CN101102238A - 一种宽带无线城域网中VoIP的接纳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种宽带无线城域网中VoIP的接纳控制方法，涉及通信网络中VoIP接纳控制方法；它由VoIP新连接到达、VoIP切换连接到达、计算连接所需带宽、接纳控制决策、更新已接纳的VoIP数量和服务质量、触发带宽分配及消息管理所组成；其工作步骤如下：a.检测连接到达请求；b.计算连接所需带宽；c.接纳控制判决；d.更新已接纳的VoIP数量和服务质量；e.触发带宽分配和相关消息管理；本发明能够根据网络的拥塞程度和新切换VoIP连接的QoS要求自适应调节接纳强度，从而保持较低的新VoIP阻塞率和切换VoIP的掉线率，不仅能够提高系统的吞吐量，同时保证接入的VoIP服务质量。

Description

一种宽带无线城域网中VoIP的接纳控制方法

技术领域

本发明涉及通信网络中VoIP接纳控制方法。

背景技术

随着无线通信和互联网的飞速发展与日益融合和用户对多媒体业务需求的不断增长，使得在保证QoS的基础上如何满足更多用户接入成为无线资源管理的难点之一。自IEEE 802.16-2004和IEEE802.16e标准公布以来，未来的接入网将从有线方式向无线方式转变，无线网络的交换技术也开始从电路交换向分组交换转变。VoIP业务对服务质量的要求不再是一个固定值，而是可以在一定范围内进行调整，导致VoIP业务对网络资源的要求也具有一定的弹性，可根据网络的负荷状况，在一定范围内调整其网络资源要求。因此VoIP业务的接纳控制也需要根据QoS要求和网络拥塞状况动态调整其接纳标准，即如果接纳新的VoIP对网络中已经接纳VoIP的服务质量造成损害不致影响其正常通信，那么接纳该流；反之，拒绝该流。而传统的接纳控制标准为：如果接纳新VoIP会对网络中已接纳VoIP服务质量造成损害，则无论是否能够正常通信，拒绝该流；反之，接纳该流。可见，传统的接纳标准与VoIP业务所需要的接纳标准有很大不同。

目前典型的接纳控制主要包括：基于资源预留机制的接纳控制、自适应的接纳控制、基于测量的接纳控制和基于参数的接纳控制。资源预留机制预先保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，新连接按概率接入方式等等。资源预留机制以增加低优先级业务拒绝率和降低系统资源利用率为代价，来降低高优先级业务的拒绝率，该类算法缺点在于很难选择恰当的预留门限适应业务量的实时变化，效率较低，但实现简单。自适应的接纳控制是为了克服资源预留接纳控制的缺点而提出的，如基于本地业务量的预测估计，但大都复杂度或代价较高，并依赖于一定的流量模型，具体实施有一定的困难。而基于测量的接纳控制如基于端点的接纳控制或基于探测流的接纳控制在提高系统的可扩展性方面有一定的优势，但在接纳时延和增加系统接纳开销方面有很大不足。基于参数的接纳控制基于预知或简化的流量模型，如把到达流视为泊松过程并假设它们服从独立同分布，据此获得描述每个流的流量特性的参数，然后根据这些参数估计所需资源的总和，进而作出接纳判决。此外已有的无线通信系统如CDMA蜂窝网络和IEEE 802.11网络在传统语音和VoIP语音的接纳控制虽有了成熟的方法，但IEEE 802.16与CDMA的软容量系统不同，也与IEEE 802.11基于CSMA/CA的接入机制不同，因此可直接借鉴的可能性不大。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够克服静态资源预留的接纳控制效率低和已有自适应接纳控制算法复杂度太高的缺点，并适应VoIP的弹性QoS特点，自适应调节VoIP的接纳强度，同时可以解决IEEE802.16系统中VoIP接纳控制中问题的一种宽带无线城域网中VoIP的接纳控制方法。

它由VoIP新连接到达、VoIP切换连接到达、计算连接所需带宽、接纳控制决策、更新已接纳的VoIP数量和服务质量、触发带宽分配及消息管理所组成；

VoIP业务首先到达CS汇聚子层，经MAC SAP服务访问点到达MAC层，此时，VoIP接纳控制功能开始启动。

其工作步骤如下：

a、检测连接到达请求：VoIP新连接到达或VoIP切换连接到达需要把到达的VoIP业务区分为新连接和切换连接两种类型，提取相应连接请求的QoS参数，并把参数传递给计算连接所需带宽；

b、计算连接所需带宽：根据VoIP新连接到达或VoIP切换连接到达提供的QoS参数，计算连接所需带宽，并把结果传递给接纳控制决策；

c、接纳控制判决：接纳控制决策根据计算连接所需带宽得到的结果，与系统可用带宽进行比较，对是否接纳进行判决，并把判决结果分别传递给更新已接纳的VoIP数量和服务质量和触发带宽分配及消息管理；

d、更新已接纳的VoIP数量和服务质量：根据接纳控制决策的判决结果更新已接纳的VoIP数量和服务质量，并把结果传递给计算连接所需带宽；

e、触发带宽分配及相关消息管理：根据接纳控制决策的判决结果，触发带宽分配及消息管理启动MAC层其他功能。

本发明属于基于参数的接纳控制算法，能够根据网络的拥塞程度和新切换VoIP连接的QoS要求自适应调节接纳强度，实现VoIP业务的接纳控制，不仅能够提高系统的吞吐量，同时保证接入的VoIP服务质量。

