基于CDMA的网络接纳允许控制算法仿真与性能分析

张婷

（安徽粮食工程职业学院信息技术系 安徽合肥 230011）

一、引言

尽管CDMA系统已经逐渐淡出通信市场的视线，但是在过去很多解决问题的方法方式仍然值得研究和反思[1]。何南等人通过VB编程结合Access数据库优化CDMA移动通信中话务统计软件，降低各业务部门之间的差错率[2]。黄大晴等人提出了一种CDMAPA匹配的方法和思路，能够很好的兼容Skyworks公司软件的多频电路[3]。同时，通过一个完善的呼叫接纳控制策略，能在做出最小牺牲的情况下，充分的利用无线网络资源，将有限的资源合理的分配于诸多任务请求，提高系统效率[4]。黄生叶等人利用容量缩放因子的动态调整特性，提出了可支持多速率VBR业务系统的呼叫接纳控制策略，有效提高了各类业务的吞吐量[5]。前人的研究的CAC算法中，仅针对语音、视频、数据三类业务。这样简单的分类是片面的，已经不能达到标准。所以，需要根据3GPP的标准将业务进行详细分类后，再考虑合适的呼叫接纳控制策略。本文针对多业务CDMA系统，分析了一种CAC策略。该策略主要针对语音、视频、交互类数据和背景类数据等业务进行资源分配的优化。本文对此进行了系统的分析、设计、仿真和总结。

二、基于剩余容量的动态呼叫接纳控制算法

（一）系统剩余容量分析

CDMA系统中用户i的信噪比为：

其中，第i个用户的功率为Si，传输速率为Ri，系统带宽为W，总体干扰为IT。设IL为小区内干扰，第2层干扰为I2，I2为小区内干扰的f倍，f为常数。则有：

用户i接入必须满足条件：

γi为第i个用户的目标信噪比。由(4)可得：

为便于求解S*，令(5)左右两边相等，得到如下矩阵：

功率不能是负值，因此有：

其中话音激活因子为αv，由(8)可以得到：

其中v1(n),v2(n),v3(n),v4(n)分别是第n个定时周期语音用户、视频用户、交互式数据用户和背景类数据用户数。分别令

定义第n定时周期内系统归一化剩余容量π(n)为：

（二）呼叫接纳控制算法策略要求。不同多媒体业务之间存在优先级先后差异。语音和视频业务对实时性要求较高不允许延迟时间过长。当剩余容量不达要求时，可以以门限速率传输视频业务。数据业务可接受一定的延迟但二者均不能产生误码，否则将进行重传。在进行CAC时，尽量满足高优先级业务的QoS要求。为保证高优先级业务的QoS要求，不影响其正常接入，在执行业务前需保留部分资源以便补充。例如，当运行资源不够时，高优先级业务将占据低优先级业务资源，低优先级业务则进行降级执行。

同时本文分析的CAC策略是基于系统剩余容量和预留资源的。系统归一化容量为1。当有新呼叫到达时，首先假设建立新呼叫连接和估计已建立连接过后的系统剩余容量，然后再对剩余用量以及门限值进行比较。当剩余容量〉门限值时，接受呼叫；当剩余容量≤门限值时，可以对低优先级业务资源进行剥夺，再进行剩余资源的评估。视频和交互类数据业务剥夺资源过程和语音业务是一样的。另外背景类数据业务资源不足时，采取的处理办法有所不同。可将其进行缓冲排队计时，但业务排队时间不是无限的，如果超过规定时间还没有足够的剩余资源则需要将其阻塞掉；若在计时结束之前系统空余出足够的剩余资源，则允许建立连接。因此，CAC策略如图1所示。

图1 四种数据业务CAC策略执行流程

（三）呼叫接纳控制算法性能指标。为了全方位反映系统的性能情况，分别选择了阻塞率、中断率、系统延迟以及服务等级等四个性能作为指标进行测试。定义系统中断率为：

其中，num{x}表示事件x发生的总次数，T为总的仿真次数，thres为各业务剩余容量门限。为简化起见本文只考虑阻塞率和系统中断率，因此阻塞率与中断率的加权评估指标GoS：

其中PB为阻塞率，且m+n=1。

三、仿真与结果分析

（一）仿真设计。为了验证CAC算法的有效性，本文分别设计四种不同类型的通讯业务，具体的参数如表1所示。

表1 四类业务参数

通过MATLAB程序设置了每种业务的数目、总的用户数目、到达率、语音速率和数据速率。其中包括：（1）程序运行所需要的四种用户类型，包括语音、视频、交互类、背景类等，采用相同的办法生存矩阵。矩阵共九列，依次代表：到达时间、服务时间、结束时间、用户类型、是否被挂起、服务速率、是否结束、是否将用户挂起和一个唯一的标志码。结束时间等于到达时间加上服务时间。（2）语音用户具有最高优先级，在资源不足时可以剥夺其他业务资源，例如数据用户的优先级较低，若视频用户无法接入不足也可以占用数据用户资源供自身使用。

（二）仿真结果。通过使用MATLAB进行仿真得出结果，如图2-图5所示。其中，图2为四类业务的阻塞率图形，从图中可以看到背景类数据业务拥有最低的阻塞率。如图3所示，可以得知当资源不足的时候时，背景类数据业务将被放入缓冲队列，阻塞率和缓冲时间呈负相关，缓冲时间越长阻塞率就越低。图3为四类业务的中断率图形，中断率结果完全符合前文所述各类业务的QoS优先级定义。语音类业务的中断率为零，视频类业务与交互类数据业务次之，最高中断率为背景类数据业务，因为其他业务可以剥夺其占有资源。图4为背景类数据业务的平均延迟，由于语音类业务与视频类业务对传输实时性要求较高，不像数据类业务允许较高的延迟，尤其是背景类数据业务。故为满足高优先级业务的QoS要求，背景类业务有较高延迟是合理的。图5为GoS图形，为得到对比结果，取了两组数据分别为：m=0.5、n=0.5；m=0.3、n=0.7。比较m、n的值，由图像得知阻塞率对系统GoS影响比中断率更大。

图2 四类业务的阻塞率图形

图3 四类业务的中断率图形

图4 背景类数据业务的平均延迟

图5 GoS图形

综上所述，本文所设计的呼叫接纳控制策略对系统性能具有较大改善效果。

四、结论

呼叫接纳控制是CDMA系统无线资源管理的重要环节之一，可以维护系统稳定性，提高系统容量并防止过载。文中基于剩余容量的CAC算法，充分考虑了多种不同优先级任务的情况下，得出了理想的结果。在接纳更多新用户的同时，已建立用户的中断率有所降低，保障通讯的正常进行。在切换发生时，优先考虑切换用户业务的稳定。从结果可以看到，不同优先级用户在通信过程中有不同的地位，各项性能指标有所不同。总的来说，本文分析的基于剩余容量的CAC策略能有效地改善系统性能。