王艷敏

　　（南京郵電大學  通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003）

       摘要：提出了一種基于業(yè)務類別的聯(lián)合呼叫控制算法。在網(wǎng)絡(luò)接入選擇時，實時業(yè)務相對于非實時業(yè)務來說，應該盡可能地減少切換次數(shù)、降低切換時延。非實時業(yè)務要求較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而對時延不敏感。因此，在兩個網(wǎng)絡(luò)資源都足夠的情況下，實時業(yè)務首選接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，非實時業(yè)務首選接入WLAN。仿真并分析了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中呼叫接納控制算法性能的重要指標：新業(yè)務阻塞率。仿真結(jié)果表明，所提算法考慮了負載均衡，有效地利用了系統(tǒng)中的資源，提高了系統(tǒng)中的資源利用率，新業(yè)務阻塞率明顯降低。

　　關(guān)鍵詞：異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)；聯(lián)合呼叫接納控制；業(yè)務類別；新業(yè)務阻塞率

　　中圖分類號：TN915.6文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.019

　　引用格式：王艷敏. 基于業(yè)務類別的聯(lián)合呼叫接納控制算法［J］.微型機與應用，2016,35（24）：66-69.

0引言

　　隨著無線技術(shù)的不斷發(fā)展，未來通信網(wǎng)絡(luò)將越來越趨于異構(gòu)化，多種無線接入技術(shù)（RAT）將會出現(xiàn)長期共存的現(xiàn)象，因此如何充分利用不同網(wǎng)絡(luò)間的互補特性來實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機融合，如何使得任何用戶在任何地點、任何時間都能獲得具有QoS（服務質(zhì)量）保證的服務，都需要投入大量的研究。

　　聯(lián)合呼叫接納控制是指在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)融合業(yè)務的需求、無線資源的變化、系統(tǒng)負載的調(diào)整以及用戶的偏好，為具有接入多種網(wǎng)絡(luò)能力的移動終端選擇最合適的接入網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)端充分協(xié)調(diào)各種網(wǎng)絡(luò)資源，在保證業(yè)務QoS的前提下，最大限度地接收用戶接入請求，以實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。是保證QoS和減少網(wǎng)絡(luò)擁塞的重要機制。理想的接納控制策略可以平衡不同網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)絡(luò)負載，進而減少不同網(wǎng)絡(luò)之間的資源調(diào)度。

　　在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，由于不同類型的無線接入系統(tǒng)在資源分配策略、業(yè)務類型、可用帶寬以及QoS協(xié)商機制等方面都有不同之處，因此它們各自采用的接入控制策略也會有著很大的差別。不同的無線接入網(wǎng)絡(luò)的地理位置相互交錯重疊，因此呼叫類型也將更加復雜。

　　衡量聯(lián)合呼叫接納控制算法的重要指標有：網(wǎng)絡(luò)負載狀況、新呼叫阻塞率、切換呼叫中斷率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)資源的利用率、服務質(zhì)量等。在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，用戶對業(yè)務的需求也將更加多樣化，不同業(yè)務對時延、丟包率、抖動、業(yè)務帶寬等 QoS 要求也不相同。本文主要研究基于業(yè)務類別的聯(lián)合呼叫接納控制算法，把業(yè)務類型分為兩種，即實時業(yè)務和非實時業(yè)務，根據(jù)業(yè)務特性選擇最合適的接入網(wǎng)絡(luò)，使業(yè)務能夠在較適合自身特性的網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

1相關(guān)研究

　　當前一些主要的聯(lián)合呼叫接納控制算法如下。

　?。?）基于用戶偏好的聯(lián)合呼叫接納控制算法

　　此類算法一般以業(yè)務類型、業(yè)務花費、服務質(zhì)量作為參數(shù)，對于網(wǎng)絡(luò)融合的背景沒有限制，適用于多網(wǎng)絡(luò)、多運營商的場景，對于資源的利用率一般，能使用戶比較滿意，計算的開銷比較大，對移動終端的要求高，實施起來比較困難。文獻［1］提出異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于用戶滿意度的資源分配，提出一個框架，建立運營商為投標方，用戶為買家，由第三方來代理拍賣，最終由用戶選擇滿足用戶偏好和應用具體要求的網(wǎng)絡(luò)。該算法每次投標都需要進行計算收益值并且計算比較復雜，另外對移動終端的要求也比較高，目前比較難以實施。

