无线网络中自适应的资源预留切换算法研究

夏汉铸，刘辉元

(1.中山火炬职业技术学院信息工程系，广东中山 528436;2.重庆市工业学校，重庆 400043)

0 引言

由于无线通信系统的资源非常有限，并且大部分是干扰受限系统，如果在用户发生切换时没有足够的无线资源或者系统超载时不允许用户接入，则会引起用户掉话，从而对系统性能产生影响。在权衡无线网络性能时，要保证切换掉话率尽量小，以满足用户对服务质量的要求。目前无线网络中的资源切换算法主要有两大类:请求排队算法［1－2］和资源预留算法［3－7］。

请求排队算法的核心思想是对新用户和切换用户分别对待，对于新用户而言，如果申请的目标服务基站没有足够的无线资源，则拒绝该新用户接入系统。而一个切换用户申请接入新基站时，如果当前无线资源能满足该切换用户的服务质量(quality of service，QoS)要求，则马上接受该申请;否则将该请求送入缓存区排队等待，按先到先服务(first input first output，FIFO)的调度算法对相应的请求进行处理。

基于资源预留切换算法的工作原理是，将本小区内的网络资源划分为两大部分:一部分用以满足新用户的接入，一部分预留给切换用户使用。当有新用户申请接入时，从用于新用户接入的资源中分配给该用户;当有切换用户申请切换时，切换用户从切换预留资源中获得资源的分配。无论是新用户还是切换用户，如果其无法从相应的资源中获得其所需的资源，他们的服务都将被无线网络拒绝。资源预留算法是从有限的网络资源中专门预留一部分以供切换用户使用，该算法有效地保证了快速小区切换时低的掉话率，但这种改善是以增加本小区新用户接入请求的阻塞率为代价。在预留资源算法中，造成阻塞率增加的原因是一个切换用户在每一个可能到访的邻近小区内均预留了所需的带宽资源，以备新用户切换时使用。在用户完成切换之前，该预留的资源不能被其他用户使用，从而导致可供新用户申请的空闲带宽资源相对减少，存在显著降低网络的系统性能和无线资源利用率低的问题。

基于此，本文提出一种无线网络中自适应的资源预留算法(adaptive resource reservation，ARRES)。ARRES算法的基本思想是根据小区内的新用户和切换用户的申请到达速率，动态地调整预留资源的大小，以克服由于预留资源分配不合理而导致的预留资源空闲较多而新用户申请又无法满足或用于新用户申请的剩余资源较多而切换用户的切换请求被拒绝的现象，从而达到提高无线资源利用率和网络性能的目的。

1 资源预留算法分析

在资源预留算法中，假设小区内共有N个信道的网络资源供用户使用，其中，C个信道用于新用户的接入请求，N－C个信道预留给切换用户使用。

令λc表示新用户接入请求的平均到达速率，λh表示切换用户请求的平均到达速率;1/μc表示用户通话的平均持续时间;1/μh表示用户在一个小区内的平均逗留时间;Pi表示第i个状态变量转移的概率，即第i个状态被占用导致阻塞的概率，具体马尔可夫状态转移模型［8］如图1所示。

图1 信道数为N、预留信道数为N－C的马尔可夫状态转移模型Fig.1 Markov state transition model of N channels and N－C reserved channels

信道数为N，预留信道数为N－C的马尔可夫延时模型相对应的状态转移平衡方程为

当上述系统模型进入稳定状态后，由(1)式可计算出新用户的阻塞概率PB为

从 (2)-(4)式可以看出，在 μc，μh，N 不变的情况下 PB，PH同λc，λh及C具有紧密的关系，如:在C不变的情况下，λc，λh的增大会使得PB，PH都增大，但如果λc增大，λh减小，PH就会增大，PB就不一定减小。当然C的增大或减小都会造成PB，PH的变化。因此，如何选择C就成为影响无线网络性能的一个重要因素。而且从PB，PH的公式中可以看出，在C与λc，λh的关系选择合适时可以减小PB和PH，也就是说如果C随着λc，λh动态调整可以改善无线网络的性能。

