徐力 楊劍飛 解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 210007

衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)中的呼叫接入控制技術(shù)研究

徐力 楊劍飛 解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 210007

文章主要對比分析了無呼叫溢出接入、隨機接入以及基于負載均衡的呼叫接入三種方案，并對異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)進行了呼叫阻塞率性能仿真。證實了基于負載均衡的異構(gòu)網(wǎng)接入方式能有效的降低系統(tǒng)的呼叫阻塞概率，提升了系統(tǒng)的整體接入性能。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；負載均衡；呼叫接入控制

在多個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，多模終端能夠根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況自由選擇合適的網(wǎng)絡(luò)進行通信，有效地提高了衛(wèi)星通信的組網(wǎng)效率和資源利用率。但是，如果當(dāng)大量用戶集中偏向于某一網(wǎng)絡(luò)，就有可能會造成該網(wǎng)絡(luò)由于擁塞而影響后續(xù)業(yè)務(wù)正常接入的情況發(fā)生。此時，若系統(tǒng)采用一定的負載均衡（LB，load balancing）技術(shù)，將呼叫轉(zhuǎn)移到其他網(wǎng)絡(luò)中，就能夠有效的解決該類問題的發(fā)生。例如，當(dāng)衛(wèi)星寬帶網(wǎng)負載較重的時候，就可以將一般的話音、傳真、短消息等業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到窄帶網(wǎng)中去，以便網(wǎng)絡(luò)能夠接入新的寬帶業(yè)務(wù)呼叫。

不同衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所面向的主要業(yè)務(wù)類型是有所區(qū)別的，如衛(wèi)星窄帶網(wǎng)可以很好地支持話音類業(yè)務(wù)，為其提供良好的QoS保證；衛(wèi)星寬帶網(wǎng)通常用來傳輸需要更大帶寬和更高數(shù)據(jù)傳輸速率的寬帶多媒體業(yè)務(wù)；而抗干擾網(wǎng)由于受資源限制，所以一般都只是用于受干擾非常嚴重的通信環(huán)境。隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展，各網(wǎng)系之間的融合，多模終端的使用將會是一種必然，在這種條件下，如果將重負載網(wǎng)絡(luò)中不受限制的呼叫轉(zhuǎn)移到重疊覆蓋的輕負載網(wǎng)絡(luò)中，則空出的信道資源就能提供給受限制的呼叫使用，從而有效地降低了系統(tǒng)的呼叫阻塞概率，整個異構(gòu)系統(tǒng)的資源利用率得到進一步提高。

由于戰(zhàn)時通信存在熱點地區(qū)，即該地區(qū)的通信設(shè)備會大量密集分布，通信業(yè)務(wù)量迅速增加，會導(dǎo)致用戶呼叫阻塞概率和切換呼叫掉線概率增大等問題，而其他地區(qū)的業(yè)務(wù)量卻很少，這樣就形成了有的地區(qū)資源十分緊張而有的地區(qū)卻有大量資源閑置的局面，造成了系統(tǒng)資源的浪費。若在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中引入負載均衡，將有助于只能接入某一種網(wǎng)絡(luò)的受限制呼叫和其他呼叫能夠隨時接入到衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。所以，衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的呼叫接入控制技術(shù)研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 概述

1.1 系統(tǒng)模型

圖1給出了衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該異構(gòu)系統(tǒng)由窄帶網(wǎng)A和寬帶網(wǎng)B構(gòu)成，其中A網(wǎng)的容量比B網(wǎng)的容量要小。當(dāng)各網(wǎng)絡(luò)中的負載發(fā)生較大變化的時候，網(wǎng)控中心通過一定的策略對各網(wǎng)絡(luò)之間的負載進行集中、統(tǒng)一控制。由于GEO衛(wèi)星的覆蓋面積非常大，所以在實際應(yīng)用中可以假設(shè)兩個網(wǎng)絡(luò)是基本重合的，且暫不考慮因移動出現(xiàn)用戶離開波束覆蓋范圍的情況。

圖1 異構(gòu)重疊網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 業(yè)務(wù)接入方案介紹

為了簡單起見，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)都是具有固定帶寬需求的實時業(yè)務(wù)，新到達的呼叫均服從泊松分布。其中，窄帶網(wǎng)中的低速新呼叫平均到達率為，寬帶網(wǎng)中的高速新呼叫平均達到率，呼叫持續(xù)時間服從負指數(shù)分布，高速和低速呼叫平均持續(xù)時間都為。下面對可能的業(yè)務(wù)入網(wǎng)方案進行簡單介紹以下：

