CN101102169A - 一种多业务类型的自适应接纳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种多业务类型的自适应接纳控制方法，涉及通信网络中多业务类型接纳控制方法；它包括计算新业务要求的带宽计算应占用的时隙、计算已接纳业务占用的时隙情况、计算新业务收益率、计算新业务接纳概率、接纳控制决策和接纳后更新已有业务的整体收益率；当一个新业务到达后，其执行步骤如下：a.计算新业务时隙；b.计算已接纳业务时隙；c.将二者相比较，判决；d.计算新业务收益率；e.计算新业务接纳概率；f.判决是否接纳；g.接纳后即时更新整体收益率；由于该方法能够实现IEEE 802.16系统接纳控制机制，并与系统兼容，可以可靠的提供系统规定的QoS带宽和分类要求；不仅能够提高系统的吞吐量，同时保证了接入的业务服务质量。

Description

一种多业务类型的自适应接纳控制方法

技术领域：

本发明型涉及通信网络中业务类型接纳控制方法，尤其是通信网络中多业务类型接纳控制方法。

背景技术：

无线/移动通信网络中日益增长的多媒体应用的性能瓶颈主要是无线链路带宽资源的匮乏，这就要求在网络中支持具有不同业务量特征、不同QoS需求的分级服务。为此，高效的接纳控制策略是不可或缺的。一种好的接纳控制策略应当在各种不同类型的业务之间或切换连接和新连接之间实现平衡，达到所需的QoS要求。目前已有大量的接纳算法被提出，其中传统的资源预留机制在蜂窝中预留一定数量的信道专门用于切换连接请求，包括截止优先权方式，新连接按概率接纳的分段预留信道方式等。资源预留机制以低优先级业务拒绝率的提高和系统资源利用率的降低为代价，降低高优先级的拒绝率。资源预留等静态算法最大的缺点在于设定的预留资源不能很好地适应业务量的实时变化，而目前已有的一些自适应的接纳控制算法如基于本地业务量的预测估计，大都复杂度或代价较高，并依赖于一定的业务量模型，具体实施有一定的困难。

目前接纳控制的解决办法包括：

第一种为基于参数的接纳控制。主要就是资源预留机制。资源预留机制在蜂窝中预留一定数量的信道专门用于切换连接请求，包括截止门限方式，新连接按概率接入的方式等，以低优先级业务拒绝率的提高和系统资源利用率的降低为代价，降低高优先级的拒绝率。资源预留等基于参数的算法最大的缺点在于设定的预留资源不能很好地适应业务量的实时变化，效率较低。

第二种为基于测量的接纳控制。通过发送和接受探测包获得对当前负载和可用资源的估计，如基于本地业务量的预测估计，但大都复杂度或代价较高，并依赖于一定的业务量模型，具体实施有一定的困难。

此外已有的无线通信系统如CDMA蜂窝网络和IEEE 802.11x网络在实时业务接纳控制虽有了成熟的方法，但IEEE 802.16并不是CDMA那样的软容量系统，也不像IEEE 802.11x是基于CSMA/CA机制的，而是采用时分多址的TDM/TDMA方式分配带宽，所以已有的无线接纳控制算法并不适合IEEE 802.16。

发明内容：

为了克服现有的接纳控制方法中效率较低过于复杂的缺点，以及不适合IEEE 802.16系统的问题，本发明提供了一种能够实现IEEE802.16系统接纳控制机制，并与系统兼容，可以可靠的提供系统规定的QoS带宽和分类要求的一种多业务类型的自适应接纳控制方法。

它包括计算新业务要求的带宽计算应占用的时隙、计算已接纳业务占用的时隙情况、计算新业务收益率、计算新业务接纳概率、接纳控制决策和接纳后更新已有业务的整体收益率；

当一个新业务到达后，其执行步骤如下：

a、首先按计算新业务要求的带宽计算应占用的时隙；

b、计算已接纳业务占用的时隙情况；

c、将新业务要求的带宽计算应占用的时隙和计算已接纳业务占用时隙情况的结果相比较；当系统时隙资源耗尽或充裕时直接由接纳控制决策判决是否接纳新业务！即当系统时隙资源耗尽时直接拒绝，当系统时隙资源充裕时直接接纳；

