無線網絡中非語音業(yè)務降質的接納控制算法

朱國暉， 邵轉妮， 雷 興

(1.西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121; 2.陜西黃河集團股份有限公司 設計研究所， 陜西 西安 710000)

無線網絡中非語音業(yè)務降質的接納控制算法

朱國暉1， 邵轉妮1， 雷 興2

(1.西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121; 2.陜西黃河集團股份有限公司 設計研究所， 陜西 西安 710000)

針對切換業(yè)務固定預留帶寬會降低帶寬利用率的問題,提出切換業(yè)務動態(tài)預留帶寬的接納控制算法，根據(jù)用戶中斷率和阻塞率的比例關系計算并判斷預留帶寬，利用剩余帶寬資源進行接納判決，在此基礎上，運用動態(tài)預留帶寬策略，對業(yè)務進行兩次降質處理，進而給出一種非語音業(yè)務降質的接納控制算法，以降低切換語音業(yè)務的中斷率和語音業(yè)務的阻塞率。仿真結果表明，與傳統(tǒng)的算法相比，新算法可降低新業(yè)務呼叫阻塞率和切換業(yè)務呼叫掉線率，并能提高系統(tǒng)帶寬利用率。

寬帶無線網絡；接納控制；非語音業(yè)務降質；帶寬動態(tài)預留；緩存機制

在寬帶無線網絡中，呼叫請求類型有兩種,即新發(fā)起呼叫和切換呼叫。呼叫接納控制是指根據(jù)業(yè)務服務質量(Quality of Service, QoS)需求對當前系統(tǒng)資源做出是否可用的判定過程，其核心思想是帶寬分配算法[1-2]，而衡量呼叫接納控制算法的標準包括新業(yè)務呼叫阻塞率、切換業(yè)務呼叫中斷率和系統(tǒng)帶寬利用率。為了使得這三者綜合指標達到最優(yōu)，可為切換業(yè)務預留固定的保護帶寬[3-4]，只有當系統(tǒng)內的可用帶寬大于預留帶寬門限時才會考慮接納其他業(yè)務，這種方案雖然降低了切換呼叫中斷率，但是由于這個預留值是固定的，那么預留過多會造成資源的浪費，使得系統(tǒng)資源利用率和新呼叫阻塞率增高。也可采用比例預留帶寬方案或動態(tài)預留帶寬方案[5-7]，但這種方案并沒有使接納率和系統(tǒng)利用率達到最優(yōu)。另外，引入緩存機制[8-11]，可使因降質而被中斷的非語音業(yè)務暫時放到緩存中等待再次被傳而避免丟棄，或根據(jù)基于隊列的接納控制算法[12]，采用四維狀態(tài)轉移圖來分析接納控制算法的三大指標，但都會增加算法的復雜度。

為了使接納控制的三大指標比較理想，本文擬提出動態(tài)預留帶寬的接納控制算法和非語音業(yè)務降質的接納控制算法，先對切換業(yè)務的帶寬資源進行動態(tài)預留，其次，根據(jù)系統(tǒng)資源情況對業(yè)務進行降質處理，然后根據(jù)接納判決準則進行接納判決。

1 接納控制算法模型

假設小區(qū)內的系統(tǒng)總帶寬為B，其中語音業(yè)務的帶寬需求為Bl，數(shù)據(jù)業(yè)務的帶寬需求范圍為Bdmin～Bdmax，切換語音業(yè)務的預留帶寬采用動態(tài)預留方案，小區(qū)中的新呼叫語音業(yè)務和切換呼叫語音業(yè)務分別服從到達率為λn和λh的泊松(Poisson)分布，則語音業(yè)務的總到達率為λt=λn+λh,同理，數(shù)據(jù)業(yè)務的總到達率為λd=λdn+λdh。到達小區(qū)中的所有業(yè)務的到達時間間隔服從負指數(shù)分布，并且其平均服務時間服從強度為1/μ的負指數(shù)分布。在此接納控制算法中，業(yè)務接納優(yōu)先級的排序為:切換呼叫語音業(yè)務,新呼叫語音業(yè)務,切換呼叫數(shù)據(jù)業(yè)務,新呼叫數(shù)據(jù)業(yè)務。該算法模型如圖1所示，當業(yè)務到達時，業(yè)務分類器先對到達業(yè)務類型進行判定，然后再送達接納判決模塊，接納判決模塊根據(jù)系統(tǒng)帶寬資源的使用情況對業(yè)務進行接納判決，若暫時未被接納或者拒絕，則將其放入緩存器中等待有資源時再次通過接納判決模塊進行接納判決，最后將接納的業(yè)務送入資源調度模塊為其分配帶寬資源。

圖1 接納控制算法模型

2 帶寬動態(tài)預留接納控制算法

在切換業(yè)務固定預留帶寬的接納控制算法的基礎上,可以獲得一種帶寬動態(tài)預留接納控制(Bandwidth Movement Reservation Call Admition Control, BMRCAC)新算法。該算法的核心思想是對切換語音業(yè)務帶寬資源進行動態(tài)預留。

