通信网络中的接入控制研究

李 颖

（吉林长春光华学院，吉林 长春 130000）

0 引 言

当前，宽带无线接入技术发展迅猛，但仍没有一种接入网络能够完全满足用户大覆盖范围、高移动性支撑、高带宽、低时延和低丢包等要求。未来移动通信的发展趋势是将各种异构网络相互融合和彼此联通，有效整合与利用各类网络资源，为用户提供无处不在的服务。在异构网络环境下，终端通过综合考虑众多信息完成网络接入控制，可保障业务享有优质的服务量。接入控制可在多种接入网络的异构网络中应用，综合考虑多种网络参数，分析用户偏好与终端性能，是当前的热门研究方向，也是研究难点所在。在资源有限与多业务竞争的情况下，综合考虑用户侧需求和网络侧资源状况，通过用户侧和网络侧联合控制接入选择，有效提升网络资源的利用率和用户体验。

1 通信网络中接入控制研究现状

在进行网络选择时，需要制定相应的判决依据确定将哪些网络列为候选网络。传统的无线网络要求用户在进行网络接入选择时只需将网络提供的接收信号强度或信噪比等单一参数作为网络接入与否的判断依据，而与异构无线网络共存的无线网络接入技术不同，物理底层技术不同，不同接入技术的考虑因素、传输频段和协议标准也不尽相同，只有将多方面因素通过某种策略结合在一起，再加上用户的个性化需求，综合考虑得出候选网络的优先排序，保证用户接入到最适合的网络。

通信无线网络中的网络接入选择一般包括接入选择触发、接入选择判决、接入选择执行等阶段，具体描述如下。

（1）接入选择触发。用户终端可以通过自身配备的无线通信接口，定期或实时获取当前环境下可用网络的相关参数，同时可以通过网络实体进行网络参数收集，并以广播形式周期性告知用户移动终端，网络参数包括网络QoS信息、信号强度、通信链路质量以及网络负载。当新业务出现或当前网络无法满足用户需求时，可以通过用户侧触发接入选择。而当网络负载过重时，网络侧可触发接入选择，业务可进行网络再次选择，亦可称之为切换。

（2）接入选择判决。触发接入选择后，首先需要对收集到的信息进行相关处理，如归一化和模糊处理。然后需要根据相应的网络选择算法确定候选网络集，其中除考虑上述网络侧与用户终端侧收集到的信息外，还应结合用户偏好、业务类型和终端移动速度等参数。鉴于参数具有多样性且需要实施多属性判决，要求该算法既考虑全面又足够灵活，平衡好用户侧与网络侧的需求利益关系，最终为用户选择出最优网络实施接入。

（3）接入选择执行。即指接入使用网络接入选择算法得出的最优网络。当前，对网络接入控制的研究可分为集中式接入选择和分布式接入选择两大类。集中式接入选择算法是从整个异构网络系统层面考虑无线资源的协同管理和效率的最大化，能够实现各种无线接入网络间的负载均衡，主要通过在网络侧增加相应的接入选择单元来实现，相应的接入选择单元通过搜集终端业务候选网络参数及状态信息，同时对所收集的相关数据进行分析并依据一定的策略来选择最佳目标接入网络。该方式对网络侧相应的接入网络选择单元要求较高，且复杂度较高，实现较为困难。分布式接入选择算法则主要是从终端角度和单个网络系统开展考虑，依据相应的判决策略选择最佳接入网络。在当前异构无线融合网络中，具备多个无线接口的终端可同时开启网络接口，周期性搜集网络状态广播信息。随着移动终端计算和存储能力的快速发展，分布式接入选择算法的可实施性越来越强。