d、在时隙资源紧张或饱和的情况下，计算新业务收益率；

e、根据以上结果和已接纳业务的收益率计算新业务接纳概率；

f、由接纳控制决策判决是否接纳；

g、新业务被接纳后更新已有业务的整体收益率，为下一次新业务到达时计算新业务接纳概率做准备。

本发明改善了基于静态资源预留的效率低和已有自适应算法复杂度太高的缺点，同时基于多业务类型和带宽可调的业务环境而开发，在此环境下具有明显的性能优势。

尤其是根据系统可用带宽情况、当前系统收益率状况、新业务的带宽和收益率因素动态调节接纳标准，使系统在业务量不断变化的环境中维持稳定并达到最高性能。

算法根据已接纳业务整体的收益率θ_max/min/avr做出接纳判断，资源紧张时将限制低收益业务进入，从而提高θ_avr，如果资源持续紧张，θ_avr会不断升高并形成反馈，使得对低收益业务的限制更加严厉。如果资源紧张状况缓解，则改用较为宽松的接纳机制，对低收益业务的限制将放宽，使θ_avr降低。如果资源持续缓解，θ_avr会不断降低并形成反馈，逐步放宽限制。系统最后达到动态平衡，此时系统会根据资源情况优先满足高收益业务，并尽可能为低收益业务服务。

附图说明：

附图1是本发明的接纳控制算法结构图，显示了接纳控制在系统中的作用。

附图2是本发明的接纳控制算法具体功能模块划分，由计算按新业务带宽要求换算的时隙(1)、计算已接纳业务占用时隙情况(2)、计算新业务收益率(3)、根据以上结果和已接纳业务的收益率计算新业务接纳概率(4)、接纳控制决策(5)、接纳后更新已接纳业务的整体收益率(6)所组成。

附图3是本发明的接纳控制算法流程图。

具体实施方式：

算法伪代码如下：

for each connection request：

τ_max/min，i＝b_max/min，i·T_res/r_i；

if(∑τ_max，i+τ_max≤T_thr)

  accept the request；

else if(∑τ_min，i+τ_min＞T_res)

  reject the request；

else

  {θ＝w·r；

   if(T_thr＜∑τ_max，i+τ_max≤T_res)

      $\{P_{\mathrm{avr}-\min }=\min [\max (\frac{\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{avr}}-{\mathrm{\θ}}_{\min }},0),1];$

     accept the request with probability P_avr-min；}

   else

    $\{P_{\max -\mathrm{avr}}=\min [\max (\frac{\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{avr}}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{avr}}},0),1];$

   accept the request with probability P_max-avr；}

  }

if(the algorithm accept the request)

  {θ_min＝min(θ_min，θ)；

   θ_max＝max(θ_max，θ)；

   V＝V+θ·τ_max；

   T＝T+τ_max；

   θ_avr＝V/T；

   }

如802.16网络中已接纳N个业务，则业务f_i，i＝(1，…，N)可由参数{w_i，r_i，b_min，i，b_max，i}表述，其中w_i，r_i分别代表业务i的权重和调制速率，由业务所属的业务类型和所属的SS决定，w_i∈w_k，r_i∈r_s。b_min，i，b_max，i则是业务f_i的最大、最小带宽要求。由于分配是将一帧中的有效可分配时间T_res划分成时隙给予各业务，因此中心节点要将业务i的最大、最小带宽请求按下式等效为最大、最小时隙请求：

τ_max/min，i＝b_max/min，i·T_res/r_i

由于802.16网络中即使是同业务类型的业务也可能具有不同的速率，接纳控制机制应当优先照顾速率较高的业务，否则将降低系统的吞吐量。同时，考虑到不同业务类型，不同速率，以及切换连接和新连接的区别，业务详细的分类繁多，对每类业务制定不同的接纳规则是繁琐而难以应用的。为了简化接纳机制，同时确保接纳机制的可扩展性，对各种不同参数的业务采用统一的接纳机制，以参数来决定是否接纳较为合适。

设业务f_i实际得到的带宽为b_i，b_min，i≤b_i≤b_max，i；时隙为τ_i＝b_i·T_res/r_i。

可以定

义其收益：V(i)＝α·w_ib_i，α为系数。同样定义系统为业务f_i服务的开销为

C(i)＝β·τ_i；β为系数。由此我们可以得到收益比例如下式：

$\frac{V\left(i\right)}{C\left(i\right)}=\frac{\mathrm{\α}\·w_i{b}_i}{\mathrm{\β}\·{\mathrm{\τ}}_i}=w_i{r}_i\·\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\β}\·T}_{\mathrm{res}}}$

去除各业务相同的部分，定义收益率θ_i＝w_i·r_i作为区分业务f_i接纳优先权的依据。

为了在资源紧张时保证系统的效益，以收益率θ作为业务的分类依据和评价是否接纳的依据是合适的。在系统已接纳业务f_i，i＝(1，…，N)时，对于新到达业务的收益率θ＝w·r，最大/最小带宽b_max/min的业务f，系统可根据实际情况决定门限T_thr，在总最大时隙∑τ_max，i+τ_max超过阈值T_thr时采用基于收益率的自适应接纳机制控制接入：