　?。?）基于負載均衡的聯(lián)合呼叫接納控制算法

　　此類算法一般以負載均衡、業(yè)務類型作為參數(shù)，適用于包括不對稱業(yè)務比較多的網(wǎng)絡(luò)，如LTE和WiMAX融合系統(tǒng)，對于資源的利用率非常高，但不能使用戶滿意，計算開銷一般，實施起來比較容易。文獻［2］提出了一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)負載均衡算法，合理分配網(wǎng)絡(luò)帶寬并調(diào)節(jié)適當?shù)膮?shù)，實現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的負載均衡。該算法對于資源利用比較充分，但是忽略了對用戶偏好的滿足。

　?。?）基于模糊邏輯的聯(lián)合呼叫接納控制算法

　　該算法引入模糊邏輯理論，是智能計算中較為常見的一種算法。此類算法一般考慮負載均衡、用戶偏好、業(yè)務類型，對于資源的利用率較好，能使用戶比較滿意，計算開銷比較大，算法比較復雜。文獻［3］提出一種基于模糊邏輯的呼叫接入控制算法，考慮到用戶的移動性、網(wǎng)絡(luò)負載、用戶滿意度等參數(shù)，從候選網(wǎng)絡(luò)中選擇最佳的接入網(wǎng)絡(luò)，但此類算法太過復雜，而且主觀性過大。

　　（4）基于業(yè)務類別的聯(lián)合呼叫接納控制算法

　　此類算法一般考慮負載均衡、業(yè)務類別、服務質(zhì)量作為參數(shù)，適用于承載不同業(yè)務特性的網(wǎng)絡(luò)，如4G和WLAN融合網(wǎng)絡(luò)，對于資源的利用率和用戶滿意度一般，計算開銷比較小，也比較容易進行部署。接下來將詳細介紹基于業(yè)務類別的聯(lián)合呼叫接納控制算法。

2系統(tǒng)模型

　　下一代無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是寬帶移動無線接入和異構(gòu)分布的網(wǎng)絡(luò)，是各種無線接入技術(shù)的異構(gòu)融合，強調(diào)不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通方案有兩種：緊耦合模式和松耦合模式。本文考慮到4G和WLAN在覆蓋范圍和接入帶寬上有不同的優(yōu)勢和局限性，它們之間可以相互補充，滿足不同的用戶需求，因此采用兩種網(wǎng)絡(luò)緊耦合的方式為用戶提供無縫的連接，其系統(tǒng)的仿真場景示意圖如圖1所示。

　　在該場景中，在地理位置上主要包括兩類區(qū)域：4G蜂窩小區(qū)（4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)單一覆蓋的區(qū)域）和WLAN小區(qū)（4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋區(qū)域）。本文假設(shè)4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的水平切換處于平衡狀態(tài)，不考慮4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)間的水平切換問題。4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較廣，WLAN具有高帶寬和高速率，但是其覆蓋范圍有限。而網(wǎng)絡(luò)承載有兩大類業(yè)務：實時業(yè)務和非實時業(yè)務。

3基于業(yè)務類別的聯(lián)合呼叫控制算法（BDS-JCAC算法）

　　在4G/WLAN的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中，多模終端既可以接入4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，也可以接入到 WLAN 網(wǎng)絡(luò)中?；跇I(yè)務類別的聯(lián)合呼叫接納控制機制主要有以下三點任務：（1）要保證接入用戶的服務質(zhì)量，當網(wǎng)絡(luò)中的資源足以接入用戶業(yè)務時，允許接入;(2)要保證當前正在進行的業(yè)務的服務質(zhì)量不受新接入的業(yè)務的影響;(3)要保證各個網(wǎng)絡(luò)的負載均衡，避免造成系統(tǒng)資源利用率低的情況。

