异构蜂窝系统中动态联合呼叫接纳控制算法

凌毓涛，吴建斌，刘俐利

1.华中师范大学物理科学与技术学院，武汉 430079

2.华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心，武汉 430079

异构蜂窝系统中动态联合呼叫接纳控制算法

凌毓涛1，吴建斌1，刘俐利2

1.华中师范大学物理科学与技术学院，武汉 430079

2.华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心，武汉 430079

1 引言

随着无线通信技术的迅速发展，逐渐形成了多种接入技术共存并相互融合的异构无线网络。在此背景下，为了能够在保障服务质量（Quality of Service，QoS）的同时提高无线资源的利用率，有必要对异构无线网络进行联合无线资源管理。联合呼叫接纳控制（Joint Call Admission Control，JCAC）作为联合无线资源管理机制的重要组成部分，已成为当前的研究热点[1-2]。JCAC算法包括接入选择和接入控制两方面，不仅需确定系统是否接纳到达的呼叫，还需确定系统中哪个无线网络最适合接纳该呼叫。

现有文献已经提出了多种JCAC算法。文献[3]以提高用户满意度为目的，提出了一种以用户为中心、基于资费的JCAC算法，但该算法缺乏对系统整体性能的考虑，容易造成网络间负载的不均衡，进而导致系统呼叫阻塞率和掉线率的上升。文献[4]提出了一种以网络为中心、基于负载均衡的JCAC算法，将到达的呼叫接入到负载最低的网络；文献[5]则提出了一种基于强制式负载均衡的JCAC算法，将负载较高网络中的部分呼叫强制切换到负载较低网络。但这两种算法均缺乏对用户偏好的考虑，其结果是用户满意度较低。文献[6]提出的JCAC算法虽然兼顾了用户和网络双方的利益，但没有考虑到呼叫业务类型的多样性。此外，已有的JCAC算法通常将接入选择与接入控制机制进行分离的研究[7-8]，而这两者之间实际上是相互联系和影响的：一方面，接入选择为接入控制提供目标接入网络；另一方面，接入控制的结果会影响接入选择的决策。

针对上述算法存在的不足，本文将接入选择与接入控制机制有机结合起来，设计了一种动态联合呼叫接纳控制（DJCAC）算法，在重视用户偏好的同时改善系统的性能及用户体验。

2 系统模型与算法结构

目前，异构无线系统的相关研究大多采用蜂窝网和WLAN的融合模型，而对异构蜂窝系统的研究甚少。为此，本文针对融合了M个不同制式蜂窝网（例如GSM，CDMA，UMTS等）的异构无线系统展开研究。为便于分析，假设该系统中各网络完全重叠地覆盖同一区域。由于不同制式蜂窝网采用了不同的接入技术，因而，为了解决系统的资源度量问题，本文将无线资源的大小统一表示为“等效带宽”，即：无线接入网RANm(m=1,2,…,M)的小区容量可以表示为Bm个基本等效带宽单元（bu）。此外，在系统支持I种业务类型的情况下，按照蜂窝网络中通常所采用的假设有：重叠区域中各类相互独立的新呼叫/切换呼叫的到达时间和呼叫保持时间将分别服从泊松分布和指数分布；对于业务类型为i(i=1,2,…,I)的新呼叫和切换呼叫，其到达率分别为和，呼叫保持时间的均值为1/σ。

本文设计的DJCAC算法在如图1所示的“联合呼叫接纳控制器”中实现。鉴于接入控制的结果会使网络负载发生改变，而不均衡的负载反过来又会影响接入选择的决策，因此本算法借鉴经济学领域的价格调节作用，设计了一种动态定价机制，在获取了反馈的各接入网络中实际呼叫到达率的基础上，依据各网络负载情况对其资费进行周期性的调整，从而对接入选择决策施加影响，以利于实现网络负载均衡。同时，考虑到各种呼叫的优先级不同，在接入控制环节设计了一种多级接入阈值的动态带宽分配策略，以进一步降低呼叫阻塞率及掉线率。

图1 DJCAC算法结构

图1中所示的呼叫接纳过程描述如下：在呼叫建立期间，移动终端向联合呼叫接纳控制器发送接入请求，接入选择模块综合多种决策信息，确定最适合接入该呼叫的可用网络；之后，接入控制模块根据所选网络中可以动态分配给该呼叫的可用带宽来确定是否接纳该呼叫；最后，联合呼叫接纳控制器将决策结果通知给移动终端。

3 接入选择

3.1 TOPSIS接入选择算法

为提高用户的满意度，在接入选择过程中采用逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）[10]，根据网络状态及用户的偏好为呼叫选择最优的接入网络。

