楊春德，史繼飛

(1.重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶400065;2.重慶郵電大學(xué)系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究中心，重慶400065)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)融合已成為一種必然趨勢(shì)，并為用戶(hù)提供無(wú)縫業(yè)務(wù)連接和全球移動(dòng)性。具有不同接入技術(shù)和服務(wù)類(lèi)型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能夠支持具有不同服務(wù)質(zhì)量需求的多媒體業(yè)務(wù)。不同的接入技術(shù)具有不同的覆蓋范圍、系統(tǒng)容量、安全性和花費(fèi)代價(jià)。因此，研究聯(lián)合呼叫接納控制策略對(duì)于保證移動(dòng)用戶(hù)任何時(shí)候和任何地點(diǎn)都能永久在線并合理分配網(wǎng)絡(luò)有限資源是非常必要的。移動(dòng)用戶(hù)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)和個(gè)人偏好進(jìn)行不同網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的合適選擇，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)提供商也希望提供最大化的網(wǎng)絡(luò)收益，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。因此，在保證用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量 (quality of service，QoS)的同時(shí)合理選擇不同的接入技術(shù)是聯(lián)合呼叫接納控制機(jī)制研究的重點(diǎn)。目前，該領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)家已經(jīng)根據(jù)業(yè)務(wù)自身特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分業(yè)務(wù)類(lèi)型研究，對(duì)于移動(dòng)切換性所產(chǎn)生的接納控制問(wèn)題也進(jìn)行了一定的闡述。針對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)類(lèi)型，如何保證不同業(yè)務(wù)合理接入網(wǎng)絡(luò)成為該領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文則基于研究熱點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究，提出新的高效聯(lián)合控制策略，以解決更加有效的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中接納控制問(wèn)題。該研究對(duì)于將來(lái)接納選擇的理論研究和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)際部署來(lái)說(shuō)都是具有十分重要的意義。本文所提策略將與不區(qū)分業(yè)務(wù)接納控制策略及不支持移動(dòng)切換性的接納控制策略相比，通過(guò)理論推導(dǎo)、仿真驗(yàn)證，證明網(wǎng)絡(luò)效用值具有較大的提升。并且，在呼叫阻塞率與切換掉話(huà)率上起到了很好的平衡效果。

1 相關(guān)研究

接納控制機(jī)制是無(wú)線資源管理的關(guān)鍵技術(shù)，它保證了用戶(hù)呼叫業(yè)務(wù)的QoS需求，接納控制策略的好壞會(huì)直接影響到系統(tǒng)資源利用率，進(jìn)而影響到各類(lèi)型業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的體驗(yàn)性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)該策略有了相關(guān)的研究。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線資源管理模型通過(guò)提供高效空口資源利用率來(lái)滿(mǎn)足不同用戶(hù)QoS需求。相關(guān)接納控制研究在不同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)中均已涉及;文獻(xiàn)［1，2］中介紹了傳統(tǒng)的CDMA蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的接納控制;文獻(xiàn) ［3，4］中介紹了WLAN局域網(wǎng)系統(tǒng)中的接納控制;文獻(xiàn)［5］中介紹了一種基于負(fù)載均衡的接納控制機(jī)制;文獻(xiàn)［6］中介紹了新型4G移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中支持QoS約束的接納控制算法。以上研究對(duì)象均是單一網(wǎng)絡(luò)，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)種類(lèi)的不斷增長(zhǎng)，在多種網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在的系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行的研究也逐漸增加。文獻(xiàn)［7］描述了多業(yè)務(wù)負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)接納模型;文獻(xiàn)［8］研究了基于半馬爾科夫決策過(guò)程模型［9］的聯(lián)合呼叫接納控制，通過(guò)求解線性規(guī)劃過(guò)程獲得最優(yōu)解，但未能考慮到不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)。

但是現(xiàn)有的研究，大多數(shù)未能結(jié)合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)綜合考慮用戶(hù)移動(dòng)切換性及業(yè)務(wù)差異性，本文提出異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的一種區(qū)分業(yè)務(wù)和支持移動(dòng)切換性的聯(lián)合接納控制策略。首先分析不區(qū)分業(yè)務(wù)的接納控制策略和不支持移動(dòng)切換性的接納控制策略的特點(diǎn)，然后重點(diǎn)對(duì)比不同策略之間的區(qū)別并給出本文研究的策略的基本流程圖，最后通過(guò)數(shù)值仿真分析對(duì)方案的合理性與正確性。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼安呗苑治?/h2>

