《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種面向WiMAX的呼叫接納控制算法
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2010年第9期
張青波1，2， 何加銘2
1. 浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315012；2.寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211
摘要： 提出一種在WiMAX系統(tǒng)資源緊張時(shí)，使接納率和資源利用率最大化的呼叫接納控制CAC(Call Admission Control)算法。算法基于經(jīng)濟(jì)學(xué)概念，利用基尼系數(shù)(Gini Coefficient)給出了接納控制模型，并用修正的sigmoid函數(shù)計(jì)算接納概率。根據(jù)接納概率決定是否接納新到業(yè)務(wù)。仿真結(jié)果表明,算法與典型的截止優(yōu)先權(quán)算法相比，在系統(tǒng)繁忙時(shí)系統(tǒng)接納率和資源利用率都有較大提高。
中圖分類號(hào): TN913.24
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào)： 0258-7998(2010)09-0138-04
A call admission control algorithm for WiMAX
ZHANG Qing Bo1,2， HE Jia Ming2
1. Zhejiang Business Technology Institute， Ningbo 315012， China;2. Ningbo University, Ningbo 315211, China
Abstract： A CAC (Call Admission Control) algorithm is proposed with maximizing the system’s admission rate and resource utilization when WiMAX system is busy. Firstly, admission control model is presented using Gini coefficient based on economic concepts. Then, the algorithm calculates admission probability using modified sigmoid function. Finally, according to the admission probability, the system decides whether to accept new business. Simulation results show that: compared with the typical cut-off priority algorithm, the admission rate and resource utilization are greatly enhanced in new algorithm when the system is busy.
Key words : WiMAX； CAC； Gini coefficient； admission probability

     WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)中，呼叫接納控制機(jī)制是保證服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)的關(guān)鍵。目前已有大量的呼叫接納控制算法被提出，典型的有：利用資源預(yù)留機(jī)制切換連接請(qǐng)求的截止優(yōu)先權(quán)方式[1]、新連接按概率接納的分段預(yù)留信道方式[2]。資源預(yù)留機(jī)制以提高低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)拒絕率和降低系統(tǒng)資源利用率為代價(jià)，降低高優(yōu)先級(jí)的拒絕率，但設(shè)定的預(yù)留資源不能很好地適應(yīng)業(yè)務(wù)量的實(shí)時(shí)變化。KIM S等[3]提出的基于本地業(yè)務(wù)量的預(yù)測(cè)估計(jì)自適應(yīng)接納控制算法，不僅復(fù)雜度和代價(jià)較高，同時(shí)依賴于一定的流量模型,具體實(shí)施有一定的困難。Fmanuele[4]、Jiongkuan Hou[5]等分別把價(jià)格機(jī)制引入到呼叫接納控制機(jī)制算法中，有一定的借鑒意義。本文利用經(jīng)濟(jì)學(xué)概念，提出了一種基于基尼系數(shù)作為判決準(zhǔn)則的呼叫接納控制機(jī)制，使系統(tǒng)在繁忙時(shí)獲得最大效率。
1 Wimax業(yè)務(wù)QoS說明
    WiMAX系統(tǒng)有詳盡的QoS參數(shù)設(shè)定，但其接納控制等策略則交由設(shè)備提供商自行決定。協(xié)議規(guī)定了4種業(yè)務(wù)流QoS類型：UGS、rtPS、nrtPS、BE,其類型特征如表1所示。發(fā)起端在業(yè)務(wù)流建立時(shí)確定流傳輸?shù)淖钚∪淌軒抌min和最大滿意帶寬bmax，業(yè)務(wù)流被接納后實(shí)際獲得的帶寬介于bmin和bmax之間，并且可由系統(tǒng)的帶寬分配策略來調(diào)整所獲得帶寬的大小。
　不同業(yè)務(wù)類型、不同傳輸速率，以及切換連接與新連接的區(qū)別，使同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的服務(wù)類型繁多。接納控制算法要能夠?qū)Ψ倍嗟臉I(yè)務(wù)類型進(jìn)行統(tǒng)一的判決和管理，以參數(shù)區(qū)分業(yè)務(wù)類型。在優(yōu)先考慮高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的同時(shí)又要兼顧所承載業(yè)務(wù)的多樣化，保證各業(yè)務(wù)之間接納的公平性。

