王艳敏

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

基于业务类别的联合呼叫接纳控制算法

王艳敏

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

提出了一种基于业务类别的联合呼叫控制算法。在网络接入选择时，实时业务相对于非实时业务来说，应该尽可能地减少切换次数、降低切换时延。非实时业务要求较高的数据传输速率，而对时延不敏感。因此，在两个网络资源都足够的情况下，实时业务首选接入蜂窝网络，非实时业务首选接入WLAN。仿真并分析了异构网络中呼叫接纳控制算法性能的重要指标：新业务阻塞率。仿真结果表明，所提算法考虑了负载均衡，有效地利用了系统中的资源，提高了系统中的资源利用率，新业务阻塞率明显降低。

异构无线网络；联合呼叫接纳控制；业务类别；新业务阻塞率

0 引言

随着无线技术的不断发展，未来通信网络将越来越趋于异构化，多种无线接入技术(RAT)将会出现长期共存的现象，因此如何充分利用不同网络间的互补特性来实现异构网线网络技术的有机融合，如何使得任何用户在任何地点、任何时间都能获得具有QoS(服务质量)保证的服务，都需要投入大量的研究。

联合呼叫接纳控制是指在异构无线网络中，根据融合业务的需求、无线资源的变化、系统负载的调整以及用户的偏好，为具有接入多种网络能力的移动终端选择最合适的接入网络，并在网络端充分协调各种网络资源，在保证业务QoS的前提下，最大限度地接收用户接入请求，以实现资源的优化配置。是保证QoS和减少网络拥塞的重要机制。理想的接纳控制策略可以平衡不同网络之间的网络负载，进而减少不同网络之间的资源调度。

在异构无线网络中，由于不同类型的无线接入系统在资源分配策略、业务类型、可用带宽以及QoS协商机制等方面都有不同之处，因此它们各自采用的接入控制策略也会有着很大的差别。不同的无线接入网络的地理位置相互交错重叠，因此呼叫类型也将更加复杂。

衡量联合呼叫接纳控制算法的重要指标有：网络负载状况、新呼叫阻塞率、切换呼叫中断率、网络吞吐量、网络资源的利用率、服务质量等。在异构无线网络中，用户对业务的需求也将更加多样化，不同业务对时延、丢包率、抖动、业务带宽等 QoS 要求也不相同。本文主要研究基于业务类别的联合呼叫接纳控制算法，把业务类型分为两种，即实时业务和非实时业务，根据业务特性选择最合适的接入网络，使业务能够在较适合自身特性的网络中传输。

1 相关研究

当前一些主要的联合呼叫接纳控制算法如下。

(1)基于用户偏好的联合呼叫接纳控制算法

此类算法一般以业务类型、业务花费、服务质量作为参数，对于网络融合的背景没有限制，适用于多网络、多运营商的场景，对于资源的利用率一般，能使用户比较满意，计算的开销比较大，对移动终端的要求高，实施起来比较困难。文献[1]提出异构网络中基于用户满意度的资源分配，提出一个框架，建立运营商为投标方，用户为买家，由第三方来代理拍卖，最终由用户选择满足用户偏好和应用具体要求的网络。该算法每次投标都需要进行计算收益值并且计算比较复杂，另外对移动终端的要求也比较高，目前比较难以实施。

(2)基于负载均衡的联合呼叫接纳控制算法

此类算法一般以负载均衡、业务类型作为参数，适用于包括不对称业务比较多的网络，如LTE和WiMAX融合系统，对于资源的利用率非常高，但不能使用户满意，计算开销一般，实施起来比较容易。文献[2]提出了一种异构网络负载均衡算法，合理分配网络带宽并调节适当的参数，实现了异构网络的负载均衡。该算法对于资源利用比较充分，但是忽略了对用户偏好的满足。

(3)基于模糊逻辑的联合呼叫接纳控制算法

该算法引入模糊逻辑理论，是智能计算中较为常见的一种算法。此类算法一般考虑负载均衡、用户偏好、业务类型，对于资源的利用率较好，能使用户比较满意，计算开销比较大，算法比较复杂。文献[3]提出一种基于模糊逻辑的呼叫接入控制算法，考虑到用户的移动性、网络负载、用户满意度等参数，从候选网络中选择最佳的接入网络，但此类算法太过复杂，而且主观性过大。

(4)基于业务类别的联合呼叫接纳控制算法

此类算法一般考虑负载均衡、业务类别、服务质量作为参数，适用于承载不同业务特性的网络，如4G和WLAN融合网络，对于资源的利用率和用户满意度一般，计算开销比较小，也比较容易进行部署。接下来将详细介绍基于业务类别的联合呼叫接纳控制算法。

