卫星异构网中的呼叫接入控制技术研究

徐力 杨剑飞 解放军理工大学通信工程学院 210007

卫星异构网中的呼叫接入控制技术研究

徐力 杨剑飞 解放军理工大学通信工程学院 210007

文章主要对比分析了无呼叫溢出接入、随机接入以及基于负载均衡的呼叫接入三种方案，并对异构网系统进行了呼叫阻塞率性能仿真。证实了基于负载均衡的异构网接入方式能有效的降低系统的呼叫阻塞概率，提升了系统的整体接入性能。

异构网络；负载均衡；呼叫接入控制

在多个异构网络重叠覆盖的卫星通信系统中，多模终端能够根据当前网络状况自由选择合适的网络进行通信，有效地提高了卫星通信的组网效率和资源利用率。但是，如果当大量用户集中偏向于某一网络，就有可能会造成该网络由于拥塞而影响后续业务正常接入的情况发生。此时，若系统采用一定的负载均衡（LB，load balancing）技术，将呼叫转移到其他网络中，就能够有效的解决该类问题的发生。例如，当卫星宽带网负载较重的时候，就可以将一般的话音、传真、短消息等业务转移到窄带网中去，以便网络能够接入新的宽带业务呼叫。

不同卫星网络所面向的主要业务类型是有所区别的，如卫星窄带网可以很好地支持话音类业务，为其提供良好的QoS保证；卫星宽带网通常用来传输需要更大带宽和更高数据传输速率的宽带多媒体业务；而抗干扰网由于受资源限制，所以一般都只是用于受干扰非常严重的通信环境。随着卫星通信的发展，各网系之间的融合，多模终端的使用将会是一种必然，在这种条件下，如果将重负载网络中不受限制的呼叫转移到重叠覆盖的轻负载网络中，则空出的信道资源就能提供给受限制的呼叫使用，从而有效地降低了系统的呼叫阻塞概率，整个异构系统的资源利用率得到进一步提高。

由于战时通信存在热点地区，即该地区的通信设备会大量密集分布，通信业务量迅速增加，会导致用户呼叫阻塞概率和切换呼叫掉线概率增大等问题，而其他地区的业务量却很少，这样就形成了有的地区资源十分紧张而有的地区却有大量资源闲置的局面，造成了系统资源的浪费。若在卫星网络中引入负载均衡，将有助于只能接入某一种网络的受限制呼叫和其他呼叫能够随时接入到卫星通信系统中。所以，卫星异构网络之间的呼叫接入控制技术研究具有十分重要的现实意义。

1 概述

1.1 系统模型

图1给出了卫星异构网的系统结构，该异构系统由窄带网A和宽带网B构成，其中A网的容量比B网的容量要小。当各网络中的负载发生较大变化的时候，网控中心通过一定的策略对各网络之间的负载进行集中、统一控制。由于GEO卫星的覆盖面积非常大，所以在实际应用中可以假设两个网络是基本重合的，且暂不考虑因移动出现用户离开波束覆盖范围的情况。

图1 异构重叠网络的结构示意图

1.2 业务接入方案介绍

为了简单起见，假设网络中传输的业务都是具有固定带宽需求的实时业务，新到达的呼叫均服从泊松分布。其中，窄带网中的低速新呼叫平均到达率为，宽带网中的高速新呼叫平均达到率，呼叫持续时间服从负指数分布，高速和低速呼叫平均持续时间都为。下面对可能的业务入网方案进行简单介绍以下：

（1）无呼叫溢出方案

呼叫只能在单一的网络中进行接入，这也是目前卫星通信网络的现状，即各网络只能传输自身的业务。以高速的宽带业务为例，当新呼叫产生时，若系统中剩余的资源可供新呼叫正常通信时，则接入该呼叫请求，否则拒绝。

该方案存在的问题是：两个网络中的资源不能共享，可能会出现一个网络中资源十分紧缺而另一个网络还有很多空闲信道的情况，使得整个异构系统的信道利用率不高，造成了资源的浪费。

（2）低速业务上溢方案

低速的新呼叫可以接入到宽带网中，即当一个低速呼叫产生时，若当前窄带网中可用信道数大于保护信道数，则该呼叫可以被接入，否则溢出到宽带网。而宽带网接收低速新呼叫的条件是，网络中的空闲信道数量大于保护信道数量，否则低速新呼叫在宽带网也将被阻塞。