假設信道固定總帶寬為B，為切換業(yè)務預留的初始帶寬為B0，非預留帶寬為

Bnonrsv=B-B0,

新呼叫阻塞率和切換呼叫中斷率分別為

其中k為新呼叫被阻塞數(shù)，N為到達新呼叫總數(shù),m為中斷切換用戶數(shù)，H為切換呼叫總數(shù),于是動態(tài)預留因子

根據(jù)α的取值范圍來動態(tài)的調節(jié)切換業(yè)務的預留帶寬B0，即

其中Bhu為切換業(yè)務已用帶寬，ΔB為一確定帶寬值。

當業(yè)務到達時，在動態(tài)預留資源的基礎上結合切換業(yè)務固定預留帶寬接納控制(Bandwidth Steady Reservation Call Admition Control, BSRCAC)算法的接納判決準則對業(yè)務進行接納判決。新算法在動態(tài)預留資源的過程中不僅考慮了切換業(yè)務的中斷率，還考慮了新呼叫業(yè)務的阻塞率，能對預留帶寬進行動態(tài)調整，使系統(tǒng)的切換中斷率和呼叫阻塞率降低。

3 非語音業(yè)務降質接納控制算法

在新的帶寬動態(tài)預留接納控制算法基礎上，可以獲得一種非語音業(yè)務降質的接納控制(Degraded non-voice Bandwidth Movement Reservation Call Adimition Control, BMRDCAC)算法。根據(jù)接納控制算法模型對業(yè)務優(yōu)先級的定義，這種非語音業(yè)務降質的接納控制算法的實質就是對優(yōu)先級比較低的非語音業(yè)務進行降帶處理。當語音業(yè)務(新呼叫語音業(yè)務和切換呼叫語音業(yè)務)請求到達時，系統(tǒng)帶寬不能滿足呼叫請求，則采用遍歷法對非語音業(yè)務進行首次降質，使得被降質的非語音業(yè)務以最小帶寬進行傳輸，如果還不能滿足語音業(yè)務呼叫請求，則對已接納的非語音業(yè)務進行二次降質，將中斷傳輸被二次降質的非語音業(yè)務，并將其放入緩存隊列中，以等待系統(tǒng)空閑時進行二次服務，在此不對語音業(yè)務進行降質處理。

算法具體步驟如下。

步驟1 當業(yè)務到達時,先判斷其業(yè)務類型。

步驟2 若是新呼叫語音業(yè)務，則判斷是否有

Bnonrsv-iBl-jBdmax>Bl，

(1)

其中i為已接納語音業(yè)務數(shù)，j為已接納數(shù)據(jù)業(yè)務數(shù)。若式(1)成立則接納該業(yè)務，否則采用遍歷法對已接納的數(shù)據(jù)業(yè)務進行第一次降帶處理。降帶處理的偽代碼如下。

for i=1:1:N

if i==Data_user

k=k+1;

Bnonrsv=k*ΔB

end

end

其中Data_user表示業(yè)務類型數(shù)據(jù)業(yè)務，k為被降質的數(shù)據(jù)業(yè)務數(shù)。經第一次降帶處理后，若有

k(Bdmax-Bdmin)>Bl,

則接納該呼叫請求，否則對非語音業(yè)務進行第二次降帶處理，使被降質的業(yè)務進入緩存隊列中等待再次被調度，直到緩存隊列滿為止。如果其釋放出來的帶寬足夠接納該呼叫請求，則接納，否則拒絕。

步驟3 若是新呼叫非語音業(yè)務，則判斷

Bnonrsv-iBl-jBdmin>Bdmin,

(2)

若式(2)成立，則接納該用戶，否則拒絕。

步驟4 若是切換呼叫非語音業(yè)務，則判斷式(2)是否成立。若式(2)成立，則接納該呼叫請求,否則，采用與步驟1相同的遍歷法對已接納新呼叫非語音業(yè)務進行降質處理，之后若有

k(Bdmax-Bdmin)>Bdmin,

則接納，否則拒絕。

步驟5 若是切換呼叫語音業(yè)務，則判斷是否有

B0-mBl>Bl，

(3)

其中m為已經接納的切換語音業(yè)務數(shù)。若式(3)成立，則接納,否則采用與步驟1相同的遍歷法對非語音業(yè)務進行第一次降質處理，若式(1)滿足，則接納該呼叫請求,否則對非語音呼叫業(yè)務進行第二次降質，使其暫時緩存到緩存隊列中等待再次被傳，直到緩存隊列滿為止。然后判斷其釋放出來的帶寬是否足夠接納該呼叫請求，若滿足則接納,否則拒絕。