2 系统模型

下一代无线网络环境是宽带移动无线接入和异构分布的网络，是各种无线接入技术的异构融合，强调不同系统之间的互联互通。异构无线网络的互联互通方案有两种：紧耦合模式和松耦合模式。本文考虑到4G和WLAN在覆盖范围和接入带宽上有不同的优势和局限性，它们之间可以相互补充，满足不同的用户需求，因此采用两种网络紧耦合的方式为用户提供无缝的连接，其系统的仿真场景示意图如图1所示。

图1 系统场景示意图

在该场景中，在地理位置上主要包括两类区域：4G蜂窝小区(4G蜂窝网络单一覆盖的区域)和WLAN小区(4G蜂窝网络和WLAN网络重叠覆盖区域)。本文假设4G蜂窝网络之间的水平切换处于平衡状态，不考虑4G蜂窝网络间的水平切换问题。4G蜂窝网络覆盖范围较广，WLAN具有高带宽和高速率，但是其覆盖范围有限。而网络承载有两大类业务：实时业务和非实时业务。

3 基于业务类别的联合呼叫控制算法(BDS-JCAC算法)

在4G/WLAN的异构融合网络中，多模终端既可以接入4G蜂窝网络中，也可以接入到 WLAN 网络中。基于业务类别的联合呼叫接纳控制机制主要有以下三点任务：(1)要保证接入用户的服务质量，当网络中的资源足以接入用户业务时，允许接入;(2)要保证当前正在进行的业务的服务质量不受新接入的业务的影响;(3)要保证各个网络的负载均衡，避免造成系统资源利用率低的情况。

本文提出一种基于业务类别的联合呼叫接纳控制算法(BDS-JCAC算法)。考虑两种业务类型：实时业务和非实时业务，并且假设4G蜂窝网络中的新呼叫在整个呼叫过程中都保持静止或者低速移动的状态，即不考虑4G蜂窝网络之间的水平切换问题。在4G/WLAN的异构融合网络中，移动终端的接收信号强度与其距离基站的大小有关，距离越大，接收信号强度越小。在移动终端运动的过程中，要判断移动终端处于何种网络之中就必须判断移动终端的位置，设定移动终端在4G蜂窝网络和WLAN网络重叠覆盖区域边界所接收的信号强度为接收信号强度的门限值，当移动终端的接收信号强度小于门限值时，则其处于4G蜂窝网络单一覆盖的区域，反之，则处于4G蜂窝网络和WLAN网络重叠覆盖区域。下面分别考虑实时业务和非实时业务的具体接入控制流程。

(1)实时业务：当到达的新业务为实时业务时，优先考虑4G蜂窝网络，具体的接纳控制流程如图2所示，具体描述如下：

图2 实时业务接纳控制流程图

①移动终端判断4G蜂窝网络的网络负载值，若此时4G蜂窝网络的网络负载允许接入该用户业务，则接入该业务；反之，进行下一步判断。

②移动终端根据其接收信号强度判断其所处的网络区域，若此时是4G蜂窝网络单一覆盖的区域，则阻塞该业务；反之，进入下一步判断。

③移动终端判断WLAN网络的网络负载值，若此时WLAN网络的负载允许接入一些业务，则移动终端首先尝试将4G蜂窝网络的部分非实时业务切换到WLAN网络中，若切换成功，则再进行第一步判断，尝试在4G蜂窝网络中接入该业务；若没有切换成功，则根据WLAN网络的网络负载值判断WLAN网络是否允许接入该用户业务，若允许，则接入该业务，反之则阻塞该业务。

基站实时监测4G蜂窝网络和WLAN网络的负载状况。当检测到4G蜂窝网络的网络负载变轻而WLAN网络过载时，为了使用户获得更好的服务质量，将在WLAN网络中的实时业务切换回4G蜂窝网络。当有多个移动终端需要切换时，选择移动速度较快的优先进行切换。

(2)非实时业务：当到达的新业务为非实时业务时，优先考虑WLAN网络，具体的接纳控制流程如图3所示，具体描述如下：

①移动终端根据其接收信号强度判断其所处的网络区域。若此时是4G蜂窝网络单一覆盖的区域，移动终端先判断4G蜂窝网络的网络负载值，若此时4G蜂窝网络的网络负载允许接入该用户业务，则接入该业务；反之，则阻塞该业务。若此时是4G蜂窝网络和WLAN网络重叠覆盖区域，则进入下一步判断。

②移动终端判断WLAN网络的网络负载值，若此时WLAN网络的网络负载允许接入该用户业务，则接入该业务；反之，进行下一步判断。

③移动终端判断4G蜂窝网络的网络负载值，若此时4G蜂窝网络的负载允许接入一些业务，则移动终端首先尝试将WLAN网络的部分实时业务切换到4G网络中，若切换成功，则再进行第二步判断，尝试在WLAN网络中接入该业务；若没有切换成功，则根据4G蜂窝网络的网络负载值判断4G蜂窝网络是否允许接入该用户业务，若允许，则接入该业务，反之则阻塞该业务。