（1）無呼叫溢出方案

呼叫只能在單一的網(wǎng)絡(luò)中進行接入，這也是目前衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，即各網(wǎng)絡(luò)只能傳輸自身的業(yè)務(wù)。以高速的寬帶業(yè)務(wù)為例，當(dāng)新呼叫產(chǎn)生時，若系統(tǒng)中剩余的資源可供新呼叫正常通信時，則接入該呼叫請求，否則拒絕。

該方案存在的問題是：兩個網(wǎng)絡(luò)中的資源不能共享，可能會出現(xiàn)一個網(wǎng)絡(luò)中資源十分緊缺而另一個網(wǎng)絡(luò)還有很多空閑信道的情況，使得整個異構(gòu)系統(tǒng)的信道利用率不高，造成了資源的浪費。

（2）低速業(yè)務(wù)上溢方案

低速的新呼叫可以接入到寬帶網(wǎng)中，即當(dāng)一個低速呼叫產(chǎn)生時，若當(dāng)前窄帶網(wǎng)中可用信道數(shù)大于保護信道數(shù)，則該呼叫可以被接入，否則溢出到寬帶網(wǎng)。而寬帶網(wǎng)接收低速新呼叫的條件是，網(wǎng)絡(luò)中的空閑信道數(shù)量大于保護信道數(shù)量，否則低速新呼叫在寬帶網(wǎng)也將被阻塞。

該方案的優(yōu)點是可以減少低速新呼叫的阻塞概率，但是對于寬帶網(wǎng)來說，由于其呼叫速度慢，信道可能會長時間被占用。若寬帶網(wǎng)中的低速呼叫數(shù)量較多，或高速呼叫平均到達率較高時，則會造成寬帶網(wǎng)呼叫阻塞概率增大的后果。

（3）低速和高速業(yè)務(wù)互相溢出方案

若只是低速業(yè)務(wù)能夠享受異構(gòu)網(wǎng)的系統(tǒng)資源，那么對寬帶網(wǎng)是不公平的。為了有效地兼顧這種公平性，于是有了低速和高速業(yè)務(wù)可以互相溢出的方案，即系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)可以自由的接入網(wǎng)絡(luò)，不受網(wǎng)絡(luò)體制的影響。但是為了保護窄帶網(wǎng)用戶的利益，通常會設(shè)置一定的保護門限，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負載高于該值時，則不能溢出到另一網(wǎng)絡(luò)。

就新呼叫而言，只要網(wǎng)絡(luò)中存在任何非保護信道空閑，該呼叫就能被接入。顯然，通過這種方式可以大大降低整個分層系統(tǒng)的新呼叫阻塞概率和切換中斷概率。

2 異構(gòu)網(wǎng)環(huán)境下的呼叫接入控制技術(shù)

2.1 無呼叫溢出接入策略

對于呼叫無法溢出的系統(tǒng)來說，其用戶只能接入某一固定的網(wǎng)絡(luò)，這也是目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)的實際情況，各衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相互獨立工作，相互直接不能共享資源。下面先對這種單一模式的入網(wǎng)方式進行呼叫阻塞概率分析。應(yīng)用馬爾可夫過程，設(shè)系統(tǒng)處于狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率為Pn，狀態(tài)n表示有n個信道被n個呼叫占用。由于網(wǎng)絡(luò)只能接收單一的新呼叫，所以對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

狀態(tài)平衡方程為：

又因為：

圖3 無呼叫溢出的理論呼叫阻塞概率

2.2 隨機接入策略

隨機接入策略是指在異構(gòu)網(wǎng)環(huán)境下，多模終端用戶可以自由的、隨機的選擇網(wǎng)絡(luò)，只要系統(tǒng)中有足夠的資源就可以接入通信，不受外界環(huán)境因素干擾，也不用考慮負載均衡。該策略下的用戶接入主要包含以下幾個步驟：

（1）多模終端隨機選擇網(wǎng)絡(luò)A或B，發(fā)出連接請求；

（2）判斷網(wǎng)絡(luò)A（B）中是否有足夠的資源可供用戶使用，若資源充足，則允許用戶接入網(wǎng)絡(luò)A（B），轉(zhuǎn)到（5）；

（3）若之前選擇網(wǎng)絡(luò)中的資源不足以接入該用戶，則將該用戶切換到另一網(wǎng)絡(luò)；

（4）若切換后網(wǎng)絡(luò)中的資源可以滿足該用戶的業(yè)務(wù)接入，則將其接入網(wǎng)絡(luò)，否則拒絕該用戶，轉(zhuǎn)到（5）；