该方案的优点是可以减少低速新呼叫的阻塞概率，但是对于宽带网来说，由于其呼叫速度慢，信道可能会长时间被占用。若宽带网中的低速呼叫数量较多，或高速呼叫平均到达率较高时，则会造成宽带网呼叫阻塞概率增大的后果。

（3）低速和高速业务互相溢出方案

若只是低速业务能够享受异构网的系统资源，那么对宽带网是不公平的。为了有效地兼顾这种公平性，于是有了低速和高速业务可以互相溢出的方案，即系统中的业务可以自由的接入网络，不受网络体制的影响。但是为了保护窄带网用户的利益，通常会设置一定的保护门限，当网络负载高于该值时，则不能溢出到另一网络。

就新呼叫而言，只要网络中存在任何非保护信道空闲，该呼叫就能被接入。显然，通过这种方式可以大大降低整个分层系统的新呼叫阻塞概率和切换中断概率。

2 异构网环境下的呼叫接入控制技术

2.1 无呼叫溢出接入策略

对于呼叫无法溢出的系统来说，其用户只能接入某一固定的网络，这也是目前卫星通信系统的实际情况，各卫星网络相互独立工作，相互直接不能共享资源。下面先对这种单一模式的入网方式进行呼叫阻塞概率分析。应用马尔可夫过程，设系统处于状态的稳态概率为Pn，状态n表示有n个信道被n个呼叫占用。由于网络只能接收单一的新呼叫，所以对应的状态转移图如图2所示。

图2 状态转移图

状态平衡方程为：

又因为：

图3 无呼叫溢出的理论呼叫阻塞概率

2.2 随机接入策略

随机接入策略是指在异构网环境下，多模终端用户可以自由的、随机的选择网络，只要系统中有足够的资源就可以接入通信，不受外界环境因素干扰，也不用考虑负载均衡。该策略下的用户接入主要包含以下几个步骤：

（1）多模终端随机选择网络A或B，发出连接请求；

（2）判断网络A（B）中是否有足够的资源可供用户使用，若资源充足，则允许用户接入网络A（B），转到（5）；

（3）若之前选择网络中的资源不足以接入该用户，则将该用户切换到另一网络；

（4）若切换后网络中的资源可以满足该用户的业务接入，则将其接入网络，否则拒绝该用户，转到（5）；

（5）呼叫接入控制过程结束。

通过上述步骤，完成了对一个新呼叫的接入控制过程。该策略在实现上比较简单，不用考虑过多因素的影响，但是可能会造成大量某一网络呼叫进入另一网络，使得另一网络自身呼叫得不到应有保障的情况出现，所以该方案并不是最优的。

2.3 基于负载均衡的异构网接入策略

对于多星、多频段、多体制的卫星异构网络来说，其异构网组成并不只是单纯的窄带网和宽带网，本文设计了其具体的基于负载均衡的呼叫接入控制流程，如图4所示。

当用户请求接入时，首先向当前接入的通信网络发出请求，当该网络收到该请求时，结合用户信息和负载均衡算法决定是否进行网间切换，若需要进行网间切换则向全局网管中心发送切换请求，全局网管中心根据用户信息查询用户可接入的网络集，并发送状态查询请求，各子网根据当前状态以及待接入用户信息计算接入该用户后的状态并反馈给全局网管中心，全局网管结合各可接入子网的预接入状态和最佳接入准则确定最佳接入网络，并发送确定接入信息，由最佳接入子网响应用户的接入请求。

图4 基于负载平衡的呼叫接入控制流程图

当子网管收到用户请求时，网管开始查询当前的子网的状态参数，并计算允许该用户接入条件下子网的状态参数，将该参数作为决策参数，结合切换准则决定是否进行负载平衡切换，如图5所示。

图5 异构网切换决策算法流程

通过异构网切换决策后，若输出的结果是需要进行负载平衡切换，则业务选择网络进行通信；若输出的结果是否，则说明当前没有适合该业务的网络，中断该业务通信。下面对基于负载均衡的呼叫接入控制方式进行具体的描述。

对于某一具体的卫星网络A，其系统中存在的业务主要有本网络新呼叫和因负载均衡切换过来的新呼叫。为了保障本网络内用户的权益，本文为每一种网络设置了一个吞吐门限，当系统负载高于该门限值时，则系统只接受本网络的新业务呼叫，而低于该门限值时则判断为轻负载状态，可以接入其他网络的用户，其具体流程为：

