基于CDMA的網(wǎng)絡(luò)接納允許控制算法仿真與性能分析

張婷

（安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系 安徽合肥 230011）

一、引言

盡管CDMA系統(tǒng)已經(jīng)逐漸淡出通信市場的視線，但是在過去很多解決問題的方法方式仍然值得研究和反思[1]。何南等人通過VB編程結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫優(yōu)化CDMA移動通信中話務(wù)統(tǒng)計軟件，降低各業(yè)務(wù)部門之間的差錯率[2]。黃大晴等人提出了一種CDMAPA匹配的方法和思路，能夠很好的兼容Skyworks公司軟件的多頻電路[3]。同時，通過一個完善的呼叫接納控制策略，能在做出最小犧牲的情況下，充分的利用無線網(wǎng)絡(luò)資源，將有限的資源合理的分配于諸多任務(wù)請求，提高系統(tǒng)效率[4]。黃生葉等人利用容量縮放因子的動態(tài)調(diào)整特性，提出了可支持多速率VBR業(yè)務(wù)系統(tǒng)的呼叫接納控制策略，有效提高了各類業(yè)務(wù)的吞吐量[5]。前人的研究的CAC算法中，僅針對語音、視頻、數(shù)據(jù)三類業(yè)務(wù)。這樣簡單的分類是片面的，已經(jīng)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。所以，需要根據(jù)3GPP的標(biāo)準(zhǔn)將業(yè)務(wù)進(jìn)行詳細(xì)分類后，再考慮合適的呼叫接納控制策略。本文針對多業(yè)務(wù)CDMA系統(tǒng)，分析了一種CAC策略。該策略主要針對語音、視頻、交互類數(shù)據(jù)和背景類數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)進(jìn)行資源分配的優(yōu)化。本文對此進(jìn)行了系統(tǒng)的分析、設(shè)計、仿真和總結(jié)。

二、基于剩余容量的動態(tài)呼叫接納控制算法

（一）系統(tǒng)剩余容量分析

CDMA系統(tǒng)中用戶i的信噪比為：

其中，第i個用戶的功率為Si，傳輸速率為Ri，系統(tǒng)帶寬為W，總體干擾為IT。設(shè)IL為小區(qū)內(nèi)干擾，第2層干擾為I2，I2為小區(qū)內(nèi)干擾的f倍，f為常數(shù)。則有：

用戶i接入必須滿足條件：

γi為第i個用戶的目標(biāo)信噪比。由(4)可得：

為便于求解S*，令(5)左右兩邊相等，得到如下矩陣：

功率不能是負(fù)值，因此有：

其中話音激活因子為αv，由(8)可以得到：

其中v1(n),v2(n),v3(n),v4(n)分別是第n個定時周期語音用戶、視頻用戶、交互式數(shù)據(jù)用戶和背景類數(shù)據(jù)用戶數(shù)。分別令

定義第n定時周期內(nèi)系統(tǒng)歸一化剩余容量π(n)為：

（二）呼叫接納控制算法策略要求。不同多媒體業(yè)務(wù)之間存在優(yōu)先級先后差異。語音和視頻業(yè)務(wù)對實(shí)時性要求較高不允許延遲時間過長。當(dāng)剩余容量不達(dá)要求時，可以以門限速率傳輸視頻業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可接受一定的延遲但二者均不能產(chǎn)生誤碼，否則將進(jìn)行重傳。在進(jìn)行CAC時，盡量滿足高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS要求。為保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS要求，不影響其正常接入，在執(zhí)行業(yè)務(wù)前需保留部分資源以便補(bǔ)充。例如，當(dāng)運(yùn)行資源不夠時，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)將占據(jù)低優(yōu)先級業(yè)務(wù)資源，低優(yōu)先級業(yè)務(wù)則進(jìn)行降級執(zhí)行。

同時本文分析的CAC策略是基于系統(tǒng)剩余容量和預(yù)留資源的。系統(tǒng)歸一化容量為1。當(dāng)有新呼叫到達(dá)時，首先假設(shè)建立新呼叫連接和估計已建立連接過后的系統(tǒng)剩余容量，然后再對剩余用量以及門限值進(jìn)行比較。當(dāng)剩余容量〉門限值時，接受呼叫；當(dāng)剩余容量≤門限值時，可以對低優(yōu)先級業(yè)務(wù)資源進(jìn)行剝奪，再進(jìn)行剩余資源的評估。視頻和交互類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)剝奪資源過程和語音業(yè)務(wù)是一樣的。另外背景類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源不足時，采取的處理辦法有所不同。可將其進(jìn)行緩沖排隊計時，但業(yè)務(wù)排隊時間不是無限的，如果超過規(guī)定時間還沒有足夠的剩余資源則需要將其阻塞掉；若在計時結(jié)束之前系統(tǒng)空余出足夠的剩余資源，則允許建立連接。因此，CAC策略如圖1所示。

