的不斷提高，兩種算法的網絡負載也在不斷提高，也有了差距。對于相同的業(yè)務到達率，BDS-JCAC算法的網絡負載明顯高于未進行業(yè)務類別區(qū)分的JCAC算法。這是因為，BDS-JCAC算法考慮到了負載均衡，使得系統(tǒng)能夠接納更多的業(yè)務，從而充分利用了系統(tǒng)容量，提高了系統(tǒng)中的資源利用率。

圖5 系統(tǒng)網絡負載變化對比圖

5 結論

本文首先介紹了基于業(yè)務類別的聯合呼叫接納控制算法的系統(tǒng)模型，接著分實時業(yè)務和非實時業(yè)務分別介紹了基于業(yè)務類別的聯合呼叫接納控制算法的算法原理，最后仿真分析了BDS-JCAC算法的有效性和性能，并與未進行業(yè)務類別區(qū)分的JCAC算法進行對比，著重根據不同的業(yè)務到達率，研究新業(yè)務阻塞率以及網絡負載的變化。仿真表明，BDS-JCAC算法考慮了負載均衡，有效地利用了系統(tǒng)中的資源，提高了系統(tǒng)中的資源利用率。

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A joint call admission control algorithm based on business categories

Wang Yanmin

(College of Telecommunications & Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

This paper presents a joint call admission control algorthm based on business categories. When selecting the network access, real-time services, with respect to the non-real-time services, should reduce the switching frequency as far as possible to reduce handover delay. Non-real-time services require higher data transfer rate and are delay-insensitive. Thus when the two network resources are sufficient, real-time services access to a cellular network of first choice, and non-real-time services prefer wireless local area networks. The blocking probability of new business—the important indicator of admission control algorithm is analyzed in heterogeneous network. Simulation results show that the proposed algorithm takes into account load balancing, effectively uses resources in the system and improves resource utilization of the system, and blocking probability of new business is significantly lower than others.

heterogeneous wireless network; joint call admission control; business categories; blocking probability of new business

TN915.6

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.019

王艷敏. 基于業(yè)務類別的聯合呼叫接納控制算法[J].微型機與應用，2016,35(24)：66-69.

2016-07-29)

王艷敏(1989-)，女，碩士，主要研究方向：移動無線通信。