假设采用N个相互独立的准则（例如资费、传输速率、功耗等）对异构蜂窝系统中各接入网进行评价，则对于系统中的M个候选网络，可构造接入选择的决策矩阵R：

式（1）中，rm,n表示RANm(m=1,2,…,M)在评价准则n(n= 1,2,…,N)上的评价值。

对于不同用户或业务类型，用户偏好会有所差异，因而对各评价准则所分配的权重也不同。若用表示对于用户u的i类呼叫，分配给准则n的权重，则N个准则权重所构成的权重向量为：

当用户u的i类呼叫到达时，采用TOPSIS法为其选择最优接入网，其具体计算步骤如下：

步骤1由于各准则的量纲及取值范围不同，因此需要对决策矩阵进行规范化，得到规范化矩阵R′：

若准则的评价值采用语言变量集，例如：{非常低、低、中等、高、非常高}，则首先确定各语言变量值所对应的三角模糊数，然后再将这些模糊数转换为清晰数{0.110 7，0.3，0.5，0.7，0.833 3}[11]。

步骤2计算得到加权规范化矩阵D：

其中，集合J和J′分别表示效益型（即越大越好型）准则和成本型（即越小越好型）准则的集合。

步骤4分别计算候选网络m与正、负理想解的欧式距离：

步骤6确定取最大值的候选网络为目标接入网。

3.2 动态定价机制

由于网络资费通常是用户在选择接入网时需要考虑的重要因素，因此将其作为接入网的评价准则之一，通过采取动态的定价机制来平衡网络间的负载，具体的设计思路描述如下：

动态定价模块每隔一定周期T获取系统各网络中不同类型呼叫的实际到达率（接纳率）以及相应的可用带宽，并据此计算各网络的理想到达率以及下一周期的服务资费，实现对各网络资费的动态调整。需要说明的是，在呼叫以某一服务资费接入到系统后，该呼叫的资费将保持不变。

当系统负载处于均衡分布时，在任一周期T内，若到达系统的i类新呼叫和切换呼叫按照可用带宽比例关系分流到各接入网络中，则相应的理想到达率可计算如下：

4 接入控制

4.1 多级接入阈值

假设系统支持三种业务类型：（1）i=1，固定比特率的实时业务（CBR），如话音和视频电话；（2）i=2，可变比特率的实时业务（VBR），如视频流；（3）i=3，非实时的可变比特率或没有指定比特率的业务（UBR），如email和文件传输。由于VBR和UBR业务所需带宽不固定，为便于分析，假定VBR和UBR业务可分配带宽的取值范围为三个离散值：{最小带宽(B)，平均带宽(B)，最大带宽(B}，并且在接入时请求分配带宽(B)的大小为B。

不同种类的呼叫具有不同的优先级。若从业务类型考虑，可根据上述三种业务类型的相关特性，设定CBR业务的优先级最高，VBR业务次之，UBR业务的优先级最低；若从用户体验角度考虑，由于用户移动或网络状态发生改变而产生的切换呼叫，如果在切换过程中出现掉线，显然比新呼叫发起时遇到阻塞更让人难以接受，因而设定切换呼叫的优先级高于新呼叫。为了尽量保证高优先级呼叫的QoS，可采取多级接入阈值的方法，即：对优先级越高的呼叫所设置的接入阈值越大；同时，为简化算法，对CBR、VBR和UBR这三种业务类型的新呼叫设置相同的接入阈值，具体设置如下：

4.2 多阈值动态带宽分配的接入控制算法

当呼叫接入目标网络时，为了降低阻塞率和掉线率，可根据该呼叫的种类以及目标接入网的资源状况，采取动态的带宽分配策略。当网络可用带宽不足时，可按照业务优先级由低到高的顺序，对网络中所占带宽可减少的呼叫进行适当降级，在逐步释放带宽资源的同时尽量减少对已有呼叫的影响。对于目标接入网中现有的可降级呼叫，可分别采取带宽降级算法1或算法2对其中一种业务类型或两种业务类型的呼叫进行降级处理，相应的算法伪代码分别如图2和图3所示。

图2 带宽降级算法1

图3 带宽降级算法2

对于新呼叫和切换呼叫所采取的接入控制算法流程分别如图4和图5所示。

图4 新呼叫的接入控制算法流程

图5 切换呼叫的接入控制算法流程

5 性能分析

5.1 仿真参数

为了评价本文算法的性能，现将其与文献[12]提出的VIKOR-JCAC算法进行比较。仿真环境中，异构系统由RAN1、RAN2和RAN3这三种蜂窝网络构成，呼叫业务类型包括CBR、VBR和UBR，价格更新周期T为10 min，具体仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