在接纳完成之后更新代表已接纳的各个业务的收益率上限和下限的已接纳业务最大/最小收益率θ_max/min，代表所有已接纳业务的收益率按其得到的时隙加权计算出来的已接纳业务平均收益率θ_avr。算法使用递推的方式求值而不需要考虑每个业务的参数，同时此步在接纳判决完成后进行，用于更新缓存的θ_max/min和θ_avr，在下一次新业务到达时使用。在算法判决接纳具有收益率θ，最大时隙请求τ_max的业务后，更新最大/最小收益率为：

θ_min，new＝min(θ_min，old，θ)；θ_max，new＝max(θ_max，old，θ)；

设新业务接纳前有平均收益率θ_avr，old＝V_old/T_old；其中V_old＝∑(θ_i·τ_max，i)，T_old＝∑τ_max，i；在接纳后更新V_new＝V_old+θ·τ_max，T_new＝T_old+τ_max；就可以算出新的平均收益率θ_avr，new＝V_new/T_new。

运行时系统只需要缓存θ_min，θ_max，V，T，并在每次接纳后更新。这样就使算法不用逐业务计算，业务总数很大时计算仍十分简便。

当总最大时隙小于门限T_thr时，说明系统的时隙资源充裕，此时不对业务接入进行控制，新业务以概率1接纳；当总最小时隙达到甚至超过可分配时间T_res时，说明时隙资源已耗尽，无法在接纳新业务的同时保持原有业务，按照协议的定义，此时新业务被拒绝。

当总最大时隙大于门限T_thr且小于可分配时间T_res时，说明此时时隙资源紧张，需要对业务接入加以限制。算法以θ_avr为界，按概率限制收益率较低的业务接入。采用概率接纳的方式可以保障各类业务接入的公平性，同时避免较低的资源利用率。新到达业务被接纳的概率如下式：

$P_{\mathrm{avr}-\min }=\min [\max (\frac{\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{avr}}-{\mathrm{\θ}}_{\min }},0),1],$ T_thr＜∑τ_max，i+τ_max≤T_res

特别当θ_avr＝θ_min，θ≥θ_avr时，P_avr-min＝1；当θ_avr＝θ_min，θ＜θ_avr时，P_avr-min＝0。

在总最大时隙超过可分配时间T_res时，此时时隙资源已经饱和，接纳新业务必然使原有业务降级以得到时隙，为了保证系统收益和原有业务的利益，此时应当只接纳加入后可以提高总收益∑θ_i·τ_i的业务。显然，收益率大于θ_avr的业务符合这一要求。同样可以采用概率接纳不同收益率的业务。此时新到达业务被接纳的概率如下式：

$P_{\max -\mathrm{avr}}=\min [\max (\frac{\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{avr}}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{avr}}},0),1],$ ∑τ_max，i+τ_max＞T_res，∑τ_min，i+τ_min≤T_res

特别当θ_max＝θ_avr，θ≥θ_avr时，P_max-avr＝1；当θ_max＝θ_avr，θ＜θ_avr时，P_max-avr＝0。

这样在系统变化时算法可以自适应的调整接纳概率，用来调节系统，将系统保持在较稳定的状态。

Claims (1)

1、一种多业务类型的自适应接纳控制方法，其特征在于：它包括计算新业务要求的带宽计算应占用的时隙(1)、计算已接纳业务占用的时隙情况(2)、计算新业务收益率(3)、计算新业务接纳概率(4)、接纳控制决策(5)和接纳后更新已有业务的整体收益率(6)；

当一个新业务到达后，其执行步骤如下：

a、首先按计算新业务要求的带宽计算应占用的时隙(1)；

b、计算已接纳业务占用的时隙情况(2)；

c、将新业务要求的带宽计算应占用的时隙(1)和计算已接纳业务占用时隙情况(2)的结果相比较；当系统时隙资源耗尽或充裕时直接由接纳控制决策(5)判决是否接纳新业务！即当系统时隙资源耗尽时直接拒绝，当系统时隙资源充裕时直接接纳；

d、在时隙资源紧张或饱和的情况下，计算新业务收益率(3)；

e、根据以上结果和已接纳业务的收益率计算新业务接纳概率(4)；

f、由接纳控制决策(5)判决是否接纳；

g、新业务被接纳后更新已有业务的整体收益率(6)，为下一次新业务到达时计算新业务接纳概率(4)做准备。

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