（5）呼叫接入控制過程結(jié)束。

通過上述步驟，完成了對一個新呼叫的接入控制過程。該策略在實現(xiàn)上比較簡單，不用考慮過多因素的影響，但是可能會造成大量某一網(wǎng)絡(luò)呼叫進入另一網(wǎng)絡(luò)，使得另一網(wǎng)絡(luò)自身呼叫得不到應(yīng)有保障的情況出現(xiàn)，所以該方案并不是最優(yōu)的。

2.3 基于負載均衡的異構(gòu)網(wǎng)接入策略

對于多星、多頻段、多體制的衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)來說，其異構(gòu)網(wǎng)組成并不只是單純的窄帶網(wǎng)和寬帶網(wǎng)，本文設(shè)計了其具體的基于負載均衡的呼叫接入控制流程，如圖4所示。

當(dāng)用戶請求接入時，首先向當(dāng)前接入的通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請求，當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)收到該請求時，結(jié)合用戶信息和負載均衡算法決定是否進行網(wǎng)間切換，若需要進行網(wǎng)間切換則向全局網(wǎng)管中心發(fā)送切換請求，全局網(wǎng)管中心根據(jù)用戶信息查詢用戶可接入的網(wǎng)絡(luò)集，并發(fā)送狀態(tài)查詢請求，各子網(wǎng)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)以及待接入用戶信息計算接入該用戶后的狀態(tài)并反饋給全局網(wǎng)管中心，全局網(wǎng)管結(jié)合各可接入子網(wǎng)的預(yù)接入狀態(tài)和最佳接入準(zhǔn)則確定最佳接入網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送確定接入信息，由最佳接入子網(wǎng)響應(yīng)用戶的接入請求。

圖4 基于負載平衡的呼叫接入控制流程圖

當(dāng)子網(wǎng)管收到用戶請求時，網(wǎng)管開始查詢當(dāng)前的子網(wǎng)的狀態(tài)參數(shù)，并計算允許該用戶接入條件下子網(wǎng)的狀態(tài)參數(shù)，將該參數(shù)作為決策參數(shù)，結(jié)合切換準(zhǔn)則決定是否進行負載平衡切換，如圖5所示。

圖5 異構(gòu)網(wǎng)切換決策算法流程

通過異構(gòu)網(wǎng)切換決策后，若輸出的結(jié)果是需要進行負載平衡切換，則業(yè)務(wù)選擇網(wǎng)絡(luò)進行通信；若輸出的結(jié)果是否，則說明當(dāng)前沒有適合該業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，中斷該業(yè)務(wù)通信。下面對基于負載均衡的呼叫接入控制方式進行具體的描述。

對于某一具體的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)A，其系統(tǒng)中存在的業(yè)務(wù)主要有本網(wǎng)絡(luò)新呼叫和因負載均衡切換過來的新呼叫。為了保障本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶的權(quán)益，本文為每一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)置了一個吞吐門限，當(dāng)系統(tǒng)負載高于該門限值時，則系統(tǒng)只接受本網(wǎng)絡(luò)的新業(yè)務(wù)呼叫，而低于該門限值時則判斷為輕負載狀態(tài)，可以接入其他網(wǎng)絡(luò)的用戶，其具體流程為：

（1）計算各網(wǎng)絡(luò)的負載狀況

重負載情況下：此時系統(tǒng)只能接入本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的新用戶。

輕負載情況下：系統(tǒng)既可以接入新用戶也能接入負載切換過來的用戶。

假設(shè)新業(yè)務(wù)的帶寬需求為B新用戶，負載切換用戶的帶寬要求是B負載切換，所以有B重負=B新用戶，B輕負=B新用戶+B負載切換。

（2）判斷網(wǎng)絡(luò)A的負載狀態(tài)，若為重負載狀態(tài)，則執(zhí)行（3），否則，結(jié)束；

（3）檢查狀態(tài)信息表中網(wǎng)絡(luò)B的負載狀態(tài)，若網(wǎng)絡(luò)B處于重負載狀態(tài)，則執(zhí)行（4），否則，結(jié)束該流程；

（4）選擇一個低速呼叫業(yè)務(wù)，通知B網(wǎng)絡(luò)為其接入預(yù)留一部分資源；

（5）網(wǎng)絡(luò)B接收到信息后，啟動一個定時器，若在定時期間沒有接收到該業(yè)務(wù)，則收回預(yù)留的資源；

（6）網(wǎng)絡(luò)A通過數(shù)據(jù)分組或?qū)ьl信息通知被選擇的用戶進行負載均衡切換；

（7）執(zhí)行負載平均衡切換。

上述過程中，每個負載均衡周期只選擇一個業(yè)務(wù)，直到網(wǎng)絡(luò)B進入重負載狀態(tài)或網(wǎng)絡(luò)A由重負載狀態(tài)轉(zhuǎn)移到輕負載狀態(tài)。