近年来，关于分布式接入选择算法的研究取得了丰富的研究成果，其研究的出发点和优化目标各不相同，如最大化用户吞吐量、降低阻塞率、通信费用与资源消耗、均衡不同网络间的负载以及提高系统的资源利用率等。当前对分布式接入选择算法的研究可分为单接入网络选择算法和多接入网络选择算法两类。现有的单接入网络选择算法通常以终端为基本网络选择单位，通过相应的选择方法与策略选择单一的最优网络开展接入，并在合适的时刻发起切换，使终端始终保持最佳连接。而多接入网络选择算法则是以多模终端为基础，同时选择接入多个网络执行业务的并行传输。该类算法通常依据网络、终端和用户等各类信息在多无线接入网络中选择一个接入网络集，保证该接入网络集满足业务传输的最低时延或达到网络的最大化利用率。在考虑网络选择和接入控制时，不仅要满足网络系统的需要，也要符合用户偏好，需要考虑的参数主要有网络带宽的使用情况、网络性能参数与用户习惯偏好等。

典型的基于多属性决策的网络接入算法有多种，如简单加权法，使每一个参数对应一个权重值，计算参数值与权重值相乘的总和得出每个候选网络的最终得分，在设定权重值时需要考虑成本型和效益型两种类型，求取代价函数值最高的网络实施接入。考虑的参数因算法的偏重不同也有所不同，如Filho J L D O考虑将网络费用作为决策参数。接近理想值排序法是一种典型的接入控制方法，设定属性的正负理想值，给出一个最优网络选择方案，对候选网络进行函数值的计算，得到其与最优网络选择方案的差值，差值最小的即为选择接入的网络。层次分析法在网络接入控制算法中属于运用最多的算法，如Preethi G A、Chandrasekar C提出了基于层次分析法（AHP）算法[1]，可对网络参数实施两两相对比较，分析不同参数的重要性，从而得到不同参数的权重，但该算法的相对重要性判断受主观影响较大。此外，存在基于AHP的改进算法，融合其他算法减少权重判断时的主观影响，如将层次分析法与接近理想值或模糊层次分析法相结合。灰色关联分析法则是通过分析离散序列的关联程度对其进行排序选择，可计算出候选网络与最优网络的相似程度，选择最接近的网络实施接入，也可将其与层次分析法相融合，通过AHP计算权重大小后利用灰色关联分析法对网络进行排序[2]。

2 基于负载均衡和信道分配的接入选择

在异构无线网络中，不同类型的无线接入网络在带宽分配策略、业务类型划分以及资源调度等方面都存在较大差异，所制定的接入选择策略也有很大差别。当无法做到异构网络中多种业务的同时到达、网络是否进行接入与接入优先选择协调执行时，易导致业务通信中断或业务呼叫阻塞。现有的接入选择算法大多从用户侧角度考虑，为用户选择最优网络却未考虑网络资源利用情况。因此,在异构无线网络中,为实现更好地分配和利用无线资源，需要从网络侧结合终端侧对业务接入申请实施选择判决。一方面可均衡网络负载，提升无线资源利用率，另一方面保证用户QoS降低业务掉线率，设计出有效的接入选择策略，或称为接纳控制策略。

网络实体通过实时或者定期监测获取终端发来的终端信息，结合自身网络状况收集参数，根据RSSth（RSS阈值）和Vth进行预处理，排除不满足条件的网络，进而采用可拓模糊层次分析法获取各参数的权重，结合网络状态权重和实际业务需求权重计算总体网络性能值，得出总性能函数值最大的网络进行接入。业务接入网络后，依据基于业务优先级的信道分配算法分配信道，接纳业务，保证用户QoS资源利用率达到最大化。其中，预处理主要考虑接收信号强度（RSS）与终端移动速度两方面因素。若终端的接收信号强度小于设定阈值RSSth，则将该网络从候选网络中排除，判定为信号太弱，不适合接入，反之则开展候选接入选择流程。若终端移动速度大于设定阈值则将该终端接入UMTS网络，此情况下，WLAN网络覆盖范围小，高速移动的终端很快会移出WLAN网络覆盖范围，为避免不必要的切换，直接接入UMTS网络，反之则需进行后续接入选择流程。

