WLAN中基于带宽降级策略的联合呼叫接纳控制算法

张 羚, 郭 英, 林志国, 虞兴隆

(1.空军工程大学 信息与导航学院,陕西 西安 710077; 2.中国人民解放军94826部队，上海 200433； 3.空军工程大学 装备管理与安全工程学院,陕西 西安 710051)

WLAN中基于带宽降级策略的联合呼叫接纳控制算法

张 羚1,2, 郭 英1, 林志国3, 虞兴隆2

(1.空军工程大学 信息与导航学院,陕西 西安 710077; 2.中国人民解放军94826部队，上海 200433； 3.空军工程大学 装备管理与安全工程学院,陕西 西安 710051)

由于无线局域网(wireless local area network,WLAN)接入用户日渐增多、无线带宽资源日益稀缺,IEEE 802.11 介质访问控制(media access control,MAC)层协议已经无法保证无线局域网中接入用户的服务质量(quality of service,QoS)。为了能在网络过载或者负载较重的情况下保证用户的QoS性能,呼叫接纳控制(call admission control,CAC)的引入是非常必要的。文章提出了一种联合权重系数和带宽降级策略的CAC算法。通过对策略前后不同类型业务性能仿真,验证了该算法对提高QoS性能的有效性。

呼叫接纳控制(CAC);带宽降级策略;无线局域网(WLAN);权重系数;效用

呼叫接纳控制(call admission control,CAC)作为无线资源管理的一种方式,已经成为IEEE802.11 DCF协议[1]以及IEEE 802.11 Task Group E提出的EDCF协议[2]的有力补充。3GPP 组织协议 TS 36.300认为呼叫接纳控制是一种对新的无线资源请求进行判决以决定是否接纳的控制方式[3]。目前,已有的CAC策略主要考虑对无线带宽资源进行管理,判断目前无线网络剩余带宽资源是否满足该业务的接入需求量[4],且根据不同类型业务,带宽管理策略[5]主要可以分为完全共享、部分共享、完全区分。这类CAC策略满足了业务类型对带宽需求的不一致性,在一定程度上提高了业务的呼叫接受率,但是在网络负载较重的情况下,就无法发挥其对服务质量(quality of service,QoS)的贡献。因此本文提出一种联合权重系数和带宽降级策略的CAC算法,在网络资源过载情况下,对已接入呼叫中权重系数最小的进行带宽降级,根据切换呼叫(HC)和新到达呼叫(NC)优先级不同,分别释放特定的带宽资源。并通过对降级前后呼叫拒绝率的仿真,验证该算法对提高QoS性能的有效性。

1 基于效用的用户业务模型

在用户业务效用模型建立基础之上,定义业务权重系数。首先,明确效用在通信领域的含义,即用户在通信过程中,对系统所分配带宽总数的满意程度[6]。然后,根据不同的业务类型,建立基于效用的用户业务模型。借鉴文献[6-7],将用户业务类型分为3个等级,并分析建立如下模型。

(1) 实时恒定速率业务,具体模型如下:

(1)

该类业务具有固定的数据率和较高的实时性要求。因此只要系统能满足其对实时性的要求,并能提供的带宽不低于最小值,用户就会对此次业务感到满意。其主要代表业务是语音。

(2) 实时可变速率业务,具体模型如下:

该类业务具有可变的数据率和实时性较高的特点,主要代表业务有视频。此类业务对错误概率要求不是很高。由人的视觉感受可知当带宽高于期望带宽时,视觉感受没有任何迟滞感,用户满意度较高。若所分配的带宽低于最低要求时,视频画面会出现卡顿感,甚至会出现停滞于某一帧画面的情形,此时用户对分配带宽的满意度为0。当带宽在两者之间时,越是接近期望带宽,再增加带宽所带来的满意度增加量就越小,因此,该范围的内带宽与效用之间是一个凹函数。

(3) 非实时业务,具体模型如下:

(3)

该类业务对时延没有要求,用户对它的满意度随带宽呈线性增大,直到达到期望带宽时,满意度就恒定不变了。代表业务有短消息、邮件等。

为便于定量描述业务特性,文献[8]引入了业务净效用,定义为业务的效用函数与该业务分配带宽的乘积,即

(4)

设业务呼叫i在整个通信过程中在小区内驻留的时间,则该业务服务价值为:

(5)

进一步可以推出权重系数表达式为:

(6)

