无线网络中非语音业务降质的接纳控制算法

朱国晖， 邵转妮， 雷 兴

(1.西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121; 2.陕西黄河集团股份有限公司 设计研究所， 陕西 西安 710000)

无线网络中非语音业务降质的接纳控制算法

朱国晖1， 邵转妮1， 雷 兴2

(1.西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121; 2.陕西黄河集团股份有限公司 设计研究所， 陕西 西安 710000)

针对切换业务固定预留带宽会降低带宽利用率的问题,提出切换业务动态预留带宽的接纳控制算法，根据用户中断率和阻塞率的比例关系计算并判断预留带宽，利用剩余带宽资源进行接纳判决，在此基础上，运用动态预留带宽策略，对业务进行两次降质处理，进而给出一种非语音业务降质的接纳控制算法，以降低切换语音业务的中断率和语音业务的阻塞率。仿真结果表明，与传统的算法相比，新算法可降低新业务呼叫阻塞率和切换业务呼叫掉线率，并能提高系统带宽利用率。

宽带无线网络；接纳控制；非语音业务降质；带宽动态预留；缓存机制

在宽带无线网络中，呼叫请求类型有两种,即新发起呼叫和切换呼叫。呼叫接纳控制是指根据业务服务质量(Quality of Service, QoS)需求对当前系统资源做出是否可用的判定过程，其核心思想是带宽分配算法[1-2]，而衡量呼叫接纳控制算法的标准包括新业务呼叫阻塞率、切换业务呼叫中断率和系统带宽利用率。为了使得这三者综合指标达到最优，可为切换业务预留固定的保护带宽[3-4]，只有当系统内的可用带宽大于预留带宽门限时才会考虑接纳其他业务，这种方案虽然降低了切换呼叫中断率，但是由于这个预留值是固定的，那么预留过多会造成资源的浪费，使得系统资源利用率和新呼叫阻塞率增高。也可采用比例预留带宽方案或动态预留带宽方案[5-7]，但这种方案并没有使接纳率和系统利用率达到最优。另外，引入缓存机制[8-11]，可使因降质而被中断的非语音业务暂时放到缓存中等待再次被传而避免丢弃，或根据基于队列的接纳控制算法[12]，采用四维状态转移图来分析接纳控制算法的三大指标，但都会增加算法的复杂度。

为了使接纳控制的三大指标比较理想，本文拟提出动态预留带宽的接纳控制算法和非语音业务降质的接纳控制算法，先对切换业务的带宽资源进行动态预留，其次，根据系统资源情况对业务进行降质处理，然后根据接纳判决准则进行接纳判决。

1 接纳控制算法模型

假设小区内的系统总带宽为B，其中语音业务的带宽需求为Bl，数据业务的带宽需求范围为Bdmin～Bdmax，切换语音业务的预留带宽采用动态预留方案，小区中的新呼叫语音业务和切换呼叫语音业务分别服从到达率为λn和λh的泊松(Poisson)分布，则语音业务的总到达率为λt=λn+λh,同理，数据业务的总到达率为λd=λdn+λdh。到达小区中的所有业务的到达时间间隔服从负指数分布，并且其平均服务时间服从强度为1/μ的负指数分布。在此接纳控制算法中，业务接纳优先级的排序为:切换呼叫语音业务,新呼叫语音业务,切换呼叫数据业务,新呼叫数据业务。该算法模型如图1所示，当业务到达时，业务分类器先对到达业务类型进行判定，然后再送达接纳判决模块，接纳判决模块根据系统带宽资源的使用情况对业务进行接纳判决，若暂时未被接纳或者拒绝，则将其放入缓存器中等待有资源时再次通过接纳判决模块进行接纳判决，最后将接纳的业务送入资源调度模块为其分配带宽资源。

图1 接纳控制算法模型

2 带宽动态预留接纳控制算法

在切换业务固定预留带宽的接纳控制算法的基础上,可以获得一种带宽动态预留接纳控制(Bandwidth Movement Reservation Call Admition Control, BMRCAC)新算法。该算法的核心思想是对切换语音业务带宽资源进行动态预留。

