一種適應自相似業務的異構網絡接納控制算法

郭 強，車玉潔，張曉萌，朱若菡

(山東財經大學 管理科學與工程學院，山東 濟南 250014)

一種適應自相似業務的異構網絡接納控制算法

郭 強，車玉潔，張曉萌，朱若菡

(山東財經大學 管理科學與工程學院，山東 濟南 250014)

為了解決異構網絡系統容量有限、資源利用率較低的問題，根據異構網絡業務的自相似特性，提出了一種適應自相似業務的異構網絡接納控制算法。首先，通過統計網絡演算方法，根據業務流量特性和要求定量求解網絡性能的統計邊界，進而求解出自相似業務所需的最小帶寬，能夠進行更準確的帶寬估計；其次，制定合理的接納控制策略，即考慮業務優先級、異構網的剩余帶寬以及業務本身所需帶寬情況三方面的因素進行接納控制，另外，該策略通過引入概率機制保證終端接入的公平性；最后，在3G與WLAN互聯的異構網絡環境下進行OPNET仿真驗證。通過仿真結果和數據分析，該算法能夠在保證用戶服務質量的基礎上提高帶寬利用率，降低系統的業務阻塞率，實現資源的優化配置。

接納控制；自相似；帶寬估計；異構網絡；阻塞率

0 引 言

目前，異構無線網絡的資源管理技術已成為熱點研究領域，一個有效的無線資源管理機制能夠充分利用有限的資源給用戶提供高質量的通信服務。而呼叫接納控制的意義是在可以保證用戶服務質量的同時能夠提高網絡的資源利用率，而出現新的通話呼叫時，新呼叫能被接納的前提是不影響已存在呼叫用戶的服務質量，且新呼叫的服務質量也能得到滿足[1]。總之，呼叫接納控制作為異構網絡系統資源管理的重要部分，直接影響著整個網絡資源使用的有效性和用戶的QoS要求。因此，在異構網絡環境下設計一個合理有效的接納控制策略至關重要。

實施呼叫接納控制的網絡，首先需要獲得請求接入網絡的用戶的業務流量特性和要求，然后根據網絡鏈路剩余帶寬情況決定是否同意接納用戶的呼叫請求。呼叫接納控制過程包括兩個重要過程：首先，進行數值計算，即要計算出請求接納業務的所需有效帶寬；其次，是判斷接納過程，即根據有效帶寬進行判別是否接納。

文獻[2]提出了一種多媒體業務的聯合呼叫接納控制算法，針對不同類型用戶的業務特性以及優先級進行接納控制，但是未考慮業務所需帶寬及網絡剩余帶寬。文獻[3]提出了一種基于馬爾可夫決策過程的區分業務接納控制算法，根據馬爾可夫決策過程分析了不同類型業務的接納控制行為并提出基于模糊邏輯的接納效用評估機制，但是該算法沒有考慮業務流的自相似特性。文獻[4]提出了一種基于優先權的自相似流量接納控制新算法，但不適用于異構網絡環境中。

根據上述研究中存在的問題，文中首先利用無線網絡業務流自相似的特性，應用統計網絡演算對自相似業務模型進行有效帶寬估計，進而提出適應自相似業務的呼叫接納控制算法。通過在3G與WLAN搭建的異構網絡環境下進行仿真，結果表明，提出的AS-CAC可以大大提高網絡帶寬的利用率，有效降低網絡擁塞率，實現資源的優化配置。

1 自相似業務模型的帶寬估計

近年來的研究發現，實際網絡流量呈現出廣泛的統計自相似特征，而傳統的泊松分布和馬爾可夫模型體現不出長時間網絡業務流的自相似特性。因此，自相似模型成為仿真實際網絡流量的主要模型。

1.1 自相似過程

將這一隨機過程放入異構網絡環境中，即X(t)表示在不同時間t時，網絡節點處的用戶業務流量，其性質可以說明業務流量存在大時間尺度上的突發性[9-10]。由此可知，同時具備短相關和長相關性質的模型更有利于說明網絡業務的真實情況。文中選取分形布朗運動流量模型(FractionalBrownianMotion，FBM)作為自相似業務流量模型。

