郭 強(qiáng)，車玉潔，張曉萌，朱若菡

(山東財(cái)經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

一種適應(yīng)自相似業(yè)務(wù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接納控制算法

郭 強(qiáng)，車玉潔，張曉萌，朱若菡

(山東財(cái)經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

為了解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量有限、資源利用率較低的問題，根據(jù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的自相似特性，提出了一種適應(yīng)自相似業(yè)務(wù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接納控制算法。首先，通過統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)演算方法，根據(jù)業(yè)務(wù)流量特性和要求定量求解網(wǎng)絡(luò)性能的統(tǒng)計(jì)邊界，進(jìn)而求解出自相似業(yè)務(wù)所需的最小帶寬，能夠進(jìn)行更準(zhǔn)確的帶寬估計(jì)；其次，制定合理的接納控制策略，即考慮業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)、異構(gòu)網(wǎng)的剩余帶寬以及業(yè)務(wù)本身所需帶寬情況三方面的因素進(jìn)行接納控制，另外，該策略通過引入概率機(jī)制保證終端接入的公平性；最后，在3G與WLAN互聯(lián)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行OPNET仿真驗(yàn)證。通過仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，該算法能夠在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高帶寬利用率，降低系統(tǒng)的業(yè)務(wù)阻塞率，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

接納控制；自相似；帶寬估計(jì)；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；阻塞率

0 引 言

目前，異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的資源管理技術(shù)已成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，一個(gè)有效的無(wú)線資源管理機(jī)制能夠充分利用有限的資源給用戶提供高質(zhì)量的通信服務(wù)。而呼叫接納控制的意義是在可以保證用戶服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)能夠提高網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，而出現(xiàn)新的通話呼叫時(shí)，新呼叫能被接納的前提是不影響已存在呼叫用戶的服務(wù)質(zhì)量，且新呼叫的服務(wù)質(zhì)量也能得到滿足[1]?？傊?，呼叫接納控制作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源管理的重要部分，直接影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源使用的有效性和用戶的QoS要求。因此，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下設(shè)計(jì)一個(gè)合理有效的接納控制策略至關(guān)重要。

實(shí)施呼叫接納控制的網(wǎng)絡(luò)，首先需要獲得請(qǐng)求接入網(wǎng)絡(luò)的用戶的業(yè)務(wù)流量特性和要求，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)鏈路剩余帶寬情況決定是否同意接納用戶的呼叫請(qǐng)求。呼叫接納控制過程包括兩個(gè)重要過程：首先，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，即要計(jì)算出請(qǐng)求接納業(yè)務(wù)的所需有效帶寬；其次，是判斷接納過程，即根據(jù)有效帶寬進(jìn)行判別是否接納。

文獻(xiàn)[2]提出了一種多媒體業(yè)務(wù)的聯(lián)合呼叫接納控制算法，針對(duì)不同類型用戶的業(yè)務(wù)特性以及優(yōu)先級(jí)進(jìn)行接納控制，但是未考慮業(yè)務(wù)所需帶寬及網(wǎng)絡(luò)剩余帶寬。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于馬爾可夫決策過程的區(qū)分業(yè)務(wù)接納控制算法，根據(jù)馬爾可夫決策過程分析了不同類型業(yè)務(wù)的接納控制行為并提出基于模糊邏輯的接納效用評(píng)估機(jī)制，但是該算法沒有考慮業(yè)務(wù)流的自相似特性。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于優(yōu)先權(quán)的自相似流量接納控制新算法，但不適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

根據(jù)上述研究中存在的問題，文中首先利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流自相似的特性，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)演算對(duì)自相似業(yè)務(wù)模型進(jìn)行有效帶寬估計(jì)，進(jìn)而提出適應(yīng)自相似業(yè)務(wù)的呼叫接納控制算法。通過在3G與WLAN搭建的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，提出的AS-CAC可以大大提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，有效降低網(wǎng)絡(luò)擁塞率，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

1 自相似業(yè)務(wù)模型的帶寬估計(jì)

近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)出廣泛的統(tǒng)計(jì)自相似特征，而傳統(tǒng)的泊松分布和馬爾可夫模型體現(xiàn)不出長(zhǎng)時(shí)間網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的自相似特性。因此，自相似模型成為仿真實(shí)際網(wǎng)絡(luò)流量的主要模型。

1.1 自相似過程

將這一隨機(jī)過程放入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，即X(t)表示在不同時(shí)間t時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的用戶業(yè)務(wù)流量，其性質(zhì)可以說(shuō)明業(yè)務(wù)流量存在大時(shí)間尺度上的突發(fā)性[9-10]。由此可知，同時(shí)具備短相關(guān)和長(zhǎng)相關(guān)性質(zhì)的模型更有利于說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的真實(shí)情況。文中選取分形布朗運(yùn)動(dòng)流量模型(FractionalBrownianMotion，F(xiàn)BM)作為自相似業(yè)務(wù)流量模型。