　　本文提出一種基于業(yè)務類別的聯(lián)合呼叫接納控制算法（BDSJCAC算法）?？紤]兩種業(yè)務類型：實時業(yè)務和非實時業(yè)務，并且假設(shè)4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的新呼叫在整個呼叫過程中都保持靜止或者低速移動的狀態(tài)，即不考慮4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的水平切換問題。在4G/WLAN的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中，移動終端的接收信號強度與其距離基站的大小有關(guān)，距離越大，接收信號強度越小。在移動終端運動的過程中，要判斷移動終端處于何種網(wǎng)絡(luò)之中就必須判斷移動終端的位置，設(shè)定移動終端在4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋區(qū)域邊界所接收的信號強度為接收信號強度的門限值，當移動終端的接收信號強度小于門限值時，則其處于4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)單一覆蓋的區(qū)域，反之，則處于4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋區(qū)域。下面分別考慮實時業(yè)務和非實時業(yè)務的具體接入控制流程。

　?。?）實時業(yè)務：當?shù)竭_的新業(yè)務為實時業(yè)務時，優(yōu)先考慮4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，具體的接納控制流程如圖2所示，具體描述如下：

　　①移動終端判斷4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載值，若此時4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載允許接入該用戶業(yè)務，則接入該業(yè)務；反之，進行下一步判斷。

　?、谝苿咏K端根據(jù)其接收信號強度判斷其所處的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，若此時是4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)單一覆蓋的區(qū)域，則阻塞該業(yè)務；反之，進入下一步判斷。

　　③移動終端判斷WLAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載值，若此時WLAN網(wǎng)絡(luò)的負載允許接入一些業(yè)務，則移動終端首先嘗試將4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的部分非實時業(yè)務切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)中，若切換成功，則再進行第一步判斷，嘗試在4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中接入該業(yè)務；若沒有切換成功，則根據(jù)WLAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載值判斷WLAN網(wǎng)絡(luò)是否允許接入該用戶業(yè)務，若允許，則接入該業(yè)務，反之則阻塞該業(yè)務。

　　基站實時監(jiān)測4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的負載狀況。當檢測到4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載變輕而WLAN網(wǎng)絡(luò)過載時，為了使用戶獲得更好的服務質(zhì)量，將在WLAN網(wǎng)絡(luò)中的實時業(yè)務切換回4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)。當有多個移動終端需要切換時，選擇移動速度較快的優(yōu)先進行切換。

　?。?）非實時業(yè)務：當?shù)竭_的新業(yè)務為非實時業(yè)務時，優(yōu)先考慮WLAN網(wǎng)絡(luò)，具體的接納控制流程如圖3所示，具體描述如下：

　?、僖苿咏K端根據(jù)其接收信號強度判斷其所處的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。若此時是4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)單一覆蓋的區(qū)域，移動終端先判斷4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載值，若此時4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載允許接入該用戶業(yè)務，則接入該業(yè)務；反之，則阻塞該業(yè)務。若此時是4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋區(qū)域，則進入下一步判斷。

　?、谝苿咏K端判斷WLAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載值，若此時WLAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載允許接入該用戶業(yè)務，則接入該業(yè)務；反之，進行下一步判斷。

　　③移動終端判斷4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載值，若此時4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的負載允許接入一些業(yè)務，則移動終端首先嘗試將WLAN網(wǎng)絡(luò)的部分實時業(yè)務切換到4G網(wǎng)絡(luò)中，若切換成功，則再進行第二步判斷，嘗試在WLAN網(wǎng)絡(luò)中接入該業(yè)務；若沒有切換成功，則根據(jù)4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載值判斷4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)是否允許接入該用戶業(yè)務，若允許，則接入該業(yè)務，反之則阻塞該業(yè)務。

