高效联合接纳控制策略研究

杨春德，史继飞

(1.重庆邮电大学计算机科学与技术学院，重庆400065;2.重庆邮电大学系统理论与应用研究中心，重庆400065)

0 引言

随着网络通信技术的迅速发展，网络融合已成为一种必然趋势，并为用户提供无缝业务连接和全球移动性。具有不同接入技术和服务类型的异构网络，能够支持具有不同服务质量需求的多媒体业务。不同的接入技术具有不同的覆盖范围、系统容量、安全性和花费代价。因此，研究联合呼叫接纳控制策略对于保证移动用户任何时候和任何地点都能永久在线并合理分配网络有限资源是非常必要的。移动用户根据网络的当前状态和个人偏好进行不同网络接入技术的合适选择，同时网络提供商也希望提供最大化的网络收益，充分利用网络资源。因此，在保证用户服务质量 (quality of service，QoS)的同时合理选择不同的接入技术是联合呼叫接纳控制机制研究的重点。目前，该领域相关专家已经根据业务自身特点进行区分业务类型研究，对于移动切换性所产生的接纳控制问题也进行了一定的阐述。针对越来越复杂的网络架构、业务类型，如何保证不同业务合理接入网络成为该领域中研究的热点问题。本文则基于研究热点的基础上，进一步深入研究，提出新的高效联合控制策略，以解决更加有效的异构网络中接纳控制问题。该研究对于将来接纳选择的理论研究和复杂网络架构的实际部署来说都是具有十分重要的意义。本文所提策略将与不区分业务接纳控制策略及不支持移动切换性的接纳控制策略相比，通过理论推导、仿真验证，证明网络效用值具有较大的提升。并且，在呼叫阻塞率与切换掉话率上起到了很好的平衡效果。

1 相关研究

接纳控制机制是无线资源管理的关键技术，它保证了用户呼叫业务的QoS需求，接纳控制策略的好坏会直接影响到系统资源利用率，进而影响到各类型业务服务质量的体验性。目前，国内外对该策略有了相关的研究。蜂窝网络中无线资源管理模型通过提供高效空口资源利用率来满足不同用户QoS需求。相关接纳控制研究在不同类型网络中均已涉及;文献［1，2］中介绍了传统的CDMA蜂窝移动通信网络系统中的接纳控制;文献 ［3，4］中介绍了WLAN局域网系统中的接纳控制;文献［5］中介绍了一种基于负载均衡的接纳控制机制;文献［6］中介绍了新型4G移动无线通信网络系统中支持QoS约束的接纳控制算法。以上研究对象均是单一网络，随着无线网络接入技术种类的不断增长，在多种网络同时存在的系统环境下进行的研究也逐渐增加。文献［7］描述了多业务负载均衡的网络架构接纳模型;文献［8］研究了基于半马尔科夫决策过程模型［9］的联合呼叫接纳控制，通过求解线性规划过程获得最优解，但未能考虑到不同业务的优先级。

但是现有的研究，大多数未能结合网络负载状态综合考虑用户移动切换性及业务差异性，本文提出异构网络环境中的一种区分业务和支持移动切换性的联合接纳控制策略。首先分析不区分业务的接纳控制策略和不支持移动切换性的接纳控制策略的特点，然后重点对比不同策略之间的区别并给出本文研究的策略的基本流程图，最后通过数值仿真分析对方案的合理性与正确性。

2 网络拓扑及策略分析

2.1 网络拓扑

本文为了解决异构无线网络中业务接纳控制问题，结合目前实际网络特征，首先假设如图1所示的异构无线网络拓扑结构示意图。在该拓扑示意图中，LTE为目前广泛研究的第四代移动通信 (4G)宏蜂窝网络，保证用户业务高实时性需求;WLAN为无线局域网络，保证用户业务高带宽需求;BS为基站，负责移动终端之间信息的传递;MT为移动终端，为发出业务请求或接受请求响应的设备。