1.2 自相似業(yè)務(wù)的帶寬估計(jì)

統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)演算方法是分析網(wǎng)絡(luò)通信性能的有效方法之一，通過此方法可以定量求解網(wǎng)絡(luò)性能的統(tǒng)計(jì)邊界，進(jìn)而求解出自相似業(yè)務(wù)所需的最小帶寬，能夠合理估計(jì)網(wǎng)絡(luò)資源，提高資源利用率。

首先確定自相似業(yè)務(wù)模型的統(tǒng)計(jì)到達(dá)包絡(luò)，F(xiàn)BM模型一般需要Hurst系數(shù)H、流量平均到達(dá)率m、流量方差系數(shù)a三個(gè)參數(shù)就可以描述一個(gè)長(zhǎng)相關(guān)序列，非常簡(jiǎn)單，易于求解。一個(gè)分形布朗運(yùn)動(dòng)包絡(luò)過程定義為:

(1)

它的統(tǒng)計(jì)到達(dá)包絡(luò)G(t)=A*(t)。

其中：ρ表示FBM的平均到達(dá)率；ε表示分組丟失率；β表示單位時(shí)間流量標(biāo)準(zhǔn)差。

此過程表示一個(gè)FBM過程在t時(shí)刻超出G(t)的概率為ε，統(tǒng)計(jì)意義更加明顯。

其次確定統(tǒng)計(jì)服務(wù)曲線并根據(jù)時(shí)延統(tǒng)計(jì)上界公式進(jìn)行帶寬估計(jì)。在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置參數(shù)為(R,T)的速率時(shí)延服務(wù)曲線，對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行服務(wù)保證，因?yàn)榇嬖谒俾蕰r(shí)延，服務(wù)曲線能夠簡(jiǎn)潔明了地展現(xiàn)多種不同類型的調(diào)度器，是一種網(wǎng)絡(luò)路由器的標(biāo)準(zhǔn)模型。這樣，各個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的統(tǒng)計(jì)服務(wù)曲線為:

S(t)=R(t-T)

(2)

違背概率εs，R為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)速率。時(shí)延公式為：

d(t)=inf{d≥0:G(t)≤S(t+d)}

(3)

將統(tǒng)計(jì)到達(dá)包絡(luò)和統(tǒng)計(jì)服務(wù)曲線代入關(guān)系式G(t)≤S(t+d)中，可以得到帶寬下界為：

(4)

進(jìn)一步取可容忍時(shí)延上界dmax，最終得到帶寬估計(jì)結(jié)果：

(5)

以上方法解決了單節(jié)點(diǎn)的帶寬估計(jì)問題，由于統(tǒng)計(jì)服務(wù)曲線的等效作用，也可以將該方法應(yīng)用到多節(jié)點(diǎn)和端對(duì)端網(wǎng)絡(luò)，聚合流通過同型流的疊加即可得到[11-13]。

2 適應(yīng)自相似業(yè)務(wù)的接納控制算法

文中在3G與WLAN互聯(lián)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，選取了三種代表性的業(yè)務(wù)類型，即語(yǔ)音、視頻以及數(shù)據(jù)，不同業(yè)務(wù)類型用戶有不同的服務(wù)質(zhì)量需求，需要根據(jù)它們的業(yè)務(wù)特性、優(yōu)先級(jí)以及可用帶寬進(jìn)行接納控制。同時(shí)，同一業(yè)務(wù)也都分為新呼叫和切換呼叫，通常對(duì)用戶來(lái)講，正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)進(jìn)行中斷比新呼叫產(chǎn)生阻塞更讓人不舒服，所以將切換呼叫的優(yōu)先權(quán)設(shè)置為高于新呼叫的優(yōu)先權(quán)。另外，設(shè)定實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，三種業(yè)務(wù)類型中，語(yǔ)音和視頻業(yè)務(wù)是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，而語(yǔ)音又作為日常必需的業(yè)務(wù)。因此三種業(yè)務(wù)類型的優(yōu)先級(jí)是：語(yǔ)音類>視頻類>數(shù)據(jù)類。

文中提出適應(yīng)自相似業(yè)務(wù)的接納控制算法的設(shè)計(jì)原理參考隨機(jī)早期丟棄(RandomEarlyDetection，RED)算法，主要目的在于通過引入概率機(jī)制提供更公平更有保障的服務(wù)質(zhì)量，在資源有限的情況下緩解競(jìng)爭(zhēng)。接納控制算法在計(jì)算拒絕概率時(shí)，遵循網(wǎng)絡(luò)鏈路剩余帶寬越小，拒絕概率越大的原則，這樣通過這個(gè)概率進(jìn)行接納或者拒絕呼叫，實(shí)現(xiàn)了終端接入的公平性。拒絕概率Pre根據(jù)RED的原理計(jì)算方法如下：

(6)

接納概率為：

P=1-Pre

(7)