2 ARRES切换算法

基于以上分析，本节将详细讨论无线网络中ARRES切换算法的具体实现过程。

2.1 变量说明

N:无线网络中可供用户使用的资源总数(信道总数);

C:本小区新用户的接入请求可使用的资源总数(ΔC表示在基准C的基础上增加或减少数目，如ΔC=1表示新用户的接入请求可使用的资源总数在原有的基础上加1);

ΔCmax:新用户的接入请求可使用的资源总数增加数目的最大值;

ΔCmin:新用户的接入请求可使用的资源总数增加数目的最小值，其值一般为负数，用于释放一部分网络资源以供切换用户使用;

ΔT:时间间隔，主要用来确定速度更新的频率，一般可取任意大于0的任意值，在实际应用中可以由网络管理员设定或根据网络的实际情况设定;

RateNew:本小区新用户的接入请求到达速率。在ΔT的时间间隔通过计数器统计新用户接入请求数来确定新用户的接入请求到达速率。如果其速率达到或超过RateNewmax，表示该无线系统无法满足部分用户的要求，就会拒绝新用户接入请求，如果其速率小于RateNewmin，表示该无线系统的资源足以满足所有新用户接入请求;

RateHandoff:本小区切换用户的切换请求到达速率。在ΔT的时间间隔通过计数器统计切换用户切换请求数来确定切换用户的接入请求到达速率。如果其速率达到或超过RateHandoffmax，表示该无线系统无法满足部分用户的要求，就会拒绝切换用户的切换请求，如果其速率小于RateHandoffmin，表示该无线系统的资源足以满足所有切换用户的切换请求。

2.2 ARRES算法实现

在无线网络中采用自适应的资源预留算法需在资源拥有方的设备(如基站或其他设备)上增加2个计数器，分别用于统计在规定的ΔT时间间隔内新用户申请到达速率和切换用户切换申请到达速率，用以决定如何调整可供新用户接入请求的网络资源C的大小。

其具体的实现过程如下。

1 )初始化相关变量 RateNew = 0，RateHandoff=0，N，C根据网络运行的实际情况设定，2个计数器清零;

2 )在ΔT时间间隔，2个计数器分别对新用户的接入请求数和切换用户的切换请求数计数，每到一个不同类型的请求其对应的计数器加 1;

3 )在ΔT时间间隔到达后，根据新用户的接入请求总数和切换用户的切换请求总数除以时间ΔT，分别计算RateNew和 RateHandoff;同时计数器清零重新开始计数;

4 )根据计算得到的RateNew和RateHandoff，动态调整C的大小，以保证在新用户的接入请求速率较大而切换用户的切换请求速率较小时，尽可能多的保证接入请求不被拒绝，同时保证切换用户的切换请求速率较大而新用户的接入请求速率较小时，尽可能多的保证切换用户的切换成功。

具体的调整C的算法如下。

根据计算所得的ΔC值调整新用户的接入请求可使用的资源总数 C的值(其中 β可根据RateHandoffmin以及无线网络管理者对切换用户的保障程度来共同决定，如网络管理者希望尽可能的保障切换用户的服务质量，可将β的值设大一些;否则反之)。

2.3 ARRES算法分析

无线网络中的ARRES算法的基本思想是通过测量当前的新用户的接入请求速度和切换用户的切换请求速度，动态地调整网络资源的分配以满足不同类别用户对网络的要求。就该算法本身有以下问题需要说明。

1 )ΔT时间间隔的选择。根据以上算法描述，如果ΔT时间间隔的选择过长，就会导致计算出来的用户的接入请求速度和切换用户的切换请求速度无法反映当前网络的情况，即使C或ΔC做了调整，也有可能无法达到改善网络性能的目的;ΔT时间间隔的选择过短，可能会导致网络资源分配频繁地变化，增加网络设备的负担。

