异构无线系统中一种改进的呼叫准入方案

王 伟,景志宏,陈 鹏

（空军工程大学电讯工程学院,西安 710077）

异构无线系统中一种改进的呼叫准入方案

王 伟,景志宏,陈 鹏

（空军工程大学电讯工程学院,西安 710077）

针对异构无线系统中上、下行业务需求不平衡引起的拥塞现象,提出了一种改进的呼叫准入方案。首先给出接入倾向度的概念,在接入时考虑用户的实际接入需求,并进一步提出了基于接入倾向度的呼叫准入改进方案,最后利用无差别曲线的方法确定接入倾向度的选择。仿真结果表明,改进后的方案在系统性能与用户公平性之间做到了较好折衷,具有较大的实用价值。

异构无线网络;资源管理;接入倾向度;呼叫准入控制

1 引 言

随着数据业务特别是多媒体业务逐渐成为无线网络的主要承载对象,未来异构无线系统不仅可以提供语音业务,而且可以提供数据、视频等多种业务。这些业务不像传统的语音业务,它们都存在上、下行的带宽需求不平衡现象[1]。由于业务的带宽需求不平衡,造成通信系统的上、下行负载不均衡。当新业务进入时,只要异构无线系统上、下行中有一个方向链路负载很高,就可能造成阻塞。而系统另一方向链路负载如果很低,就会造成带宽很大的浪费。为避免这种拥塞现象造成的资源浪费,必须在新业务到达时,从整体系统的上、下行负载的角度进行呼叫准入。

目前,已经有一些文献对此问题进行了阐述:文献[2]提出了基于Inter-link Load Balance（ILLB）的呼叫准入方案;文献[3]提出了一种业务区分的呼叫准入算法,并根据各种业务分配不同的优先级,同时动态分配带宽;文献[4]采用多维序列数据挖掘技术,预测移动用户精确位置,进行资源预留,从而进行呼叫准入;文献[5]提出分布式呼叫准入算法,采用可变边界策略,对于不同业务分配不同带宽;文献[6]运用联合呼叫准入,在维持QoS限制的条件下,最大化网络总收益。

虽然文献[2]指出在异构无线系统上、下行链路进行呼叫准入的必要性,并提出了方案。但在呼叫准入算法设计上,没有考虑用户的实际接入需求,而是把负载作为网络接入的唯一标准。链路的使用者即用户的实际接入需求没有得到考虑,丧失了公平。

本文针对此问题提出了一种改进的呼叫准入方案:在用户请求的业务接入时,同时考虑系统的性能和用户的实际接入情况。与文献[2]的明显区别在于,在该方案中采用接入倾向度,来使用户实际接入网络需求与接入网络情况接近一致,以求避免文献[2]的上述不足。

2 基于接入倾向度的呼叫准入改进方案

2.1 接入倾向度

本方案提出了接入倾向度的概念,即用户倾向接入何种网络的程度。以3G/HSPA和WiMAX为例,假设α为接入3G/HSPA的倾向度,则1-α就是接入W iMAX的倾向度,倾向度越小,越倾向于接入网络;倾向度越大,则越倾向于接入另一种网络。如α=0.1,接入 3G/HSPA的倾向度为 0.1,对于WiMAX的接入倾向度为 0.9,则倾向于接入3G/HSPA。α=0.5时接入两种网络倾向相同。

借鉴文献[7]中的垂直切换决定函数,确定影响接入倾向度的因素有:

（1）接入网络服务费用（C）:不同网络具有不同的网络服务费用,用户会倾向于选择接入费用小的网络进行接入;

（2）网络安全性（S）:当数据通过网络时,安全性好的网络更受欢迎;

（3）网络环境（D）:对于不同的网络,带宽不同,传输速度也不同。带宽大、传输速度快的网络,在实际的网络接入中,用户更倾向接入;

（4）网络特性（F）:不同的网络具有不同的网络特性,所受干扰不同,通话质量就不相同。在不同时刻,用户会要求不同的通话质量。

我们设定用户更倾向接入倾向度小的网络,所以给出网络i的接入倾向度αi的函数形式为

2.2 基于接入倾向度的呼叫准入改进方案

2.2.1 基于链路间负载均衡的呼叫准入算法

本方案的目标是充分考虑用户的实际需求,并保证系统性能和用户接入公平性的良好折衷。我们首先考虑文献[2]中的基于链路间负载均衡的呼叫准入算法。算法描述如下:

算法采用负载预测的方式,当新业务到达时,假设该业务接入异构系统的其中一种网络,预测会出现的上下行负载情况,并计算整体系统负载不平衡距离,再计算另一种网络的整体系统负载不平衡距离,比较两者大小,取小值接入该网络。这种算法从异构系统的整体负载考虑,动态调节了异构网络的上、下行负载。但方案只考虑系统的负载情况,用户对于网络的带宽、传输速率和喜好等实际接入需要没有得到考虑,难以确保网络接入时的最佳选择和用户的实际公平,这是基于链路间负载均衡的呼叫准入算法的一个重要问题。

2.2.2 利用接入倾向度改善用户接入公平性

我们在本方案中引入接入倾向度,以求改进实际接入的用户公平性。假设接入3G/HSPA的接入倾向度为α,引入接入倾向度后的算法改写如下:

当新业务接入3G/HSPA时,改进后的整体系统负载不平衡距离为

当新业务接入W iMAX时,改进后的整体系统负载不平衡距离为

式中,Δη1HSPA和 Δη1WiMAX分别为业务接入3G/HSPA后的3G/HSPA和WiMAX的负载不平衡距离,Δη2HSPA和 Δη2WiMAX分别为业务接入WiMAX后的3G/HSPA和WiMAX的负载不平衡距离。

当α为0.5时,表达式与原方案一致,可见原方案为本方案的特例。本方案引入接入倾向度后,充分考虑了实际的网络接入需要和用户的实际需求,可起到改善公平性的作用;并通过选取最佳接入倾向度,从而达到网络系统性能及用户接入公平性的良好折衷。

2.3 算法描述

算法描述主要包含以下几个步骤:

（1）当新业务到达时,根据用户实际接入需求和系统性能确定接入倾向度 α;

（2）预测3G/HSPA和WiMAX接入该业务后,分别计算改进后的整体系统负载不平衡距离L1和L2;

（3）判断L1和L2大小,新业务接入其中较小的网络;

（4）若接入的网络有足够资源,则准入该业务,否则拒绝该业务请求。

综合上述算法,整个呼叫准入方案流程如图1所示。

图1 呼叫准入方案流程图Fig.1 Flowchart of admission control scheme

3 仿真与分析

由于文献[2]已经验证了基于链路间负载均衡的呼叫准入算法对传统负载均衡的呼叫准入算法的优越性,本文的仿真主要针对系统性能和公平性这两项指标进行。

为了衡量接入3G/HSPA的接入倾向度 α对系统性能和接入情况的影响,分别取接入倾向度 α为0.1、0.4、0.5（原方案）的情况下对我们提出的改进的呼叫准入方案进行仿真。

仿真中采用3G/HSPA和WiMAX异构网络。其中,3G/HSPA的上、下行负载分别为40%和50%,WiMAX的上、下行负载分别为60%和50%。3G/HSPA的最大上、下行容量分别为5.76 Mbit/s和14.4 Mbit/s[8]。当下行与上行之比为 1∶1时,WiMAX的最大上、下行容量分别为7 Mbit/s和32Mbit/s[9]。

业务上、下行速率和业务分布分别如表1和表2所示[10]。

表1 服务要求Table 1 Service resources requirements

表2 服务分布场景Table 2 Service distribution Scenarios

3.1 接入倾向度的选取

接入倾向度 α是系统性能和公平性的折衷。对于它取值的选取,可以借助无差别曲线确定。

3.1.1 无差别曲线

如果甲占有c数量的X和d数量的Y（p）与占有b数量的X和a数量的Y（q）,对于甲是同样满意的,则p和q是无差别的。所有与它们具有同样满意程度的点组成的曲线MN叫做甲的一组无差别曲线[11],如图2所示。

将它记作:

式中,C1称为满意度。

同样,乙对于物品X和Y也有一组无差别曲线,记作:

图2 无差别曲线Fig.2 Indifference curve

3.1.2 利用无差别曲线确定接入倾向度 α的取值

利用文献[11]中的方法确定本方案的接入倾向度α,因为无差别曲线是希望物品X和Y增加的曲线,但用户和运营商分别希望接入倾向度和实际系统的阻塞率变为最小,所以设物品X和Y分别为用户希望的接入倾向度（由式（3）确定）和系统的阻塞率的倒数。甲为用户,乙为系统运营商。