其中,Cj为已接入呼叫;d为业务因子;n为完成一次完整通信过程,在CAC模块中被带宽降级的次数。将实时固定速率业务表示为RTCR,实时可变速率业务表示为RTVR,非实时业务表示为NRT。其中业务因子[9]dRTCR=8，dRTVR=2，dNRT=1。

2 基于带宽降级的联合接纳控制算法

2.1 带宽管理策略

首先对所有已接入呼叫的权重因子进行排序,选择因子数最低的已接入呼叫Cj进行带宽降级,所释放出的带宽资源大于请求呼叫所需的最小带宽时,接受该呼叫;相反,则选择权重系数次低的呼叫进行带宽降级,以此类推，直到小区内所有该类业务的Cj达到降级的最大限度。

当呼叫请求是NC时,若Cj的带宽已降低到最小带宽级别,则该呼叫请求就会被拒绝;当呼叫请求是HC时,若Cj的带宽已降低到期望带宽级别,则请求呼叫会被拒绝。

由于通信中HC掉话率的代价显然高于NC的阻塞率,因此设定HC优先级高于NC,两者对已接入呼叫Cj的降级量分别为:

(7)

(8)

其中,Breq,Cj为分配给呼叫Cj的带宽;Bmin,Cj为Cj最小带宽等级;Breq,Cj为Cj期望带宽等级;α、β为降级因子。

2.2 算法步骤

本文算法的具体步骤如下。

(1) 获取呼叫请求的一些QoS基本参数为：

其中,Breq,j为呼叫i的期望带宽值;Bmin,j为呼叫i的带宽最小值;Dmin,j为呼叫i的最大可容忍时延;Pi为呼叫类型(新到达呼叫或切换呼叫);Ki为呼叫i的业务类型。

(2) 在确定呼叫类型Pi的基础上,确定呼叫i的业务类型Ki。

(3) 判断现有资源是否能满足呼叫。若满足则接受呼叫请求;若不满足且该业务请求时延已经超过最大可容忍时延Dmin,j,则拒绝呼叫请求。

(4) 若时延未超过最大可容忍时延Dmin,j,则使用带宽降级策略。

(5) 若不满足带宽管理策略,但还未超时,则进入下一CAC周期进行重复上述步骤,若已超时,则拒绝该呼叫请求。

各业务类型呼叫是否满足接入要求,主要是对业务带宽和时延两项性能指标进行判定,因此判断是否接受呼叫请求的具体公式如下:

(1) 网络资源未过载的情况下,Dr,i

(2) 网络资源已过载的情况下,Dr,i

(3) 切换呼叫,Dr,i

(4) 新到达呼叫,Dr,i

算法基本流程图如图1所示。

图1 算法基本流程图

3 仿真分析

3.1 仿真参数设定

以3GPP LTE为仿真背景,带宽为20 MHz;IEEE 802.11n WLAN数据率为100 Mb/s。呼叫请求达到率服从泊松分布,持续时间服从负指数分布,仿真时间为1 800 s。仿真所需的业务参数设置见表1所列。其中,Bmin为最小等效带宽；Breq为期望等效带宽；Dmax为最大可容忍时延。

表1 业务参数设置

3.2 仿真结果分析

为了验证基于带宽降级策略的联合呼叫接纳算法的有效性,分别仿真带宽降级策略前后的业务拒绝率,并对其进行分析比较。呼叫请求拒绝率分别为HC掉话率和NC阻塞率,将其作为QoS性能标准,表达式如下:

(9)

(10)

对非实时、实时固定速率、实时可变速率呼叫请求处理的仿真结果如图2～图4所示。

图2 非实时业务的呼叫请求拒绝率

在未采取降级策略前,NC请求的阻塞率和HC请求的掉话率一致,符合流程图设计。在采取降级策略以后,各类业务的HC阻塞率明显低于NC掉话率,该结果符合优先级顺序;实时可变业务带宽需求最高,占用无线网络资源最多,因此它的拒绝率也高于其他两类业务;在没有采取带宽降级策略之前,呼叫请求达到4个/s左右时,网络就会进入负载状态,业务呼叫请求率急剧降低,在采用降级策略之后,各类业务的呼叫请求拒绝率下降了70%左右。本文采用的CAC算法提高了网络过载情况下的QoS性能,验证了算法的有效性。

图3 实时固定速率的呼叫请求拒绝率

图4 实时可变速率的呼叫请求拒绝率

4 结 论

基于带宽降级策略的联合呼叫接纳控制算法有效地解决了网络负载较重情况下的QoS性能较差的问题。采取带宽策略(带宽降级策略)有效提高了无线资源的利用率,优化了多类业务呼叫同时接入无线局域网的控制算法,具有较高的借鉴意义。

[1] IEEE Standards Association.Wireless LAN mediumaccess control (MAC)and physical layer (PHY)specifications：IEEE 802.11 WG[S].New York:IEEE Computer Society,2007.