2 )RateNewmin，RateNewmax，RateHandoffmin和RateHandoffmax的选择问题。本算法中使用的这4个速度值同多种因素有关，如网络资源总数N，网络设备的硬件情况、网络服务提供商的要求及网络管理员的爱好等。为保障切换用户请求尽量满足和及时地反映网络请求的变化，建议RateNewmax=8×RateNewmin;RateHandoffmax=8×RateHandoffmin。

3 )β值的设定。综合网络各种因素的影响及网络资源本身情况的考虑，建议β∈(0.01N ～0.03N)。

总之，ARRES算法通过适当的参数设定和对无线网络的接入请求和切换请求的实际情况做出动态地调整C的大小，可以达到对无线网络中的实际情况作出积极、主动的反应，以降低切换用户和新用户接入的阻塞概率，最终达到改善无线网络性能的目的。

3 仿真分析

在网络仿真环境NS－2下，实现了本文提出的ARRES切换算法，通过仿真比较该算法与其他无线网络中的切换算法对网络性能的影响，仿真拓扑图如图2所示。在仿真环境下，假设N=16，C=8，呼叫用户和切换用户都服从泊松到达，服务时间服从指数分布，到达速率分别为λc=8和λh=8。

从图3、图4可以看出，采用ARRES算法不仅可以减少新用户呼叫失败的概率，还可以减少切换用户的切换失败概率，从而实现提高用户接入和切换的成功概率，最终实现改善网络性能的目的。

图2 无线网络仿真拓扑图Fig.2 Simulation topology of wireless network

图3 呼叫失败用户总数Fig.3 Number of call failed user

图4 切换失败用户总数Fig.4 Number of handoff failed user

4 结论

本文提出的自适应资源预留ARRES切换算法通过无线网络中接入用户和切换用户到达的速率动态地调整预留资源C的大小，以实现降低切换用户和新用户的阻塞概率，到达提高无线网络性能的目的，并详细讨论了C的变化规律及调整算法。通过仿真分析，该算法在不增加无线网络的额外负担下，能够到达改善无线网络性能的目的。

［1］PAHLAVAN K，KRISHNAMURTHY P，HATAMIA，et al.Handoff in Hybrid Mobile Data Networks［J］.Personal Communications，IEEE，2000，7(2):34－47.

［2］AKYILDIZ I F，MCNAIR J，HO J SM.et al.Mobility Management in Next Generation Wireless Systems［J］.Proceedings of the IEEE，1999，87(8):1347－84.

［3］SOMEKH O，SIMEONE O，BAR Ness Y，et al.Cooperativemulticell zeroforcing beamforming in cellula downlink channels［J］.IEEE Trans Info Theory，2009，55(23):3206－3219.

［4］STEVENSE，LIN Y，WONG V.An MDP－based vertical handoff decision algorithm for heterogeneous wireless networks［J］.IEEE Trans on Vehicular tech，2008:57(2):1243－1254.

［5］ALIR Ben，PIERRE S.On the impact of soft vertical handoff on optimal voice admission control in PCF－based WLANs loosely coupled to 3G networks［J］.IEEE Trans on wireless comm，2009，1356－1365.

［6］WEI Yifei，SONG Mei，ZHANG Yong，et al.Network selection policy in multi－radio access environment using stochastic control theory［J］.The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2011，18(4):98－103.

［7］刘宇，郑宝玉.多载波基站协作系统下行链路中基于资源预留的用户调度策略［J］.重庆邮电大学学报:自然科学版，2012，24(5):625－630.

LIU Yu，ZHENG Baoyu.Users Scheduling policy based on resource reservation in the downlink of multicarrier communication systemswith base station cooperation［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications，2012，24(5):625－630.

［8］彭木根，王文博.基于多用户检测技术的时分双工－码分多址系统上行链路容量研究［J］.北京邮电大学学报，26(3):27－31，2003.9.

PENG Mugen，WANG Wenbo.On the Capacity of Time Division Duplex－Code Division Multiple Access Uplink System with Multi－User Detection［J］.Journal of Beijing University of Posts and Telecommunicatioms，2003，26(3):27－31.

(编辑:王敏琦)