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

本文為了解決異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)接納控制問(wèn)題，結(jié)合目前實(shí)際網(wǎng)絡(luò)特征，首先假設(shè)如圖1所示的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。在該拓?fù)涫疽鈭D中，LTE為目前廣泛研究的第四代移動(dòng)通信 (4G)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)，保證用戶(hù)業(yè)務(wù)高實(shí)時(shí)性需求;WLAN為無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，保證用戶(hù)業(yè)務(wù)高帶寬需求;BS為基站，負(fù)責(zé)移動(dòng)終端之間信息的傳遞;MT為移動(dòng)終端，為發(fā)出業(yè)務(wù)請(qǐng)求或接受請(qǐng)求響應(yīng)的設(shè)備。

圖1 異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)典型拓?fù)?/p>

在圖1中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包含LTE宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，其中LTE宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以劃分為L(zhǎng)TE區(qū)域和WLAN區(qū)域，WLAN無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)只包含WLAN區(qū)域。在該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，假設(shè)總共存在兩種多媒體業(yè)務(wù)，即語(yǔ)音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);同時(shí)存在兩種呼叫類(lèi)型，即新呼叫類(lèi)型與切換呼叫 (水平和垂直切換)［10］類(lèi)型。由于語(yǔ)音業(yè)務(wù)具有實(shí)時(shí)性、帶寬資源需求較少的特點(diǎn);數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則相反，具有非實(shí)時(shí)性、帶寬資源需求較多的特點(diǎn)。因此，LTE宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)偏向于接納語(yǔ)音業(yè)務(wù)，WLAN網(wǎng)絡(luò)偏向于接納數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。即將語(yǔ)音業(yè)務(wù)成功接納到LTE網(wǎng)絡(luò)比成功接納到WLAN網(wǎng)絡(luò)中獲得的收益較大，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則相反;當(dāng)業(yè)務(wù)到達(dá)系統(tǒng)時(shí)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)做出決策，考慮是否接納以及如何接納?？梢再x予語(yǔ)音業(yè)務(wù)相對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)較高處理優(yōu)先級(jí)。對(duì)于兩種呼叫類(lèi)型，其中新呼叫類(lèi)型指某一時(shí)刻，系統(tǒng)中檢測(cè)到有新的語(yǔ)音業(yè)務(wù)或者數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達(dá)網(wǎng)絡(luò);切換呼叫類(lèi)型指正在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行的語(yǔ)音業(yè)務(wù)或者數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由于用戶(hù)需要從一個(gè)區(qū)域移動(dòng)進(jìn)入另外一個(gè)區(qū)域時(shí)發(fā)生的切換呼叫。較新呼叫類(lèi)型而言，正在通話(huà)或數(shù)據(jù)操作的用戶(hù)進(jìn)行切換引起的掉話(huà)率會(huì)更加難以令人忍受。故可以賦予切換類(lèi)型具有相對(duì)較高優(yōu)先級(jí)。若用O表示各業(yè)務(wù)呼叫類(lèi)型的優(yōu)先權(quán)，則有以下關(guān)系:Ovh＞Ovn＞Odh＞Odn，其中Ovh表示語(yǔ)音業(yè)務(wù)切換優(yōu)先級(jí)，Ovn表示語(yǔ)音業(yè)務(wù)新呼叫優(yōu)先級(jí)，Odh表示數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)切換優(yōu)先級(jí)，Odn表示數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)新呼叫優(yōu)先級(jí)。當(dāng)系統(tǒng)資源充足時(shí)，作以下一般假設(shè):①各業(yè)務(wù)呼叫類(lèi)型到達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間間隔服從參數(shù)為λ的泊松分布;②各業(yè)務(wù)呼叫類(lèi)型在系統(tǒng)中接納服務(wù)所需的服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)為μ的指數(shù)分布;③對(duì)于特定系統(tǒng)模型，其最大容納上限值C是可計(jì)算或事先給定的，本文假設(shè)是事先給定的值。

2.2 策略分析

為了進(jìn)一步解決接納控制問(wèn)題，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣o出的基礎(chǔ)上，本節(jié)將采用類(lèi)排隊(duì)論［11］的理論進(jìn)行接納控制研究?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 聯(lián)合呼叫接納控制方案