3 仿真實驗

3.1 仿真模型

假設(shè)衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)由兩種不同的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，即窄帶網(wǎng)和寬帶網(wǎng)。為了減小仿真運算量，假設(shè)窄帶網(wǎng)的最大吞吐量為5Mbps，寬帶網(wǎng)的最大吞吐量為20Mbps。假設(shè)窄帶網(wǎng)產(chǎn)生的低速和高速兩種業(yè)務(wù)，其中低速業(yè)務(wù)為主，占呼叫總數(shù)的80%，寬帶網(wǎng)中的業(yè)務(wù)以高速的為主，占呼叫總數(shù)的50%，低速業(yè)務(wù)的傳輸速率為10kbps，高速業(yè)務(wù)的傳輸速率為50kb/s。窄帶網(wǎng)的吞吐量門限是最大吞吐量的80%；寬帶網(wǎng)的吞吐量門限是最大吞吐量的75%，在異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)中，終端均可工作在雙模式。新呼叫到達率服從泊松分布，平均達到率的取值范圍是5～50calls/s，呼叫持續(xù)時間服從指數(shù)分布，均值為1/μ= 20s 。

下面我們對以下幾種接入方案的呼叫阻塞概率性能進行仿真分析：第一種方案中的兩個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獨立工作，且終端都為單模式；第二個方案中采用隨機接入方式，即兩個系統(tǒng)獨立工作，無流量均衡，但是系統(tǒng)中既有單模終端也有雙模終端；第三個方案采用負載均衡算法。

3.2 仿真結(jié)果和分析

在MATLAB中建立實驗仿真環(huán)境后，下面開始進行具體的仿真以及結(jié)果分析。

圖6顯示的是在三種接入方式下，窄帶網(wǎng)的呼叫阻塞概率。其中基于負載均衡的呼叫接入控制方式要優(yōu)于隨機接入方式，而隨機接入方式的性能又要優(yōu)于單模工作下的網(wǎng)絡(luò)性能。這是因為在異構(gòu)網(wǎng)條件下，若系統(tǒng)采用隨機接入策略，那么對一個新呼叫來說，只要系統(tǒng)中有資源該呼叫就能夠被接入，所以它的性能要優(yōu)于目前這種只能工作于單模方式的網(wǎng)絡(luò)。但是，該方案的性能又遠低于基于負載均衡的接入控制方式，這主要是因為基于負載均衡的接入控制方式對用戶能夠轉(zhuǎn)移負載的情況作了限制，有效地避免了窄帶網(wǎng)因接入過多高速業(yè)務(wù)造成呼叫阻塞的情況發(fā)生。

圖6 窄帶網(wǎng)的呼叫阻塞概率

而寬帶網(wǎng)的呼叫阻塞概率如圖7所示。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，寬帶網(wǎng)的呼叫阻塞概率情況為單模時最優(yōu)，均衡基于負載均衡的接入控制方式次之，而隨機接入時的阻塞率最大。造成這種結(jié)果的原因是：隨著呼叫到達率的提高，窄帶網(wǎng)已經(jīng)達到了飽和的狀態(tài)，不能接入寬帶網(wǎng)中的業(yè)務(wù)，而寬帶網(wǎng)由于容量大，起始階段接入了大量的窄帶業(yè)務(wù)，所以就使得異構(gòu)網(wǎng)條件下的寬帶網(wǎng)系統(tǒng)呼叫阻塞概率性能反而不如作為單一網(wǎng)絡(luò)存在時的性能。

異構(gòu)網(wǎng)的整體呼叫阻塞概率如圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相對單一網(wǎng)絡(luò)，若能實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)內(nèi)的通信資源共享，則整個衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)的呼叫阻塞概率是會有所降低的。對于單模的呼叫接入方式，其呼叫阻塞概率在到達率為15～20之間時基本保持不變，而在到達20之后急劇上升的原因是：在20之前的呼叫阻塞概率主要是由窄帶網(wǎng)產(chǎn)生的，此時寬帶網(wǎng)中的阻塞率很小，由于到達20后，寬帶網(wǎng)的呼叫阻塞概率也急劇增大，所以整個異構(gòu)系統(tǒng)的呼叫阻塞率就發(fā)生了很大的變化。當(dāng)異構(gòu)網(wǎng)采用一定的負載均衡策略時，其阻塞率相對要低很多，整體性能得到了較大的改善。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.025

圖8 異構(gòu)網(wǎng)條件下的系統(tǒng)呼叫阻塞概率