由文献[11]可得,接入倾向度和实际系统的阻塞率的倒数的折衷点必定在曲线AB上。

图3 双方的无差别曲线和交换路径Fig.3 Indifference curve and exchange path of both sides

利用等价交换准则,即用户和系统运营商可以作为交换的接入倾向度和阻塞率的倒数c和d具有相同的价值。双方满意的交换方案必是cd与AB的交点p[11],从而可以确定接入倾向度α。

图4 等价交换确定的交换方案Fig.4 Exchange scheme of equal value

3.2 仿真结果

图5比较了改进后的算法在选取不同接入倾向度α情况下阻塞率情况。由图中可以看出在 α为0.1、0.4的阻塞率差别不大,但相对 α为0.5（原方案）时差距较大,从而猜想接入倾向度 α在0.5和0.4之间时,阻塞率上升,后趋于稳定。

图5 不同接入倾向度α的阻塞率Fig.5 Blocking rate of different α

基于此猜想,取接入倾向度α值为0.48、0.49、0.5（原方案）的情况下对我们提出的改进的呼叫准入方案进行仿真。图6示出了在接入倾向度α值为0.48、0.49、0.5（原方案）的情况下的阻塞率。

图6 接入倾向度 α取值为0.48、0.49、0.50时的阻塞率Fig.6 Blocking rate when α=0.48,0.49,0.50

由图5和图6可以看出,在接入倾向度α取值为0.5、0.49、0.48时,阻塞率逐渐上升,后来逐渐趋于稳定,所以由此可以确定接入倾向度α的大致范围。

图7示出了在接入倾向度 α值为0.48、0.49、0.5（原方案）的情况下的呼叫接入3G/HSPA的比例。由图中可以看出,在接入倾向度 α取值为0.5、0.49、0.48时,接入3G/HSPA的比例逐渐上升。

图7 不同接入倾向度的呼叫接入比例Fig.7 Access proportion of different α

综上所述,可以看出接入倾向度α在0.5和0.4之间逐渐减小时,阻塞率有所上升,在0.4附近趋于稳定。而业务接入3G/HSPA比例逐渐增加,用户的实际接入3G/HSPA的要求被满足,公平性得到体现。

综合公平性和系统性能方面的对比,可见本文弥补了原算法在公平性方面的不足,而阻塞率稍有增加,综合对比大致相当。本方案中的接入倾向度α起到一个调节器的作用,能够针对系统性能与用户实际接入需求起到平衡作用。

4 结束语

本文提出了一种基于接入倾向度的呼叫准入改进方案,利用接入倾向度,提高用户公平性。仿真证明本方案与原方案相比有大致相当的性能,而在公平性方面具备明显优势。本方案可用于未来异构无线系统的呼叫准入控制等领域,具有广阔的应用前景。

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JIANG Qi-yuan,XIE Jin-xing,YE Jun.Mathematical Modeling[M].Beijing:High Education Press,2003:38-40.（in Chinese）

An Improved Call Adm ission Control Scheme in Heterogeneous W ireless Networks

WANG Wei,JING Zhi-hong,CHEN Peng
（The Telecommunication Engineering Institute,Air Force Engineering University,Xi′an 710077,China）

An improved Call Admission Control（CAC）scheme is proposed to avoid the congestion due to the asymmetry of uplink and downlink service resource requirements.This scheme first proposes Access Preference Degree（APD）,which is used to consider the actual access demand of users.Then an improved CAC scheme based on APD is proposed.Finally,indifference curve is used to determ ine APD value.Numerical results demonstrate that the proposed scheme achieves a good tradeoff between system performance and user fairness,and it has preferable application value.

heterogeneous wireless network;resource management;access preference degree（APD）;call admission control（CAC）

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.015

1001-893X（2010）11-0071-05

2010-05-14;

2010-06-11

王 伟（1984-）,男,吉林图门人,2007年于空军工程大学获学士学位,现为硕士研究生,主要研究方向为无线资源管理;

WANG Wei was born in Tumen,Jilin Province,in 1984.He

the B.S.degree from Air Force Engineering University in 2007.He is now a graduate student.His research direction is radio resource management.

Email:soma1984@126.com

景志宏（1965-）,男,河北邢台人,副教授、硕士生导师,主要研究方向为移动通信、宽带无线接入、目标识别。

JING Zhi-hong was born in Xingtai,Hebei Province,in 1965.He is now an associate professor and also the supervisor of graduate student.His research interests include mobile communication,broad-band wireless access and target identification technique.