假设信道固定总带宽为B，为切换业务预留的初始带宽为B0，非预留带宽为

Bnonrsv=B-B0,

新呼叫阻塞率和切换呼叫中断率分别为

其中k为新呼叫被阻塞数，N为到达新呼叫总数,m为中断切换用户数，H为切换呼叫总数,于是动态预留因子

根据α的取值范围来动态的调节切换业务的预留带宽B0，即

其中Bhu为切换业务已用带宽，ΔB为一确定带宽值。

当业务到达时，在动态预留资源的基础上结合切换业务固定预留带宽接纳控制(Bandwidth Steady Reservation Call Admition Control, BSRCAC)算法的接纳判决准则对业务进行接纳判决。新算法在动态预留资源的过程中不仅考虑了切换业务的中断率，还考虑了新呼叫业务的阻塞率，能对预留带宽进行动态调整，使系统的切换中断率和呼叫阻塞率降低。

3 非语音业务降质接纳控制算法

在新的带宽动态预留接纳控制算法基础上，可以获得一种非语音业务降质的接纳控制(Degraded non-voice Bandwidth Movement Reservation Call Adimition Control, BMRDCAC)算法。根据接纳控制算法模型对业务优先级的定义，这种非语音业务降质的接纳控制算法的实质就是对优先级比较低的非语音业务进行降带处理。当语音业务(新呼叫语音业务和切换呼叫语音业务)请求到达时，系统带宽不能满足呼叫请求，则采用遍历法对非语音业务进行首次降质，使得被降质的非语音业务以最小带宽进行传输，如果还不能满足语音业务呼叫请求，则对已接纳的非语音业务进行二次降质，将中断传输被二次降质的非语音业务，并将其放入缓存队列中，以等待系统空闲时进行二次服务，在此不对语音业务进行降质处理。

算法具体步骤如下。

步骤1 当业务到达时,先判断其业务类型。

步骤2 若是新呼叫语音业务，则判断是否有

Bnonrsv-iBl-jBdmax>Bl，

(1)

其中i为已接纳语音业务数，j为已接纳数据业务数。若式(1)成立则接纳该业务，否则采用遍历法对已接纳的数据业务进行第一次降带处理。降带处理的伪代码如下。

for i=1:1:N

if i==Data_user

k=k+1;

Bnonrsv=k*ΔB

end

end

其中Data_user表示业务类型数据业务，k为被降质的数据业务数。经第一次降带处理后，若有

k(Bdmax-Bdmin)>Bl,

则接纳该呼叫请求，否则对非语音业务进行第二次降带处理，使被降质的业务进入缓存队列中等待再次被调度，直到缓存队列满为止。如果其释放出来的带宽足够接纳该呼叫请求，则接纳，否则拒绝。

步骤3 若是新呼叫非语音业务，则判断

Bnonrsv-iBl-jBdmin>Bdmin,

(2)

若式(2)成立，则接纳该用户，否则拒绝。

步骤4 若是切换呼叫非语音业务，则判断式(2)是否成立。若式(2)成立，则接纳该呼叫请求,否则，采用与步骤1相同的遍历法对已接纳新呼叫非语音业务进行降质处理，之后若有

k(Bdmax-Bdmin)>Bdmin,

则接纳，否则拒绝。

步骤5 若是切换呼叫语音业务，则判断是否有

B0-mBl>Bl，

(3)

其中m为已经接纳的切换语音业务数。若式(3)成立，则接纳,否则采用与步骤1相同的遍历法对非语音业务进行第一次降质处理，若式(1)满足，则接纳该呼叫请求,否则对非语音呼叫业务进行第二次降质，使其暂时缓存到缓存队列中等待再次被传，直到缓存队列满为止。然后判断其释放出来的带宽是否足够接纳该呼叫请求，若满足则接纳,否则拒绝。

步骤6 若系统中有剩余带宽时则根据先到先服务的原则为缓存队列中的业务进行二次服务。

步骤7 当业务到达后根据本课题设计的接纳控制算法对业务进行接纳，判断接纳结束之后动态预留因子α的取值范围，然后根据取值范围为切换业务预留带宽，返回步骤1继续接纳判决新的呼叫请求。

4 算法仿真及结果分析

进行仿真实验，以评估在动态预留带宽的条件下非语音业务降质对系统中新用户的阻塞率和切换用户中断率的影响，在接纳判决过程中只考虑各类业务的带宽需求是否大于系统剩余总带宽作为判决的依据。

