郭 强，车玉洁，张晓萌，朱若菡

(山东财经大学 管理科学与工程学院，山东 济南 250014)

一种适应自相似业务的异构网络接纳控制算法

郭 强，车玉洁，张晓萌，朱若菡

(山东财经大学 管理科学与工程学院，山东 济南 250014)

为了解决异构网络系统容量有限、资源利用率较低的问题，根据异构网络业务的自相似特性，提出了一种适应自相似业务的异构网络接纳控制算法。首先，通过统计网络演算方法，根据业务流量特性和要求定量求解网络性能的统计边界，进而求解出自相似业务所需的最小带宽，能够进行更准确的带宽估计；其次，制定合理的接纳控制策略，即考虑业务优先级、异构网的剩余带宽以及业务本身所需带宽情况三方面的因素进行接纳控制，另外，该策略通过引入概率机制保证终端接入的公平性；最后，在3G与WLAN互联的异构网络环境下进行OPNET仿真验证。通过仿真结果和数据分析，该算法能够在保证用户服务质量的基础上提高带宽利用率，降低系统的业务阻塞率，实现资源的优化配置。

接纳控制；自相似；带宽估计；异构网络；阻塞率

0 引 言

目前，异构无线网络的资源管理技术已成为热点研究领域，一个有效的无线资源管理机制能够充分利用有限的资源给用户提供高质量的通信服务。而呼叫接纳控制的意义是在可以保证用户服务质量的同时能够提高网络的资源利用率，而出现新的通话呼叫时，新呼叫能被接纳的前提是不影响已存在呼叫用户的服务质量，且新呼叫的服务质量也能得到满足[1]。总之，呼叫接纳控制作为异构网络系统资源管理的重要部分，直接影响着整个网络资源使用的有效性和用户的QoS要求。因此，在异构网络环境下设计一个合理有效的接纳控制策略至关重要。

实施呼叫接纳控制的网络，首先需要获得请求接入网络的用户的业务流量特性和要求，然后根据网络链路剩余带宽情况决定是否同意接纳用户的呼叫请求。呼叫接纳控制过程包括两个重要过程：首先，进行数值计算，即要计算出请求接纳业务的所需有效带宽；其次，是判断接纳过程，即根据有效带宽进行判别是否接纳。

文献[2]提出了一种多媒体业务的联合呼叫接纳控制算法，针对不同类型用户的业务特性以及优先级进行接纳控制，但是未考虑业务所需带宽及网络剩余带宽。文献[3]提出了一种基于马尔可夫决策过程的区分业务接纳控制算法，根据马尔可夫决策过程分析了不同类型业务的接纳控制行为并提出基于模糊逻辑的接纳效用评估机制，但是该算法没有考虑业务流的自相似特性。文献[4]提出了一种基于优先权的自相似流量接纳控制新算法，但不适用于异构网络环境中。

根据上述研究中存在的问题，文中首先利用无线网络业务流自相似的特性，应用统计网络演算对自相似业务模型进行有效带宽估计，进而提出适应自相似业务的呼叫接纳控制算法。通过在3G与WLAN搭建的异构网络环境下进行仿真，结果表明，提出的AS-CAC可以大大提高网络带宽的利用率，有效降低网络拥塞率，实现资源的优化配置。

1 自相似业务模型的带宽估计

近年来的研究发现，实际网络流量呈现出广泛的统计自相似特征，而传统的泊松分布和马尔可夫模型体现不出长时间网络业务流的自相似特性。因此，自相似模型成为仿真实际网络流量的主要模型。

1.1 自相似过程

将这一随机过程放入异构网络环境中，即X(t)表示在不同时间t时，网络节点处的用户业务流量，其性质可以说明业务流量存在大时间尺度上的突发性[9-10]。由此可知，同时具备短相关和长相关性质的模型更有利于说明网络业务的真实情况。文中选取分形布朗运动流量模型(FractionalBrownianMotion，FBM)作为自相似业务流量模型。

1.2 自相似业务的带宽估计

统计网络演算方法是分析网络通信性能的有效方法之一，通过此方法可以定量求解网络性能的统计边界，进而求解出自相似业务所需的最小带宽，能够合理估计网络资源，提高资源利用率。

首先确定自相似业务模型的统计到达包络，FBM模型一般需要Hurst系数H、流量平均到达率m、流量方差系数a三个参数就可以描述一个长相关序列，非常简单，易于求解。一个分形布朗运动包络过程定义为:

(1)

它的统计到达包络G(t)=A*(t)。

其中：ρ表示FBM的平均到达率；ε表示分组丢失率；β表示单位时间流量标准差。

此过程表示一个FBM过程在t时刻超出G(t)的概率为ε，统计意义更加明显。

其次确定统计服务曲线并根据时延统计上界公式进行带宽估计。在每个网络节点设置参数为(R,T)的速率时延服务曲线，对数据流进行服务保证，因为存在速率时延，服务曲线能够简洁明了地展现多种不同类型的调度器，是一种网络路由器的标准模型。这样，各个业务数据流的统计服务曲线为:

S(t)=R(t-T)

(2)

违背概率εs，R为网络节点提供的服务速率。时延公式为：

d(t)=inf{d≥0:G(t)≤S(t+d)}

(3)

将统计到达包络和统计服务曲线代入关系式G(t)≤S(t+d)中，可以得到带宽下界为：

(4)