從圖2中可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，語(yǔ)音新的呼叫業(yè)務(wù)、語(yǔ)音切換業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)新呼叫業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)切換業(yè)務(wù)隨時(shí)都有可能發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)接納控制器檢測(cè)到有對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，根據(jù)到達(dá)業(yè)務(wù)的QoS需求以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信道資源可用情況對(duì)相應(yīng)業(yè)務(wù)做出接納或者拒絕處理。傳統(tǒng)的方案則是不區(qū)分業(yè)務(wù)接納策略［12］，即當(dāng)各業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，系統(tǒng)接納控制器不能得知該業(yè)務(wù)具體類(lèi)型，而且不能合理選擇相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，而采取隨機(jī)接納到LTE網(wǎng)絡(luò)或WLAN網(wǎng)絡(luò)中，此時(shí)系統(tǒng)容量信道為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)信道與WLAN網(wǎng)絡(luò)信道共享;另外一種傳統(tǒng)接納方案是不同網(wǎng)絡(luò)之間獨(dú)立接納控制，即不存在“資源借用”的情況。譬如當(dāng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，根據(jù)語(yǔ)音業(yè)務(wù)特點(diǎn)選擇接納到LTE網(wǎng)絡(luò)中，若LTE網(wǎng)絡(luò)中有足夠的剩余資源，則接納該語(yǔ)音的接入請(qǐng)求，否則拒絕。本文提出的方案能夠很好的對(duì)業(yè)務(wù)呼叫類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分，根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前負(fù)載情況，優(yōu)先選擇對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)不能接納時(shí)，考慮對(duì)另一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行“資源借用”進(jìn)行二次接納判斷。因切換引起的掉話(huà)情況比起新呼叫引起的阻塞情況更加難以令人忍受，本方案所采取的為切換預(yù)留獨(dú)享的信道資源，可以有效降低切換掉話(huà)率，保證用戶(hù)體驗(yàn)型。

2.3 流程描述

基于上述分析，考慮到利用不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)同接納來(lái)達(dá)到網(wǎng)絡(luò)整體收益最大化。本文所提出的區(qū)分業(yè)務(wù)類(lèi)型與支持移動(dòng)切換性的聯(lián)合接納控制策略的基本流程如圖3所示。

圖3 聯(lián)合接納控制流程

主要步驟為:

(1)業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，首先獲取業(yè)務(wù)的基本信息，包括業(yè)務(wù)類(lèi)型，帶寬要求，優(yōu)先級(jí)別等。

(2)判斷該業(yè)務(wù)是否為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，進(jìn)一步判斷該呼叫類(lèi)型是否為具有高優(yōu)先級(jí)的切換用戶(hù)，若為語(yǔ)音業(yè)務(wù)則優(yōu)先考慮接入LTE網(wǎng)絡(luò)中，若LTE網(wǎng)絡(luò)資源充足，則考慮接納呼叫請(qǐng)求。

(3)如若在首選LTE網(wǎng)絡(luò)中資源剩余不足，那么可以考慮借用WLAN網(wǎng)絡(luò)中的資源，WLAN網(wǎng)絡(luò)資源充足，則考慮接納呼叫請(qǐng)求，否則拒絕。對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，情況相同。

(4)該時(shí)刻處理結(jié)束，下一時(shí)刻重復(fù)上述步驟。

3 仿真及性能分析

為了驗(yàn)證本文所提出的聯(lián)合接納控制策略有效性，本節(jié)主要給出該策略與上述提及的不區(qū)分業(yè)務(wù)和不支持移動(dòng)切換性場(chǎng)景下的策略性能進(jìn)行比較，利用matlab實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證其合理性。

3.1 參數(shù)設(shè)定

仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，考慮到目前廣泛使用的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)兩種典型業(yè)務(wù)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在著新呼叫類(lèi)型、水平切換類(lèi)型及垂直切換類(lèi)型。為了降低仿真復(fù)雜度，本文將水平切換和垂直切換統(tǒng)一看成切換類(lèi)型，即存在新呼叫與垂直切換兩種典型呼叫類(lèi)型。LTE網(wǎng)絡(luò)仍以語(yǔ)音業(yè)務(wù)接納為主，WLAN網(wǎng)絡(luò)仍以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接納為主。假設(shè)到達(dá)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所有業(yè)務(wù)的服務(wù)時(shí)間均值為1。業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)間間隔均值變化范圍為0.4到0.05。單一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量上限值均為10，對(duì)于新呼叫類(lèi)型可以使用的容量上限值為總?cè)萘恐档?0%。假設(shè)每個(gè)語(yǔ)音業(yè)務(wù)成功接納到LTE網(wǎng)絡(luò)中獲得的收益為0.02，成功接納到WLAN網(wǎng)絡(luò)中獲得的收益為0.01;每個(gè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)成功接納到WLAN網(wǎng)絡(luò)中獲得的即時(shí)收益為0.02，成功接納到LTE網(wǎng)絡(luò)中獲得的即時(shí)收益為0.01。