由于自相似業(yè)務(wù)的突發(fā)性，設(shè)置剩余帶寬的最大門限值maxb，最小門限值minb，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)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(yè)務(wù)源的突發(fā)強(qiáng)度有關(guān)，如果自相似系數(shù)H的值越小則突發(fā)強(qiáng)度越小，網(wǎng)絡(luò)為以防出現(xiàn)突發(fā)設(shè)置的緩沖應(yīng)該越小，minimumb的值應(yīng)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(gè)業(yè)務(wù)終端采集并提交業(yè)務(wù)流相關(guān)的參數(shù)，包括：自相關(guān)系數(shù)H，流量平均到達(dá)率m，流量方差系數(shù)a和所要求的丟包率。

2)根據(jù)式(5)計(jì)算有效帶寬R。

3)比較有效帶寬和網(wǎng)絡(luò)剩余帶寬，分為以下幾種情況。

(1)如果R>maximumb，首先判斷請(qǐng)求接入的業(yè)務(wù)流的類型。如果不是高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)流，即切換語(yǔ)音及新呼叫語(yǔ)音，則拒絕接納；如果是語(yǔ)音類業(yè)務(wù)流，則采取強(qiáng)制接納，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中已進(jìn)行的低優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)暫時(shí)接納，以釋放資源滿足語(yǔ)音類業(yè)務(wù)的順利接納。

在進(jìn)行強(qiáng)制接納時(shí)，對(duì)優(yōu)先級(jí)由低到高逐個(gè)進(jìn)行暫時(shí)接納，接納條件為：

(8)

式中，通過對(duì)最低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流進(jìn)行逐個(gè)暫時(shí)接納，如果該優(yōu)先級(jí)不滿足接納條件，則再對(duì)比最低優(yōu)先級(jí)高一級(jí)的業(yè)務(wù)流進(jìn)行逐個(gè)暫時(shí)接納，以此類推，直至滿足條件為止。通過該方式基本上強(qiáng)制接納都可以實(shí)現(xiàn)。

(2)如果minimumb

(3)如果R

3 仿 真

為了驗(yàn)證文中提出的適應(yīng)自相似業(yè)務(wù)的接納控制算法的性能，采用OPNET仿真，利用3G和WLAN兩種網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，并考慮目前廣泛使用的語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)3種典型業(yè)務(wù)。仿真比較了該模型與傳統(tǒng)呼叫接納控制模型的性能。

仿真數(shù)據(jù)來(lái)源基于FBM模型，其中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流的生成程序參考文獻(xiàn)[10]，利用Matlab進(jìn)行編寫，通過仿真程序代碼，可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模型中的參數(shù)。仿真中，所用到的流量參數(shù)如表1所示。其中：H,m,a分別代表流量參數(shù)；1，2，3分別代表業(yè)務(wù)類型。

表1 各業(yè)務(wù)流量參數(shù)

針對(duì)提出的算法SCAC，在Matlab仿真平臺(tái)上將其和文獻(xiàn)[11]提出的基于效用的接納策略UBCAC進(jìn)行仿真對(duì)比，主要從呼叫阻塞率、掉話率、系統(tǒng)性能、帶寬利用率等方面進(jìn)行比較。圖2～4為仿真結(jié)果。

圖2 呼叫阻塞率

圖2比較了兩種算法的呼叫業(yè)務(wù)阻塞率和業(yè)務(wù)到達(dá)率的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著到達(dá)率的提高，業(yè)務(wù)阻塞率都是不斷上升的。業(yè)務(wù)阻塞率能夠反映系統(tǒng)的性能和用戶服務(wù)質(zhì)量，阻塞率越低說(shuō)明系統(tǒng)性能越好，能給用戶帶來(lái)更好的服務(wù)質(zhì)量，反之亦然。同時(shí)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(wǎng)絡(luò)性能?？梢钥闯?，新算法比傳統(tǒng)算法的掉話率更低，帶寬利用率更高。這是因?yàn)樾滤惴ㄔO(shè)置了合理的接納控制機(jī)制以及語(yǔ)音業(yè)務(wù)優(yōu)先的策略。綜合比較來(lái)看，新算法可以更好地提升系統(tǒng)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中研究了自相似業(yè)務(wù)有效帶寬的計(jì)算方法，并在此基礎(chǔ)上提出新的呼叫接納控制算法。該算法一方面可以更準(zhǔn)確估計(jì)自相似業(yè)務(wù)的帶寬，另一方面考慮到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不同類型業(yè)務(wù)的特性差異，引入概率機(jī)制，保證了重要基本業(yè)務(wù)的優(yōu)先接納以及對(duì)同一業(yè)務(wù)的公平接納。仿真結(jié)果表明，該算法能夠在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高帶寬利用率，降低系統(tǒng)的業(yè)務(wù)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(shí)間：2016-02-18

山東省自然科學(xué)基金(ZR2011FM022)

郭 強(qiáng)(1975-)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)；車玉潔(1989-)，女，碩士，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。

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