图3 非实时业务接纳控制流程图

基站实时监测4G蜂窝网络和WLAN网络的负载状况。当检测到WLAN网络的网络负载变轻而4G蜂窝网络的网络过载，为了使用户获得更好的服务质量，将在4G蜂窝网络中的非实时业务切换回WLAN网络。当有多个移动终端需要切换时，选择移动速度较慢的优先进行切换。

4 仿真与分析

设置仿真场景为4G/WLAN的异构融合网络，见图1。在该场景中，设定4G蜂窝网络的覆盖区域半径为1 km，WLAN网络的覆盖区域半径为150 m，4G蜂窝网络的带宽为7.2 Mb/s，WLAN网络的带宽为11 Mb/s。用户均匀地分布在图1中网络所覆盖的区域，用户使用的业务分为实时业务和非实时业务，业务的到达过程服从泊松分布。移动终端的速度设定为低速和高速两种。移动终端的接收信号强度与发送方和接收方的距离有关，参考第3节的无线传输信道模型，其中μ=0，δ=3。

当一个新业务到达时，根据实时业务或者非实时业务接纳控制流程进行判断，BDS-JCAC算法与未进行业务类别区分的JCAC算法的新业务阻塞率对比图如图4所示。从图4可以看出，当业务到达率比较低时，新业务阻塞率都为0，此时系统中4G蜂窝网络和WLAN网络都有充足的容量来接纳新业务，所以没有新业务阻塞率，而此时也看不出BDS-JCAC算法的优势。接下来随着业务到达率的不断提高，两种算法的新业务阻塞率也在不断提高，而对于相同的业务到达率，BDS-JCAC算法的新业务阻塞率明显低于未进行业务类别区分的JCAC算法。这是因为，BDS-JCAC算法考虑到了负载均衡，有效利用系统中的资源，提高了系统中的资源利用率。

图4 新业务阻塞率的对比图

系统的网络负载变化对比图如图5所示。从图5可以看出，当业务到达率比较低时，两种算法的网络负载情况相同，此时系统中4G蜂窝网络和WLAN网络负载较轻，都有充足的容量来接纳新业务，所以新业务都能被接纳，而此时也看不出BDS-JCAC算法的优势。接下来随着业务到达率的不断提高，两种算法的网络负载也在不断提高，也有了差距。对于相同的业务到达率，BDS-JCAC算法的网络负载明显高于未进行业务类别区分的JCAC算法。这是因为，BDS-JCAC算法考虑到了负载均衡，使得系统能够接纳更多的业务，从而充分利用了系统容量，提高了系统中的资源利用率。

图5 系统网络负载变化对比图

5 结论

本文首先介绍了基于业务类别的联合呼叫接纳控制算法的系统模型，接着分实时业务和非实时业务分别介绍了基于业务类别的联合呼叫接纳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，并与未进行业务类别区分的JCAC算法进行对比，着重根据不同的业务到达率，研究新业务阻塞率以及网络负载的变化。仿真表明，BDS-JCAC算法考虑了负载均衡，有效地利用了系统中的资源，提高了系统中的资源利用率。

[1] TOSEEF U, KHAN M A, GORG C, et al. User satisfaction based resource allocation in future heterogeneous wireless networks[C]. Communication Networks and Services Research Conference, 2011:217-223.

[2] 王辉, 李晋光. 异构网络负载均衡算法[J]. 工业仪表与自动化装置, 2014(5):111-114.

[3] Yang Zheng, Sheng Jie,Tang Liangrui. A novel call admission control scheme based on triangle module operator for heterogeneous wireless networks[C]. Fuzzy Systems and Knowledge Discovery, 2012:2078-2082.

A joint call admission control algorithm based on business categories

Wang Yanmin

(College of Telecommunications & Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

This paper presents a joint call admission control algorthm based on business categories. When selecting the network access, real-time services, with respect to the non-real-time services, should reduce the switching frequency as far as possible to reduce handover delay. Non-real-time services require higher data transfer rate and are delay-insensitive. Thus when the two network resources are sufficient, real-time services access to a cellular network of first choice, and non-real-time services prefer wireless local area networks. The blocking probability of new business—the important indicator of admission control algorithm is analyzed in heterogeneous network. Simulation results show that the proposed algorithm takes into account load balancing, effectively uses resources in the system and improves resource utilization of the system, and blocking probability of new business is significantly lower than others.

heterogeneous wireless network; joint call admission control; business categories; blocking probability of new business

TN915.6

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.019

王艳敏. 基于业务类别的联合呼叫接纳控制算法[J].微型机与应用，2016,35(24)：66-69.

2016-07-29)

王艳敏(1989-)，女，硕士，主要研究方向：移动无线通信。