图1 异构无线网络典型拓扑

在图1中，网络系统包含LTE宏蜂窝网络和WLAN无线局域网络，其中LTE宏蜂窝网络可以划分为LTE区域和WLAN区域，WLAN无线局域网络只包含WLAN区域。在该网络系统中，假设总共存在两种多媒体业务，即语音业务和数据业务;同时存在两种呼叫类型，即新呼叫类型与切换呼叫 (水平和垂直切换)［10］类型。由于语音业务具有实时性、带宽资源需求较少的特点;数据业务则相反，具有非实时性、带宽资源需求较多的特点。因此，LTE宏蜂窝网络偏向于接纳语音业务，WLAN网络偏向于接纳数据业务。即将语音业务成功接纳到LTE网络比成功接纳到WLAN网络中获得的收益较大，数据业务则相反;当业务到达系统时，需要在较短的时间内做出决策，考虑是否接纳以及如何接纳。可以赋予语音业务相对于数据业务较高处理优先级。对于两种呼叫类型，其中新呼叫类型指某一时刻，系统中检测到有新的语音业务或者数据业务到达网络;切换呼叫类型指正在网络中进行的语音业务或者数据业务由于用户需要从一个区域移动进入另外一个区域时发生的切换呼叫。较新呼叫类型而言，正在通话或数据操作的用户进行切换引起的掉话率会更加难以令人忍受。故可以赋予切换类型具有相对较高优先级。若用O表示各业务呼叫类型的优先权，则有以下关系:Ovh＞Ovn＞Odh＞Odn，其中Ovh表示语音业务切换优先级，Ovn表示语音业务新呼叫优先级，Odh表示数据业务切换优先级，Odn表示数据业务新呼叫优先级。当系统资源充足时，作以下一般假设:①各业务呼叫类型到达系统的时间间隔服从参数为λ的泊松分布;②各业务呼叫类型在系统中接纳服务所需的服务时间服从参数为μ的指数分布;③对于特定系统模型，其最大容纳上限值C是可计算或事先给定的，本文假设是事先给定的值。

2.2 策略分析

为了进一步解决接纳控制问题，在网络拓扑给出的基础上，本节将采用类排队论［11］的理论进行接纳控制研究。总体设计方案如图2所示。

图2 联合呼叫接纳控制方案

从图2中可见，网络系统中，语音新的呼叫业务、语音切换业务、数据新呼叫业务和数据切换业务随时都有可能发生。当系统接纳控制器检测到有对应业务到达时，根据到达业务的QoS需求以及当前网络信道资源可用情况对相应业务做出接纳或者拒绝处理。传统的方案则是不区分业务接纳策略［12］，即当各业务到达时，系统接纳控制器不能得知该业务具体类型，而且不能合理选择相应网络，而采取随机接纳到LTE网络或WLAN网络中，此时系统容量信道为LTE网络信道与WLAN网络信道共享;另外一种传统接纳方案是不同网络之间独立接纳控制，即不存在“资源借用”的情况。譬如当语音业务请求到达时，根据语音业务特点选择接纳到LTE网络中，若LTE网络中有足够的剩余资源，则接纳该语音的接入请求，否则拒绝。本文提出的方案能够很好的对业务呼叫类型进行区分，根据不同网络当前负载情况，优先选择对应网络，当不能接纳时，考虑对另一网络进行“资源借用”进行二次接纳判断。因切换引起的掉话情况比起新呼叫引起的阻塞情况更加难以令人忍受，本方案所采取的为切换预留独享的信道资源，可以有效降低切换掉话率，保证用户体验型。

2.3 流程描述

基于上述分析，考虑到利用不同网络间协同接纳来达到网络整体收益最大化。本文所提出的区分业务类型与支持移动切换性的联合接纳控制策略的基本流程如图3所示。

图3 联合接纳控制流程

主要步骤为:

(1)业务到达时，首先获取业务的基本信息，包括业务类型，带宽要求，优先级别等。

(2)判断该业务是否为实时业务，进一步判断该呼叫类型是否为具有高优先级的切换用户，若为语音业务则优先考虑接入LTE网络中，若LTE网络资源充足，则考虑接纳呼叫请求。

(3)如若在首选LTE网络中资源剩余不足，那么可以考虑借用WLAN网络中的资源，WLAN网络资源充足，则考虑接纳呼叫请求，否则拒绝。对于数据业务，情况相同。

(4)该时刻处理结束，下一时刻重复上述步骤。

3 仿真及性能分析

为了验证本文所提出的联合接纳控制策略有效性，本节主要给出该策略与上述提及的不区分业务和不支持移动切换性场景下的策略性能进行比较，利用matlab实验平台验证其合理性。

3.1 参数设定

仿真网络拓扑如图1所示，考虑到目前广泛使用的语音和数据两种典型业务，异构网络系统中存在着新呼叫类型、水平切换类型及垂直切换类型。为了降低仿真复杂度，本文将水平切换和垂直切换统一看成切换类型，即存在新呼叫与垂直切换两种典型呼叫类型。LTE网络仍以语音业务接纳为主，WLAN网络仍以数据业务接纳为主。假设到达异构无线网络系统中所有业务的服务时间均值为1。业务到达时间间隔均值变化范围为0.4到0.05。单一网络系统容量上限值均为10，对于新呼叫类型可以使用的容量上限值为总容量值的80%。假设每个语音业务成功接纳到LTE网络中获得的收益为0.02，成功接纳到WLAN网络中获得的收益为0.01;每个数据业务成功接纳到WLAN网络中获得的即时收益为0.02，成功接纳到LTE网络中获得的即时收益为0.01。

3.2 性能分析

图4 仿真结果

如效用对比图4(a)所示，随着语音或数据业务量到达系统平均时间间隔越来越小时，即每单位时间内平均到达数量逐渐增加，本文所提出的联合接纳控制策略所产生的网络平均效益将越来越凸显。语音业务为实时性业务，具有相对高优先级，如效果对比图4(b)和图4(c)所示，当系统中语音或数据业务量越来越多时，同一时刻，优先进行接纳判断语音业务的存在性，所以从效果对比图中可见语音业务的新呼叫阻塞率与垂直切换掉话率值都相对比较低。充分显示语音业务高优先级特点，保证了系统中语音的实时性。相对而言，数据业务为非实时性业务，偏向于较大的带宽需求，在语音业务与数据业务共存的场景中，当系统中语音业务或数据业务到达数量很多时刻，由于优先选择语音业务进行接纳处理，到达的语音业务进入处理队列，占用了系统的信道容量，故而会导致一定数量的数据业务无法获得及时接纳处理，如效果对比图4(d)和图4(e)所示，数据业务新呼叫阻塞率和垂直切换掉话率值的效果相对不是很明显。与不支持移动性和不区分业务的传统接纳控制策略值幅度相差不大。而从图4(d)中可见，联合接纳控制策略的切换掉话率比传统接纳控制策略值稍大，正如刚才分析，语音业务占用了数据业务的一定信道带宽导致的。综上可知，本文提出的联合接纳控制策略在保证网络整体收益的情况下可以很好的保证系统实时性，在新呼叫阻塞率和切换掉话率之间起到很好折中效果。

4 结束语

本文首先给出了异构无线网络中典型网络拓扑，并对相关场景进行了说明，然后在传统的接纳控制策略的基础上提出了联合接纳控制策略，进行了比较后给出了联合接纳控制策略的算法流程图，最后设定特定的场景，进行仿真，通过实验验证了该策略的有效性。所提出的接纳控制策略可以有效提高网络整体收益，降低新呼叫阻塞率与切换掉话率，满足不同用户的QoS需求。

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