3.2 性能分析

圖4 仿真結(jié)果

如效用對(duì)比圖4(a)所示，隨著語(yǔ)音或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量到達(dá)系統(tǒng)平均時(shí)間間隔越來(lái)越小時(shí)，即每單位時(shí)間內(nèi)平均到達(dá)數(shù)量逐漸增加，本文所提出的聯(lián)合接納控制策略所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)平均效益將越來(lái)越凸顯。語(yǔ)音業(yè)務(wù)為實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，具有相對(duì)高優(yōu)先級(jí)，如效果對(duì)比圖4(b)和圖4(c)所示，當(dāng)系統(tǒng)中語(yǔ)音或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量越來(lái)越多時(shí)，同一時(shí)刻，優(yōu)先進(jìn)行接納判斷語(yǔ)音業(yè)務(wù)的存在性，所以從效果對(duì)比圖中可見(jiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的新呼叫阻塞率與垂直切換掉話(huà)率值都相對(duì)比較低。充分顯示語(yǔ)音業(yè)務(wù)高優(yōu)先級(jí)特點(diǎn)，保證了系統(tǒng)中語(yǔ)音的實(shí)時(shí)性。相對(duì)而言，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，偏向于較大的帶寬需求，在語(yǔ)音業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)共存的場(chǎng)景中，當(dāng)系統(tǒng)中語(yǔ)音業(yè)務(wù)或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達(dá)數(shù)量很多時(shí)刻，由于優(yōu)先選擇語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行接納處理，到達(dá)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)入處理隊(duì)列，占用了系統(tǒng)的信道容量，故而會(huì)導(dǎo)致一定數(shù)量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)無(wú)法獲得及時(shí)接納處理，如效果對(duì)比圖4(d)和圖4(e)所示，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)新呼叫阻塞率和垂直切換掉話(huà)率值的效果相對(duì)不是很明顯。與不支持移動(dòng)性和不區(qū)分業(yè)務(wù)的傳統(tǒng)接納控制策略值幅度相差不大。而從圖4(d)中可見(jiàn)，聯(lián)合接納控制策略的切換掉話(huà)率比傳統(tǒng)接納控制策略值稍大，正如剛才分析，語(yǔ)音業(yè)務(wù)占用了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一定信道帶寬導(dǎo)致的。綜上可知，本文提出的聯(lián)合接納控制策略在保證網(wǎng)絡(luò)整體收益的情況下可以很好的保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，在新呼叫阻塞率和切換掉話(huà)率之間起到很好折中效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先給出了異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?duì)相關(guān)場(chǎng)景進(jìn)行了說(shuō)明，然后在傳統(tǒng)的接納控制策略的基礎(chǔ)上提出了聯(lián)合接納控制策略，進(jìn)行了比較后給出了聯(lián)合接納控制策略的算法流程圖，最后設(shè)定特定的場(chǎng)景，進(jìn)行仿真，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的有效性。所提出的接納控制策略可以有效提高網(wǎng)絡(luò)整體收益，降低新呼叫阻塞率與切換掉話(huà)率，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的QoS需求。

［1］Vassilakis V G，Logothetis M D.The wireless Engset multi-rate loss model for the handoff traffic analysis in W-CDMA networks［C］//IEEE 19th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2008:1-6.

［2］Wang L，Zhuang W.A call admission control scheme for pac-ket data in CDMA cellular communications［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2006，5(2):406-416.

［3］Lee S K，Kim K，Hong K，et al.A probabilistic call admission control algorithm for WLAN in heterogeneous wireless environment［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8(4):1672-1676.

［4］Chen M，Liu G，Zhu G.Utility based call admission control in WLAN ［J］.Acta Electronica Sinica， 2008， 36(7):1429-1434.

［5］ZHAO Xue，WANG Ping，SHAN Lianhai，et al.Based load balancing multi-hop relay network admission control algorithm ［J］.Computer Engineering，2009，35(23):81-83(in Chinese).［趙雪，王平，單聯(lián)海，等.基于負(fù)載均衡的多跳中繼網(wǎng)絡(luò)接納控制算法 ［J］.計(jì)算機(jī)工程，2009，35(23):81-83.］

［6］Tarek B，Nidal N.Efficient call admission control scheme for 4G wireless networks［J］.Wireless Communications and Mobile Computing，2009，9(4):489-499.

［7］SongW，Zhuang W.Multi-service load sharing for resource management in the cellular/WLAN integrated network［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications， 2009， 8 (2):725-735.

［8］Yu F，Krishnamurthy V.Optimal joint session admission control in integrated WLAN and CDMA cellular networkswith vertical handoff［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2007，6(1):126-139.

［9］Puterman M L.Markov decision processes:Discrete stochastic dynamic programming［M］.Wiley-Interscience，2009.

［10］Chen H，Cheng C C，ChungW H，et al.A reduced dimension MDP-based call admission control scheme for next generation telecommunications［C］//8th International Wireless Communications and Mobile Computing Conference.IEEE，2012:984-989.

［11］SHENG Youzhao.Queuing theory and its application in mo-dern communications［M］.Beijing:People Post Press，2007(in Chinese).［盛友招.排隊(duì)論及其在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2007.］

［12］Kim M，Cho SJ，Kim SY.A study of seamless handover service and QoS in heterogeneouswireless networks［C］//The9th International Conference on Advanced Communication Technology，IEEE，2007:1922-1925.