　　基站實時監(jiān)測4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的負載狀況。當檢測到WLAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負載變輕而4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)過載，為了使用戶獲得更好的服務質(zhì)量，將在4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的非實時業(yè)務切換回WLAN網(wǎng)絡(luò)。當有多個移動終端需要切換時，選擇移動速度較慢的優(yōu)先進行切換。

4仿真與分析

　　設(shè)置仿真場景為4G/WLAN的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)，見圖1。在該場景中，設(shè)定4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域半徑為1 km，WLAN網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域半徑為150 m，4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的帶寬為7.2 Mb/s，WLAN網(wǎng)絡(luò)的帶寬為11 Mb/s。用戶均勻地分布在圖1中網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的區(qū)域，用戶使用的業(yè)務分為實時業(yè)務和非實時業(yè)務，業(yè)務的到達過程服從泊松分布。移動終端的速度設(shè)定為低速和高速兩種。移動終端的接收信號強度與發(fā)送方和接收方的距離有關(guān)，參考第3節(jié)的無線傳輸信道模型，其中μ=0，δ=3。

　　當一個新業(yè)務到達時，根據(jù)實時業(yè)務或者非實時業(yè)務接納控制流程進行判斷，BDSJCAC算法與未進行業(yè)務類別區(qū)分的JCAC算法的新業(yè)務阻塞率對比圖如圖4所示。從圖4可以看出，當業(yè)務到達率比較低時，新業(yè)務阻塞率都為0，此時系統(tǒng)中4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)都有充足的容量來接納新業(yè)務，所以沒有新業(yè)務阻塞率，而此時也看不出BDSJCAC算法的優(yōu)勢。接下來隨著業(yè)務到達率的不斷提高，兩種算法的新業(yè)務阻塞率也在不斷提高，而對于相同的業(yè)務到達率，BDSJCAC算法的新業(yè)務阻塞率明顯低于未進行業(yè)務類別區(qū)分的JCAC算法。這是因為，BDSJCAC算法考慮到了負載均衡，有效利用系統(tǒng)中的資源，提高了系統(tǒng)中的資源利用率。

　　系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負載變化對比圖如圖5所示。從圖5可以看出，當業(yè)務到達率比較低時，兩種算法的網(wǎng)絡(luò)負載情況相同，此時系統(tǒng)中4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)負載較輕，都有充足的容量來接納新業(yè)務，所以新業(yè)務都能被接納，而此時也看不出BDSJCAC算法的優(yōu)勢。接下來隨著業(yè)務到達率的不斷提高，兩種算法的網(wǎng)絡(luò)負載也在不斷提高，也有了差距。對于相同的業(yè)務到達率，BDSJCAC算法的網(wǎng)絡(luò)負載明顯高于未進行業(yè)務類別區(qū)分的JCAC算法。這是因為，BDSJCAC算法考慮到了負載均衡，使得系統(tǒng)能夠接納更多的業(yè)務，從而充分利用了系統(tǒng)容量，提高了系圖5系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負載變化對比圖統(tǒng)中的資源利用率。

5結(jié)論

　　本文首先介紹了基于業(yè)務類別的聯(lián)合呼叫接納控制算法的系統(tǒng)模型，接著分實時業(yè)務和非實時業(yè)務分別介紹了基于業(yè)務類別的聯(lián)合呼叫接納控制算法的算法原理，最后仿真分析了BDSJCAC算法的有效性和性能，并與未進行業(yè)務類別區(qū)分的JCAC算法進行對比，著重根據(jù)不同的業(yè)務到達率，研究新業(yè)務阻塞率以及網(wǎng)絡(luò)負載的變化。仿真表明，BDSJCAC算法考慮了負載均衡，有效地利用了系統(tǒng)中的資源，提高了系統(tǒng)中的資源利用率。

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