1.2 自相似業務的帶寬估計

統計網絡演算方法是分析網絡通信性能的有效方法之一，通過此方法可以定量求解網絡性能的統計邊界，進而求解出自相似業務所需的最小帶寬，能夠合理估計網絡資源，提高資源利用率。

首先確定自相似業務模型的統計到達包絡，FBM模型一般需要Hurst系數H、流量平均到達率m、流量方差系數a三個參數就可以描述一個長相關序列，非常簡單，易于求解。一個分形布朗運動包絡過程定義為:

(1)

它的統計到達包絡G(t)=A*(t)。

其中：ρ表示FBM的平均到達率；ε表示分組丟失率；β表示單位時間流量標準差。

此過程表示一個FBM過程在t時刻超出G(t)的概率為ε，統計意義更加明顯。

其次確定統計服務曲線并根據時延統計上界公式進行帶寬估計。在每個網絡節點設置參數為(R,T)的速率時延服務曲線，對數據流進行服務保證，因為存在速率時延，服務曲線能夠簡潔明了地展現多種不同類型的調度器，是一種網絡路由器的標準模型。這樣，各個業務數據流的統計服務曲線為:

S(t)=R(t-T)

(2)

違背概率εs，R為網絡節點提供的服務速率。時延公式為：

d(t)=inf{d≥0:G(t)≤S(t+d)}

(3)

將統計到達包絡和統計服務曲線代入關系式G(t)≤S(t+d)中，可以得到帶寬下界為：

(4)

進一步取可容忍時延上界dmax，最終得到帶寬估計結果：

(5)

以上方法解決了單節點的帶寬估計問題，由于統計服務曲線的等效作用，也可以將該方法應用到多節點和端對端網絡，聚合流通過同型流的疊加即可得到[11-13]。

2 適應自相似業務的接納控制算法

文中在3G與WLAN互聯的異構網絡環境下，選取了三種代表性的業務類型，即語音、視頻以及數據，不同業務類型用戶有不同的服務質量需求，需要根據它們的業務特性、優先級以及可用帶寬進行接納控制。同時，同一業務也都分為新呼叫和切換呼叫，通常對用戶來講，正在進行的業務進行中斷比新呼叫產生阻塞更讓人不舒服，所以將切換呼叫的優先權設置為高于新呼叫的優先權。另外，設定實時業務的優先級高于非實時業務的優先級，三種業務類型中，語音和視頻業務是實時業務，數據業務是非實時業務，而語音又作為日常必需的業務。因此三種業務類型的優先級是：語音類>視頻類>數據類。

文中提出適應自相似業務的接納控制算法的設計原理參考隨機早期丟棄(RandomEarlyDetection，RED)算法，主要目的在于通過引入概率機制提供更公平更有保障的服務質量，在資源有限的情況下緩解競爭。接納控制算法在計算拒絕概率時，遵循網絡鏈路剩余帶寬越小，拒絕概率越大的原則，這樣通過這個概率進行接納或者拒絕呼叫，實現了終端接入的公平性。拒絕概率Pre根據RED的原理計算方法如下：

(6)

接納概率為：

P=1-Pre

(7)

由于自相似業務的突發性，設置剩余帶寬的最大門限值maxb，最小門限值minb，設定網絡鏈路的剩余帶寬為B，則maximumb一般取值在0.8B左右，而minimumb的取值與業務源的突發強度有關，如果自相似系數H的值越小則突發強度越小，網絡為以防出現突發設置的緩沖應該越小，minimumb的值應該越大。反之亦然。

文中提出算法的基本步驟如圖1所示。

圖1 接納算法過程

具體為：

1)每個業務終端采集并提交業務流相關的參數，包括：自相關系數H，流量平均到達率m，流量方差系數a和所要求的丟包率。

2)根據式(5)計算有效帶寬R。

3)比較有效帶寬和網絡剩余帶寬，分為以下幾種情況。

(1)如果R>maximumb，首先判斷請求接入的業務流的類型。如果不是高優先級的業務流，即切換語音及新呼叫語音，則拒絕接納；如果是語音類業務流，則采取強制接納，對網絡中已進行的低優先級的業務暫時接納，以釋放資源滿足語音類業務的順利接納。