步驟6 若系統(tǒng)中有剩余帶寬時則根據(jù)先到先服務的原則為緩存隊列中的業(yè)務進行二次服務。

步驟7 當業(yè)務到達后根據(jù)本課題設計的接納控制算法對業(yè)務進行接納，判斷接納結束之后動態(tài)預留因子α的取值范圍，然后根據(jù)取值范圍為切換業(yè)務預留帶寬，返回步驟1繼續(xù)接納判決新的呼叫請求。

4 算法仿真及結果分析

進行仿真實驗，以評估在動態(tài)預留帶寬的條件下非語音業(yè)務降質對系統(tǒng)中新用戶的阻塞率和切換用戶中斷率的影響，在接納判決過程中只考慮各類業(yè)務的帶寬需求是否大于系統(tǒng)剩余總帶寬作為判決的依據(jù)。

4.1 仿真環(huán)境

同類型業(yè)務的QoS參數(shù)相同，各類業(yè)務的帶寬需求以及優(yōu)先級如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

4.2 仿真結果分析

針對所討論的接納控制算法，在Matlab仿真平臺上對3種不同策略的呼叫接納控制算法進行了仿真對比。BSRCAC算法為切換語音業(yè)務預留固定的帶寬，根據(jù)業(yè)務優(yōu)先級進行判決接納，但不對非語音業(yè)務進行降質處理。BMRCAC算法根據(jù)新呼叫阻塞率和切換呼叫中斷率的比例關系為切換語音業(yè)務動態(tài)預留帶寬，亦不對非語音業(yè)務進行降質處理，并且可變帶寬業(yè)務均以最大帶寬接納。BMRDCAC算法是在BMRCAC算法的基礎上對非語音業(yè)務進行降質處理，并且增加緩存隊列以存儲被降質的業(yè)務。

新呼叫業(yè)務到達率和阻塞率的關系曲線如圖2所示,從中可以看出隨著業(yè)務到達率的增加，業(yè)務阻塞率都是呈上升趨勢，但是BSRCAC算法的阻塞率明顯高于BMRCAC算法，這是因為算法一為切換業(yè)務固定預留帶寬，隨著業(yè)務到達率的增加，新呼叫業(yè)務到達數(shù)會遠大于切換業(yè)務到達數(shù)，而Bnonrsv值是固定不變的，這就導致新呼叫阻塞率增大。BMRCAC算法高于BMRDCAC算法的原因是BMRDCAC算法增加了緩存隊列，當業(yè)務不被接納時可以暫放入緩存隊列等到系統(tǒng)空閑時繼續(xù)為其服務，而BMRCAC算法是若不被接納則直接拒絕。

圖2 呼叫過程阻塞概率仿真

切換業(yè)務到達率與中斷概率關系如圖3所示。3種算法的曲線也是隨著業(yè)務到達率的增大而呈上升趨勢，BSRCAC算法的中斷概率大于BMRCAC算法是因為BMRCAC算法為切換業(yè)務動態(tài)預留帶寬，隨著α的變化區(qū)間為切換業(yè)務預留足夠的帶寬，故其中斷概率比較小；BMRCAC算法的中斷率大于BMRDCAC算法是因為BMRCAC算法在接納控制過程中對可變帶寬業(yè)務均以Bdmax接納，而BMRDCAC算法在接納過程中對非語音業(yè)務進行降質，這樣非語音切換業(yè)務便可以以最小帶寬接納從而增加了接納用戶數(shù)，因此中斷概率會比較小。

圖3 呼叫中斷概率仿真

業(yè)務到達率和系統(tǒng)帶寬利用率的關系如圖4所示,從中可見：BMRDCAC算法的帶寬利用率高于BMRCAC算法，原因是BMRDCAC算法在BMRCAC算法的基礎上采用了非語音業(yè)務降質的接納控制策略，增加了緩存隊列，當系統(tǒng)空閑時緩存隊列中的業(yè)務可以繼續(xù)利用帶寬資源；BMRCAC算法的帶寬利用率高于BSRCAC算法的原因是BMRCAC采用了動態(tài)預留策略，這樣可以避免BSRCAC算法中因為資源預留不合理而造成的資源浪費。

圖4 系統(tǒng)帶寬利用率仿真

5 結 語

給出一種新的為切換業(yè)務動態(tài)預留帶寬的策略,并在其基礎上提出了對非語音業(yè)務進行兩次降帶的接納控制算法。新算法考慮了業(yè)務優(yōu)先級，并且根據(jù)動態(tài)預留因子的取值范圍來為切換業(yè)務動態(tài)預留帶寬。通過仿真可知，新算法既能降低業(yè)務阻塞率和中斷概率，又可提高系統(tǒng)帶寬利用率，達到了預期的研究目的。

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[責任編輯:王輝]

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

陜西省教育廳科技計劃基金資助項目(07JK377)

朱國暉(1969-)，男，副教授，從事移動互聯(lián)網、網絡路由算法等研究。E-mail:zhgh@xupt.edu.cn 邵轉妮(1988-),女,碩士研究生,研究方向為移動互聯(lián)網。E-mail:429341908@qq.com

TN929.5

A

2095-6533(2014)01-0046-04