（1）计算各网络的负载状况

重负载情况下：此时系统只能接入本网络内的新用户。

轻负载情况下：系统既可以接入新用户也能接入负载切换过来的用户。

假设新业务的带宽需求为B新用户，负载切换用户的带宽要求是B负载切换，所以有B重负=B新用户，B轻负=B新用户+B负载切换。

（2）判断网络A的负载状态，若为重负载状态，则执行（3），否则，结束；

（3）检查状态信息表中网络B的负载状态，若网络B处于重负载状态，则执行（4），否则，结束该流程；

（4）选择一个低速呼叫业务，通知B网络为其接入预留一部分资源；

（5）网络B接收到信息后，启动一个定时器，若在定时期间没有接收到该业务，则收回预留的资源；

（6）网络A通过数据分组或导频信息通知被选择的用户进行负载均衡切换；

（7）执行负载平均衡切换。

上述过程中，每个负载均衡周期只选择一个业务，直到网络B进入重负载状态或网络A由重负载状态转移到轻负载状态。

3 仿真实验

3.1 仿真模型

假设卫星异构网系统由两种不同的网络构成，即窄带网和宽带网。为了减小仿真运算量，假设窄带网的最大吞吐量为5Mbps，宽带网的最大吞吐量为20Mbps。假设窄带网产生的低速和高速两种业务，其中低速业务为主，占呼叫总数的80%，宽带网中的业务以高速的为主，占呼叫总数的50%，低速业务的传输速率为10kbps，高速业务的传输速率为50kb/s。窄带网的吞吐量门限是最大吞吐量的80%；宽带网的吞吐量门限是最大吞吐量的75%，在异构网系统中，终端均可工作在双模式。新呼叫到达率服从泊松分布，平均达到率的取值范围是5～50calls/s，呼叫持续时间服从指数分布，均值为1/μ= 20s 。

下面我们对以下几种接入方案的呼叫阻塞概率性能进行仿真分析：第一种方案中的两个网络系统独立工作，且终端都为单模式；第二个方案中采用随机接入方式，即两个系统独立工作，无流量均衡，但是系统中既有单模终端也有双模终端；第三个方案采用负载均衡算法。

3.2 仿真结果和分析

在MATLAB中建立实验仿真环境后，下面开始进行具体的仿真以及结果分析。

图6显示的是在三种接入方式下，窄带网的呼叫阻塞概率。其中基于负载均衡的呼叫接入控制方式要优于随机接入方式，而随机接入方式的性能又要优于单模工作下的网络性能。这是因为在异构网条件下，若系统采用随机接入策略，那么对一个新呼叫来说，只要系统中有资源该呼叫就能够被接入，所以它的性能要优于目前这种只能工作于单模方式的网络。但是，该方案的性能又远低于基于负载均衡的接入控制方式，这主要是因为基于负载均衡的接入控制方式对用户能够转移负载的情况作了限制，有效地避免了窄带网因接入过多高速业务造成呼叫阻塞的情况发生。

图6 窄带网的呼叫阻塞概率

而宽带网的呼叫阻塞概率如图7所示。从图中我们可以发现，宽带网的呼叫阻塞概率情况为单模时最优，均衡基于负载均衡的接入控制方式次之，而随机接入时的阻塞率最大。造成这种结果的原因是：随着呼叫到达率的提高，窄带网已经达到了饱和的状态，不能接入宽带网中的业务，而宽带网由于容量大，起始阶段接入了大量的窄带业务，所以就使得异构网条件下的宽带网系统呼叫阻塞概率性能反而不如作为单一网络存在时的性能。

异构网的整体呼叫阻塞概率如图8所示。从图中可以发现，相对单一网络，若能实现异构网内的通信资源共享，则整个卫星异构网系统的呼叫阻塞概率是会有所降低的。对于单模的呼叫接入方式，其呼叫阻塞概率在到达率为15～20之间时基本保持不变，而在到达20之后急剧上升的原因是：在20之前的呼叫阻塞概率主要是由窄带网产生的，此时宽带网中的阻塞率很小，由于到达20后，宽带网的呼叫阻塞概率也急剧增大，所以整个异构系统的呼叫阻塞率就发生了很大的变化。当异构网采用一定的负载均衡策略时，其阻塞率相对要低很多，整体性能得到了较大的改善。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.025

图8 异构网条件下的系统呼叫阻塞概率