式(1)模型表示呼叫接納時(shí)系統(tǒng)帶寬分配的公平程度。因業(yè)務(wù)流的權(quán)重隨優(yōu)先級(jí)的增大呈指數(shù)增長(zhǎng)，而高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)與低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的帶寬要求差距小于其權(quán)重之間的差距，模型將在優(yōu)先接納高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的同時(shí)提高低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的接納率,保證各業(yè)務(wù)之間接納的公平性，同時(shí)提高系統(tǒng)帶寬利用率。
2.2 接納控制算法實(shí)現(xiàn)
    假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中基站BS(Base Station)已接納的業(yè)務(wù)流數(shù)量為N，它為各業(yè)務(wù)流均預(yù)留其最大帶寬，最大帶寬總和為Σbi,max。設(shè)定帶寬門限bth和公平門限Gth時(shí)，Gth的設(shè)定需根據(jù)對(duì)各時(shí)期的基尼系數(shù)進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)，選取合適的基尼系數(shù)作為公平門限。若公平門限設(shè)置過大，則公平門限不起作用，各業(yè)務(wù)的接納率過高，將超過BS所能容納的最大業(yè)務(wù)數(shù)，使得BS在下行鏈路處理業(yè)務(wù)流的時(shí)間增加，各業(yè)務(wù)流延時(shí)劇增；若公平門限設(shè)定過小，則BS將對(duì)各業(yè)務(wù)流的接納進(jìn)行嚴(yán)格的限制,導(dǎo)致各類業(yè)務(wù)的接納率和帶寬利用率大大降低。對(duì)于新到達(dá)業(yè)務(wù)流fN+1，設(shè)其申請(qǐng)帶寬為[bN+1,min,bN+1,max],在總最大帶寬∑bi,max+bN+1,max≥bth時(shí)，采用基于基尼系數(shù)的接納控制。接納控制算法流程如圖1所示。




　仿真通過調(diào)節(jié)負(fù)載比例系數(shù)?琢改變業(yè)務(wù)的到達(dá)率?姿，以此表征系統(tǒng)資源緊張程度。仿真時(shí)將典型的截止優(yōu)先算法(以下簡(jiǎn)稱CP算法)與本文提出的帶寬分配公平算法(以下簡(jiǎn)稱EDI算法)做比較。
　如圖2所示，EDI算法的平均帶寬利用率從負(fù)載比例系數(shù)為4處開始大于截止優(yōu)先算法的帶寬利用率，且隨著負(fù)載的增大，CP算法的帶寬利用率增長(zhǎng)緩慢，而EDI算法的帶寬利用率將趨近于100%。這是因?yàn)镃P算法始終按照最大帶寬要求進(jìn)行接納控制并預(yù)留帶寬，且不存在帶寬降級(jí)的情況，因此帶寬浪費(fèi)嚴(yán)重，而EDI算法根據(jù)當(dāng)前資源狀況，一開始為各業(yè)務(wù)預(yù)留帶寬很大，之后逐漸減小以接納更多的業(yè)務(wù)，最終每個(gè)業(yè)務(wù)的帶寬接近最小帶寬要求，因而隨著負(fù)載的增大其帶寬利用率比CP算法要高很多。

    從圖3和圖4來看，CP算法的UGS、rtPS、nrtPS業(yè)務(wù)在大負(fù)載下，其接納率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于EDI算法的各業(yè)務(wù)的接納率，這是因?yàn)镃P算法在整個(gè)接納過程中始終為新到業(yè)務(wù)按照其最大帶寬要求預(yù)留帶寬，并且在已接納業(yè)務(wù)的總帶寬超過門限時(shí)，只接納高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)而拒絕低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，大大降低了低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的接納率。而EDI算法從每個(gè)業(yè)務(wù)的收入出發(fā)，在保證系統(tǒng)帶寬分配公平化的原則下，相對(duì)CP算法大大提高了低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的接納率。在系統(tǒng)資源緊張的時(shí)候，又能通過帶寬降級(jí)，以接納更多業(yè)務(wù)，這就使得各類業(yè)務(wù)的接納率都能有明顯的提升。從圖5和圖6又可看出，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)和低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的接納率的差距大大縮小了，這是因?yàn)镋DI算法為了保證接納的公平性，對(duì)能縮小收入差距的業(yè)務(wù)以較高概率接納，EDI模型中低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的帶寬是最低的，為了避免帶寬分配差距的拉開，EDI算法將限制高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的接納率，提高低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的接納率，又因?yàn)榈蛢?yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的帶寬可調(diào)范圍大，接納后可動(dòng)態(tài)壓縮其帶寬為其他業(yè)務(wù)服務(wù)，可見接納更多的低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)從帶寬分配公平的角度和帶寬利用率的角度來看都是有意義的。

    本文提出的算法可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的變化和當(dāng)前的帶寬資源狀況自適應(yīng)地改變接納策略。相比典型的截止優(yōu)先算法，新算法在提高系統(tǒng)平均帶寬利用率的同時(shí)，大大提高了低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的接納率，保障系統(tǒng)所接納業(yè)務(wù)之間帶寬分配的公平性，使得系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)多樣化。
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