进一步取可容忍时延上界dmax，最终得到带宽估计结果：

(5)

以上方法解决了单节点的带宽估计问题，由于统计服务曲线的等效作用，也可以将该方法应用到多节点和端对端网络，聚合流通过同型流的叠加即可得到[11-13]。

2 适应自相似业务的接纳控制算法

文中在3G与WLAN互联的异构网络环境下，选取了三种代表性的业务类型，即语音、视频以及数据，不同业务类型用户有不同的服务质量需求，需要根据它们的业务特性、优先级以及可用带宽进行接纳控制。同时，同一业务也都分为新呼叫和切换呼叫，通常对用户来讲，正在进行的业务进行中断比新呼叫产生阻塞更让人不舒服，所以将切换呼叫的优先权设置为高于新呼叫的优先权。另外，设定实时业务的优先级高于非实时业务的优先级，三种业务类型中，语音和视频业务是实时业务，数据业务是非实时业务，而语音又作为日常必需的业务。因此三种业务类型的优先级是：语音类>视频类>数据类。

文中提出适应自相似业务的接纳控制算法的设计原理参考随机早期丢弃(RandomEarlyDetection，RED)算法，主要目的在于通过引入概率机制提供更公平更有保障的服务质量，在资源有限的情况下缓解竞争。接纳控制算法在计算拒绝概率时，遵循网络链路剩余带宽越小，拒绝概率越大的原则，这样通过这个概率进行接纳或者拒绝呼叫，实现了终端接入的公平性。拒绝概率Pre根据RED的原理计算方法如下：

(6)

接纳概率为：

P=1-Pre

(7)

由于自相似业务的突发性，设置剩余带宽的最大门限值maxb，最小门限值minb，设定网络链路的剩余带宽为B，则maximumb一般取值在0.8B左右，而minimumb的取值与业务源的突发强度有关，如果自相似系数H的值越小则突发强度越小，网络为以防出现突发设置的缓冲应该越小，minimumb的值应该越大。反之亦然。

文中提出算法的基本步骤如图1所示。

图1 接纳算法过程

具体为：

1)每个业务终端采集并提交业务流相关的参数，包括：自相关系数H，流量平均到达率m，流量方差系数a和所要求的丢包率。

2)根据式(5)计算有效带宽R。

3)比较有效带宽和网络剩余带宽，分为以下几种情况。

(1)如果R>maximumb，首先判断请求接入的业务流的类型。如果不是高优先级的业务流，即切换语音及新呼叫语音，则拒绝接纳；如果是语音类业务流，则采取强制接纳，对网络中已进行的低优先级的业务暂时接纳，以释放资源满足语音类业务的顺利接纳。

在进行强制接纳时，对优先级由低到高逐个进行暂时接纳，接纳条件为：

(8)

式中，通过对最低优先级业务流进行逐个暂时接纳，如果该优先级不满足接纳条件，则再对比最低优先级高一级的业务流进行逐个暂时接纳，以此类推，直至满足条件为止。通过该方式基本上强制接纳都可以实现。

(2)如果minimumb

(3)如果R

3 仿 真

为了验证文中提出的适应自相似业务的接纳控制算法的性能，采用OPNET仿真，利用3G和WLAN两种网络重叠覆盖的异构网络场景，并考虑目前广泛使用的语音、视频和数据3种典型业务。仿真比较了该模型与传统呼叫接纳控制模型的性能。

仿真数据来源基于FBM模型，其中数据业务流的生成程序参考文献[10]，利用Matlab进行编写，通过仿真程序代码，可动态调节模型中的参数。仿真中，所用到的流量参数如表1所示。其中：H,m,a分别代表流量参数；1，2，3分别代表业务类型。

表1 各业务流量参数

针对提出的算法SCAC，在Matlab仿真平台上将其和文献[11]提出的基于效用的接纳策略UBCAC进行仿真对比，主要从呼叫阻塞率、掉话率、系统性能、带宽利用率等方面进行比较。图2～4为仿真结果。

图2 呼叫阻塞率

图2比较了两种算法的呼叫业务阻塞率和业务到达率的关系。可以看出，随着到达率的提高，业务阻塞率都是不断上升的。业务阻塞率能够反映系统的性能和用户服务质量，阻塞率越低说明系统性能越好，能给用户带来更好的服务质量，反之亦然。同时从图中可见，新算法下的阻塞率比较低，由此看出，新算法有较好的性能。

图3 掉话率

图4 带宽利用率

图3和图4从掉话率和带宽利用率两方面比较了两种算法的网络性能。可以看出，新算法比传统算法的掉话率更低，带宽利用率更高。这是因为新算法设置了合理的接纳控制机制以及语音业务优先的策略。综合比较来看，新算法可以更好地提升系统性能。

4 结束语

文中研究了自相似业务有效带宽的计算方法，并在此基础上提出新的呼叫接纳控制算法。该算法一方面可以更准确估计自相似业务的带宽，另一方面考虑到异构网络环境下不同类型业务的特性差异，引入概率机制，保证了重要基本业务的优先接纳以及对同一业务的公平接纳。仿真结果表明，该算法能够在保证用户服务质量的基础上提高带宽利用率，降低系统的业务阻塞率。

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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

时间：2016-02-18

山东省自然科学基金(ZR2011FM022)

郭 强(1975-)，男，副教授，博士，研究方向为无线通信网络；车玉洁(1989-)，女，硕士，研究方向为无线通信网络。

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