需要综合考虑终端侧与网络侧的需求开展网络接入选择，同时考虑各网络的QoS参数和用户偏好信息，鉴于用户请求接入的业务类型有各自特点，需要通过分析不同业务类型选取最优网络。移动网络业务可分为会话类、流媒体类、交互类与背景类四类[3]，概括起来可分为实时类与非实时类（根据对时延的要求进行划分）。

会话类业务通常属于实时业务，如语音和视频会议等，对时延的要求相对较高，而对误码率的要求并不高。对于会话类业务，若低时延的要求得不到保障，会严重影响业务的服务质量。

对于背景类和交互类业务而言，时延与抖动造成的影响较低。对交互类业务而言，更多的是要求较低的误码率，背景类业务对误码率、时延与抖动的强制性要求则较低，主要应用在后台下载等业务上，文件下载与邮件发送是其具体应用代表。

流媒体类业务属于非实时业务，大多数为单向传输，其大数据量传输非常依赖网络带宽，对于时延、抖动以及丢包率的要求并不高。

3 选网决策因素

其中有些参数用于计算效用函数之中[4]，有些参数则只是作为网络选择的触发条件或预处理阈值[5]，如接收信号强度（RSS）与终端移动速度等。

（1）接收信号强度（RSS），表示无线网络基站以恒定发射功率发射出的分离信号在经过传播最终被移动终端网络接口接收时的功率大小，反映无线通信信道质量，影响终端可获得的可用带宽和丢包率，是保证可靠通信的基础和必要条件。RSS是判决网络是否符合接入条件的重要因素。

（2）终端移动速度，不同无线网络的覆盖范围有所不同，如蜂窝网络可支持高速运动的移动终端，WLAN覆盖范围则较小，若高速移动的终端接入该网络，可能很快离开其覆盖范围，造成业务频繁切换，产生乒乓效应，不仅严重影响用户体验感，还会浪费网络资源。基于此，可设置网络接入的移动速度阈值，超过该阈值的移动终端直接接入UMTS网络。

（3）带宽（Bandwidth），表示无线网络系统单位时间内所能传送的最大数据量。一般，非实时类业务对带宽要求较大，如视频下载或图片传送等。实时类业务对带宽的要求则小得多，一般的语音通话只需要4～64 kbit/s的带宽。

（4）时延（Delay），表示数据包从发送端传输到接收端所用的时间。时延对实时类业务的服务质量影响程度最大，如语音通话和可视电话等业务皆为双向，首要的要求便是实时性，对通话中的用户来说，对方话音的延迟以难容忍。至于非实时类业务，时延要求不高，保证业务高质量传送到目的地就行。

（5）丢包率（Packet-loss Rate，PR），低丢包率是保障数据完整的前提，对于交互类与背景类业务而言，丢包率指标的重要程度高于时延与抖动。至于以视频业务为代表的流媒体类业务及以语音业务为代表的会话类业务，对丢包率的要求相对较低，部分数据包的丢失并不会严重影响此类业务的感官体验。

（6）网络负载，即是描述候选网络的状态，由网络实体进行实时监测，可用资源利用率实施考量。当网络负载较大时，应拒绝新业务的接入，保证现有业务服务质量，而业务在选择网络接入时也应充分考虑网络负载状态对自身的影响。

（7）用户偏好，该指标充分考虑用户个性化需求，根据用户对某网络的偏好程度开展设置。

4 结 论

基于用户移动和信道分配的接入选择策略可通过两个方面优化网络接入选择，先应用可拓模糊层次分析法得出候选网络排序，再通过带宽分配算法进行接入控制。候选网络的获取，需要对用户移动速度和RSS进行预处理，综合考虑网络环境和用户环境，对不同参数设定相应的权重值，并在设定权重时应用可拓理论与模糊层次分析法消除层次分析法中专家打分的随意性与主观性，计算出候选网络的总性能函数值，选择效用值最大的网络进行接入。在接入网络时，需根据不同业务优先级进行带宽分配，若接入网络满足带宽要求则接入业务，否则选择次优网络接入，保障通信网络中的接入控制的质量。