[2] IEEE Standards Association.IEEE standard for wireless LAN mediumaccess control (MAC)and physical layer (PHY)specifications:IEEE 802.11 WG[S].New York:IEEE Computer Society,2005.

[3] 熊欢.LTE-Advanced基于资源利用率的接纳控制跨层设计[J].现代电子技术,2012(9):52-56.

[4] 王曙光.LTE系统中无线接纳控制的研究[D].成都:西南交通大学,2011.

[5] QIAN Y,TIPPER D,MEDHI D.A nonstationary analysis of bandwidth access control schemes for heterogeneous traffic in B-ISDN[C]//INFOCOM'96 Proceedings of the Fifteenth annual joint conference of the IEEE computer and communications societies conference on The conference on computer communications.Washington,D.C.:IEEE Computer Society,1996:730-737.

[6] LIU Kuanghao,CAI Lin,SHEN Xuemin.Multiclass utility-based scheduling for UWB networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2008,57(2):1176-1187.

[7] LU Ning,BIGHAM J.Utility-maximization bandwidth adaptation for multi-class traffic QoS provisioning in wireless networks[C]//Q2SWinet '05 Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Quality of Service & Security in Wireless and Mobile Networks.New York:ACM,2005:136-143.[8] 章玉刚,张军,张涛.基于效用和资源借用的移动卫星系统呼叫接入控制算法[J].电子与信息学报,2009,31(11):2687-2691.

[9] 周坡,曹志刚.基于网络效用的OFDM卫星移动通信系统呼叫接纳控制[J].宇航学报,2012,33(5):628-634.

(责任编辑 闫杏丽)

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CNKI推出《中国高被引图书年报》

日前，中国知网(CNKI)中国科学文献计量评价研究中心推出了一套《中国高被引图书年报》，该报告基于中国大陆建国以来出版的422万余本图书被近3年国内期刊、博硕、会议论文的引用频次，分学科、分时段遴选高被引优秀学术图书予以发布。据研制方介绍，他们统计并分析了2013-2015年中国学术期刊813万余篇、中国博硕士学位论文101万余篇、中国重要会议论文39万余篇，累计引文达1 451万条。根据统计数据，422万本图书至少被引1次的图书达72万本。研制方根据中国图书馆分类法，将72万本图书划分为105个学科，分1949-2009年和2010-2014年2个时间段，分别遴选被引最高的TOP 10%图书，共计选出70 911本优秀图书收入《中国高被引图书年报》。统计数据显示，这7万本高被引优秀图书虽然只占全部图书的1.68%，却获得67.4%的总被引频次，可见这些图书质量上乘，在同类图书中发挥了更加重要的作用。该报告还首次发布各学科“学科h指数”排名前20的出版单位的评价指标，对客观评价出版社的社会效益——特别是学术出版物的社会效益具有重要的参考价值。

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Combined call admission control algorithm based on bandwidth level degradation strategy in WLAN

ZHANG Ling1,2, GUO Ying1, LIN Zhiguo3， YU Xinglong2

(1.College of Information and Navigation, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China； 2.Unit 94826 of PLA, Shanghai 200433, China; 3.College of Equipment Management and Safety Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

IEEE 802.11 media access control(MAC) protocols are unable to provide quality of service(QoS) to subscribers who have access to wireless local area network(WLAN) any more due to the fact that the numbers of subscribers are larger and larger with increasingly scarce wireless bandwidth resources. It is necessary to introduce the measure of call admission control(CAC) in order to guarantee QoS performance of subscribers under the circumstances that the network is overloaded or heavily loaded. A novel CAC algorithm which integrates weight coefficient with bandwidth level degradation strategy is proposed. The validity of the algorithm to QoS guarantee is verified by simulating the performance of different types of service before and after the strategy.

call admission control(CAC); bandwidth level degradation strategy; wireless local area network(WLAN); weight coefficient; utility

2015-11-25；

2016-04-22

国家自然科学基金资助项目(61172148);航空科学基金资助项目(20112096016)和陕西省自然科学基金资助项目(2010JQ8003)

张 羚(1991-),女,上海市人,空军工程大学硕士生,中国人民解放军94826部队助理工程师; 郭 英(1961-),女,山西临汾人,博士，空军工程大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.008

TN919.21

A

1003-5060(2017)08-1048-05