4.1 仿真环境

同类型业务的QoS参数相同，各类业务的带宽需求以及优先级如表1所示。

表1 仿真参数

4.2 仿真结果分析

针对所讨论的接纳控制算法，在Matlab仿真平台上对3种不同策略的呼叫接纳控制算法进行了仿真对比。BSRCAC算法为切换语音业务预留固定的带宽，根据业务优先级进行判决接纳，但不对非语音业务进行降质处理。BMRCAC算法根据新呼叫阻塞率和切换呼叫中断率的比例关系为切换语音业务动态预留带宽，亦不对非语音业务进行降质处理，并且可变带宽业务均以最大带宽接纳。BMRDCAC算法是在BMRCAC算法的基础上对非语音业务进行降质处理，并且增加缓存队列以存储被降质的业务。

新呼叫业务到达率和阻塞率的关系曲线如图2所示,从中可以看出随着业务到达率的增加，业务阻塞率都是呈上升趋势，但是BSRCAC算法的阻塞率明显高于BMRCAC算法，这是因为算法一为切换业务固定预留带宽，随着业务到达率的增加，新呼叫业务到达数会远大于切换业务到达数，而Bnonrsv值是固定不变的，这就导致新呼叫阻塞率增大。BMRCAC算法高于BMRDCAC算法的原因是BMRDCAC算法增加了缓存队列，当业务不被接纳时可以暂放入缓存队列等到系统空闲时继续为其服务，而BMRCAC算法是若不被接纳则直接拒绝。

图2 呼叫过程阻塞概率仿真

切换业务到达率与中断概率关系如图3所示。3种算法的曲线也是随着业务到达率的增大而呈上升趋势，BSRCAC算法的中断概率大于BMRCAC算法是因为BMRCAC算法为切换业务动态预留带宽，随着α的变化区间为切换业务预留足够的带宽，故其中断概率比较小；BMRCAC算法的中断率大于BMRDCAC算法是因为BMRCAC算法在接纳控制过程中对可变带宽业务均以Bdmax接纳，而BMRDCAC算法在接纳过程中对非语音业务进行降质，这样非语音切换业务便可以以最小带宽接纳从而增加了接纳用户数，因此中断概率会比较小。

图3 呼叫中断概率仿真

业务到达率和系统带宽利用率的关系如图4所示,从中可见：BMRDCAC算法的带宽利用率高于BMRCAC算法，原因是BMRDCAC算法在BMRCAC算法的基础上采用了非语音业务降质的接纳控制策略，增加了缓存队列，当系统空闲时缓存队列中的业务可以继续利用带宽资源；BMRCAC算法的带宽利用率高于BSRCAC算法的原因是BMRCAC采用了动态预留策略，这样可以避免BSRCAC算法中因为资源预留不合理而造成的资源浪费。

图4 系统带宽利用率仿真

5 结 语

给出一种新的为切换业务动态预留带宽的策略,并在其基础上提出了对非语音业务进行两次降带的接纳控制算法。新算法考虑了业务优先级，并且根据动态预留因子的取值范围来为切换业务动态预留带宽。通过仿真可知，新算法既能降低业务阻塞率和中断概率，又可提高系统带宽利用率，达到了预期的研究目的。

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[责任编辑:王辉]

Admission control algorithm for
degraded non-voice services in wireless network

ZHU Guohui1, SHAO Zhuanni1, LEI Xing2

(1.School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China；2.Department of the Fifth Research Laboratory, Institute of Shaanxi Huanghe Group Co. Ltd., Xi’an 710000, China)

An admission control algorithm of switching service bandwidth dynamics reserved is proposed in this paper to solve the problems of the reduced switching service bandwidth utilization. The algorithm is based on the ratio between the user interrupt rate and blocking rate to calculate and decide the reserved bandwidth, and to judge the remaining bandwidth resources. At the same time, an admission control algorithm for degraded non-voice services in wireless network based on the admission control algorithm for switching services of bandwidth reserved fixedly is proposed. This algorithm mainly use the services priorities strategy to cut down the bandwidth of the non-voice services twice for reducing the voice service blocking rate and dropping rate. Simulation results show that compared with other traditional algorithms, the new algorithms can reduce the new call blocking probability and handoff call dropping rate, and therefore can improve the bandwidth utilization.

broadband wireless networks, admission control, non-voice services degraded, dynamic reserved, caching mechanism

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.01.009

2013-09-17

陕西省教育厅科技计划基金资助项目(07JK377)

朱国晖(1969-)，男，副教授，从事移动互联网、网络路由算法等研究。E-mail:zhgh@xupt.edu.cn 邵转妮(1988-),女,硕士研究生,研究方向为移动互联网。E-mail:429341908@qq.com

TN929.5

A

2095-6533(2014)01-0046-04