圖1 四種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)CAC策略執(zhí)行流程

（三）呼叫接納控制算法性能指標(biāo)。為了全方位反映系統(tǒng)的性能情況，分別選擇了阻塞率、中斷率、系統(tǒng)延遲以及服務(wù)等級等四個性能作為指標(biāo)進(jìn)行測試。定義系統(tǒng)中斷率為：

其中，num{x}表示事件x發(fā)生的總次數(shù)，T為總的仿真次數(shù)，thres為各業(yè)務(wù)剩余容量門限。為簡化起見本文只考慮阻塞率和系統(tǒng)中斷率，因此阻塞率與中斷率的加權(quán)評估指標(biāo)GoS：

其中PB為阻塞率，且m+n=1。

三、仿真與結(jié)果分析

（一）仿真設(shè)計。為了驗(yàn)證CAC算法的有效性，本文分別設(shè)計四種不同類型的通訊業(yè)務(wù)，具體的參數(shù)如表1所示。

表1 四類業(yè)務(wù)參數(shù)

通過MATLAB程序設(shè)置了每種業(yè)務(wù)的數(shù)目、總的用戶數(shù)目、到達(dá)率、語音速率和數(shù)據(jù)速率。其中包括：（1）程序運(yùn)行所需要的四種用戶類型，包括語音、視頻、交互類、背景類等，采用相同的辦法生存矩陣。矩陣共九列，依次代表：到達(dá)時間、服務(wù)時間、結(jié)束時間、用戶類型、是否被掛起、服務(wù)速率、是否結(jié)束、是否將用戶掛起和一個唯一的標(biāo)志碼。結(jié)束時間等于到達(dá)時間加上服務(wù)時間。（2）語音用戶具有最高優(yōu)先級，在資源不足時可以剝奪其他業(yè)務(wù)資源，例如數(shù)據(jù)用戶的優(yōu)先級較低，若視頻用戶無法接入不足也可以占用數(shù)據(jù)用戶資源供自身使用。

（二）仿真結(jié)果。通過使用MATLAB進(jìn)行仿真得出結(jié)果，如圖2-圖5所示。其中，圖2為四類業(yè)務(wù)的阻塞率圖形，從圖中可以看到背景類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)擁有最低的阻塞率。如圖3所示，可以得知當(dāng)資源不足的時候時，背景類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將被放入緩沖隊列，阻塞率和緩沖時間呈負(fù)相關(guān)，緩沖時間越長阻塞率就越低。圖3為四類業(yè)務(wù)的中斷率圖形，中斷率結(jié)果完全符合前文所述各類業(yè)務(wù)的QoS優(yōu)先級定義。語音類業(yè)務(wù)的中斷率為零，視頻類業(yè)務(wù)與交互類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)次之，最高中斷率為背景類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因?yàn)槠渌麡I(yè)務(wù)可以剝奪其占有資源。圖4為背景類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的平均延遲，由于語音類業(yè)務(wù)與視頻類業(yè)務(wù)對傳輸實(shí)時性要求較高，不像數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)允許較高的延遲，尤其是背景類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。故為滿足高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS要求，背景類業(yè)務(wù)有較高延遲是合理的。圖5為GoS圖形，為得到對比結(jié)果，取了兩組數(shù)據(jù)分別為：m=0.5、n=0.5；m=0.3、n=0.7。比較m、n的值，由圖像得知阻塞率對系統(tǒng)GoS影響比中斷率更大。

圖2 四類業(yè)務(wù)的阻塞率圖形

圖3 四類業(yè)務(wù)的中斷率圖形

圖4 背景類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的平均延遲

圖5 GoS圖形

綜上所述，本文所設(shè)計的呼叫接納控制策略對系統(tǒng)性能具有較大改善效果。

四、結(jié)論

呼叫接納控制是CDMA系統(tǒng)無線資源管理的重要環(huán)節(jié)之一，可以維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)容量并防止過載。文中基于剩余容量的CAC算法，充分考慮了多種不同優(yōu)先級任務(wù)的情況下，得出了理想的結(jié)果。在接納更多新用戶的同時，已建立用戶的中斷率有所降低，保障通訊的正常進(jìn)行。在切換發(fā)生時，優(yōu)先考慮切換用戶業(yè)務(wù)的穩(wěn)定。從結(jié)果可以看到，不同優(yōu)先級用戶在通信過程中有不同的地位，各項(xiàng)性能指標(biāo)有所不同?？偟膩碚f，本文分析的基于剩余容量的CAC策略能有效地改善系統(tǒng)性能。