在進行強制接納時，對優先級由低到高逐個進行暫時接納，接納條件為：

(8)

式中，通過對最低優先級業務流進行逐個暫時接納，如果該優先級不滿足接納條件，則再對比最低優先級高一級的業務流進行逐個暫時接納，以此類推，直至滿足條件為止。通過該方式基本上強制接納都可以實現。

(2)如果minimumb

(3)如果R

3 仿 真

為了驗證文中提出的適應自相似業務的接納控制算法的性能，采用OPNET仿真，利用3G和WLAN兩種網絡重疊覆蓋的異構網絡場景，并考慮目前廣泛使用的語音、視頻和數據3種典型業務。仿真比較了該模型與傳統呼叫接納控制模型的性能。

仿真數據來源基于FBM模型，其中數據業務流的生成程序參考文獻[10]，利用Matlab進行編寫，通過仿真程序代碼，可動態調節模型中的參數。仿真中，所用到的流量參數如表1所示。其中：H,m,a分別代表流量參數；1，2，3分別代表業務類型。

表1 各業務流量參數

針對提出的算法SCAC，在Matlab仿真平臺上將其和文獻[11]提出的基于效用的接納策略UBCAC進行仿真對比，主要從呼叫阻塞率、掉話率、系統性能、帶寬利用率等方面進行比較。圖2～4為仿真結果。

圖2 呼叫阻塞率

圖2比較了兩種算法的呼叫業務阻塞率和業務到達率的關系。可以看出，隨著到達率的提高，業務阻塞率都是不斷上升的。業務阻塞率能夠反映系統的性能和用戶服務質量，阻塞率越低說明系統性能越好，能給用戶帶來更好的服務質量，反之亦然。同時從圖中可見，新算法下的阻塞率比較低，由此看出，新算法有較好的性能。

圖3 掉話率

圖4 帶寬利用率

圖3和圖4從掉話率和帶寬利用率兩方面比較了兩種算法的網絡性能。可以看出，新算法比傳統算法的掉話率更低，帶寬利用率更高。這是因為新算法設置了合理的接納控制機制以及語音業務優先的策略。綜合比較來看，新算法可以更好地提升系統性能。

4 結束語

文中研究了自相似業務有效帶寬的計算方法，并在此基礎上提出新的呼叫接納控制算法。該算法一方面可以更準確估計自相似業務的帶寬，另一方面考慮到異構網絡環境下不同類型業務的特性差異，引入概率機制，保證了重要基本業務的優先接納以及對同一業務的公平接納。仿真結果表明，該算法能夠在保證用戶服務質量的基礎上提高帶寬利用率，降低系統的業務阻塞率。

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A CAC Algorithm Adopting for Self-similar Service in Wireless Network

GUO Qiang,CHE Yu-jie,ZHANG Xiao-meng,ZHU Ruo-han

(School of Management Science and Engineering,Shandong University of Finance and Economics,Jinan 250014,China)

In order to solve the problem of limited system capacity and low resource utilization rate in heterogeneous network,according to the self-similarity of heterogeneous network traffic,a Call Admission Control (CAC) algorithm for self-similar traffic model is proposed.First of all,it makes more accurate bandwidth estimation by statistical network calculus according to the self-similarity and requirement for solving the minimal bandwidth of self-similar business.Secondly,reasonable admission control strategy is designed,which considers three factors including business priorities,the remainder of the heterogeneous network bandwidth and the business itself for admission control.In addition,by introducing probability mechanism,the strategy ensures the fairness of terminal access.Finally,the OPNET simulation and verification is conducted in the heterogeneous network environment of 3G and WLAN.The results show that this algorithm can improve the utilization of the network and reduce the call drop ratio,realizing the optimized configuration of the resource on the basis of guaranteeing QoS of the network.

call admission control;self-similar;bandwidth estimation;heterogeneous network;blocking rate

2015-01-06

2015-04-13

時間：2016-02-18

山東省自然科學基金(ZR2011FM022)

郭 強(1975-)，男，副教授，博士，研究方向為無線通信網絡；車玉潔(1989-)，女，碩士，研究方向為無線通信網絡。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160218.1619.008.html

TN929.5

A

1673-629X(2016)03-0097-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.03.023