如表2所示，接入网的评价准则包括资费、传输速率和电池功耗。由于每隔一定周期会对资费进行动态调节，因此，表2给出的是各接入网的初始资费。同时，为了模拟真实的场景，对于每个到达系统的呼叫，为其随机分配各评价准则的权重。

表2 网络性能参数

5.2 仿真结果分析

图6（a）和图6（b）分别显示了采用VIKOR-JCAC算法与DJCAC算法时，各网络的负载百分比。从图中可以看出，对于VIKOR-JCAC算法，各网络不均衡的负载并不会随时间而有所改善；而对于DJCAC算法，各网络的负载会随时间逐渐趋于均衡。其原因是，DJCAC算法采取了动态定价机制，可以根据各网络负载情况随时间动态调整网络的服务资费，从而逐渐平衡网络间的业务负载。

图6 网络负载

图7显示了DJCAC算法与VIKOR-JCAC算法在新呼叫阻塞率和切换呼叫掉线率方面的性能。从图中可以看出，DJCAC算法的阻塞率和掉线率均低于VIKOR-JCAC算法；此外，DJCAC算法的阻塞率和掉线率随时间的增加会有所下降，而VIKOR-JCAC算法的阻塞率和掉线率则基本保持不变。其原因是，DJCAC算法采取了动态定价机制，通过均衡网络负载降低阻塞率和掉线率，并且，DJCAC算法采取了多级接入阈值及动态带宽分配策略，可以进一步降低阻塞率和掉线率。

图7 呼叫阻塞率和掉线率

6 结束语

本文将接入选择与接入控制机制有机结合起来，针对异构蜂窝系统，设计了一种动态联合呼叫接纳控制算法。该算法采用TOPSIS法为系统中到达的呼叫选择最优接入网络，提高了用户的满意度，通过动态调节网络资费均衡了系统的负载分布，采取多级接入阈值及动态带宽分配策略进一步降低了阻塞率和掉线率。需要指出的是，价格更新周期越短，越有利于实现负载均衡，从而提高系统的性能，但是会增加系统的计算负担；此外，动态带宽分配采取的是逐步释放带宽的方法，也在一定程度上增加了计算的复杂度。因而下一步的工作重点将是进一步简化算法，提高其实用性。

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LING Yutao1,WU Jianbin1,LIU Lili2

1.College of Physical Science and Technology,Central China Normal University,Wuhan 430079,China
2.National Engineering Research Center for E-Learning,Central China Normal University,Wuhan 430079,China

LING Yutao,WU Jianbin,LIU Lili.Dynamic joint call admission control algorithm in heterogeneous cellular systems. Computer Engineering and Applications,2013,49（24）：88-92.

A dynamic joint call admission control algorithm is designed aiming at the admission control problem in heterogeneous cellular systems.This algorithm adopts TOPSIS method to select the optimal access network and adjusts network cost dynamically according to the system’s load distribution,thus balances the load between networks by influencing the user’s access selection decision-making.Also,a multi-level access threshold and dynamic bandwidth allocation strategy is adopted for different call priorities to further improve system performance and user experience in the stage of access control.Simulation results show that the algorithm pays attention to the user preferences while achieving load balancing,reducing the call blocking probability and dropping rate.

heterogeneous cellular systems;joint call admission control;load balancing;bandwidth allocation

针对异构蜂窝系统的接纳控制问题，设计了一种动态联合呼叫接纳控制算法。该算法采取TOPSIS法选择最优接入网，根据系统负载分布情况动态调整网络资费，对用户的接入选择决策施加影响，以均衡网络间负载；针对不同的呼叫优先级，采取多级接入阈值及动态带宽分配策略，在接入控制环节进一步改善系统性能及用户体验。仿真结果表明，该算法在重视用户偏好的同时实现了负载均衡，降低了呼叫阻塞率和掉线率。

异构蜂窝系统；联合呼叫接纳控制；负载均衡；带宽分配

A

TN929.52

10.3778/j.issn.1002-8331.1306-0044

国家自然科学基金（No.61074046/F030107）；华中师范大学中央高校基本科研业务研究基金。

凌毓涛（1976—），男，博士，讲师，研究领域为异构无线网络资源管理、信号处理；吴建斌（1972—），通讯作者，男，博士，副教授，研究领域为无线网络优化和雷达信号处理；刘俐利（1982—），女，讲师，研究领域为信息处理。E-mail：infoccnu@163.com

2013-06-07

2013-07-23

1002-8331（2013）24-0088-05