附图说明

图1是VoIP接纳控制结构图。

图2是VoIP接纳控制模块。由VoIP新连接到达(1)、VoIP切换连接到达(2)、计算连接所需带宽(3)、接纳控制决策(4)、更新已接纳的VoIP数量和服务质量(5)、触发带宽分配及消息管理(6)所组成。

图3是VoIP接纳控制流程图。

具体实施方式

本发明解决其技术问题所采用的具体方案是：VoIP业务到达MAC层后，VoIP接纳控制功能开始启动。首先，VoIP新连接到达(1)或VoIP切换连接到达(2)检测是否有VoIP需要接入，如果有，则提取要求接入VoIP的QoS参数。在接纳判决前，根据更新已接纳的VoIP数量和服务质量(5)得到已接纳的UGS连接路数N_k ^UGS、rtPS连接路数N_k ^rtPS。

需要说明的是，对于IEEE 802.16e，则所有叙述中N_k ^rtPS应替换为N_k ^e-rtPS，因为在IEEE 802.16-2004中没有e-rtPS业务类型，带静默压缩的VoIP是通过rtPS传输的，而在IEEE 802.16e中是通过e-rtPS业务类型传输带静默压缩的VoIP。

其次，根据N_k ^UGS和N_k ^rtPS计算连接所需带宽。由计算连接所需带宽(3)计算出在BS覆盖范围内第k(1≤k≤K)个SS下处在激活(正在讲话)状态的VoIP路数X_k ^rtPS的数学期望EX_k ^rtPS和方差DX_k ^rtPS

${\mathrm{EX}}_k^{\mathrm{rtPS}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{N}_k^{\mathrm{rtPS}};$ ${\mathrm{DX}}_k^{\mathrm{rtPS}}=\frac{\mathrm{\λ\μ}}{{(\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ})}^2}{N}_k^{\mathrm{rtPS}}$

其中λ为语音处在激活状态的平均时间，μ为语音处在静默状态的平均时间；则EX_k ^rtPS的物理意义为第k(1≤k≤K)个SS内rtPS连接中处于激活状态VoIP路数的数学期望，代表了已接纳VoIP业务的整体负荷强度，而DX_k ^rtPS代表了局部突发强度。根据契比雪夫不等式，第k(1≤k≤K)个SS内rtPS连接数满足，

$P[(X_k^{\mathrm{rtPS}}-{\mathrm{EX}}_k^{\mathrm{rtPS}})\≥\mathrm{\ϵ}]\≤\frac{{\mathrm{DX}}_k^{\mathrm{rtPS}}}{{2\mathrm{\ϵ}}^2}$

为X_k ^rtPS超过EX_k ^rtPS+ε的概率，物理意义为N_k ^rtPS路VoIP业务的总丢包率，根据VoIP业务对丢包率的允许要求是一个范围，即

$l_{\min }\≤\frac{{\mathrm{DX}}_k^{\mathrm{rtPS}}}{{2\mathrm{\ϵ}}^2}\≤l_{\max },$ 得

$\sqrt{\frac{{\mathrm{DX}}_k^{\mathrm{rtPS}}}{{2l}_{\max }}}\≤\mathrm{\ϵ}\≤\sqrt{\frac{{\mathrm{DX}}_k^{\mathrm{rtPS}}}{{2l}_{\min }}}$

根据最大、最小允许丢包率，得到第k个SS下N_k ^rtPS路VoIP最大、最小带宽为

$B_{\max }^k=({\mathrm{EX}}_k+\sqrt{\frac{{\mathrm{DX}}_k^{\mathrm{rtPS}}}{{2l}_{\min }}})\·a;$ $B_{\min }^k=({\mathrm{EX}}_k+\sqrt{\frac{{\mathrm{DX}}_k^{\mathrm{rtPS}}}{{2l}_{\max }}})\·a,$ 其中a为语音编码速率。

因此，在BS与第k个SS之间通过rtPS方式传输的一路VoIP、需要的最大、最小带宽b_max ^k、b_min ^k为

$b_{\max }^k=\frac{B_{\max }^k}{N_k^{\mathrm{rtPS}}}$ ； $b_{\min }^k=\frac{B_{\min }^k}{N_k^{\mathrm{rtPS}}}$

在接纳过程中，新(切换)VoIP连接的最大、最小带宽可按下式选择

$b_{\max }^{\mathrm{new}\left(h\right)}=\mathrm{Min}(b_{\max }^{\mathrm{new}\left(h\right)},b_{\max }^k)$ ； $b_{\min }^{\mathrm{new}\left(h\right)}=\mathrm{Min}(b_{\min }^{\mathrm{new}\left(h\right)},b_{\min }^k)$

新(切换)VoIP连接的最大、最小带宽对应的时隙为

$t_{\max }^{\mathrm{new}\left(h\right)}=\mathrm{Min}(\frac{b_{\max }^{\mathrm{new}\left(h\right)}}{R_k}{T}_f,\frac{b_{\max }^k}{R_k}{T}_f);$ $b_{\min }^{\mathrm{new}\left(h\right)}=\mathrm{Min}(\frac{b_{\min }^{\mathrm{new}\left(h\right)}}{R_k}{T}_f,\frac{b_{\min }^k}{R_k}{T}_f);$ R_k为第k个SS的物理层的速率，T_f为IEEE 802.16的帧长。

根据已接纳UGS路数N_k ^UGS和rtPS路数N_k ^rtPS，由计算连接所需带宽(3)得到

$B_{\max }^{\mathrm{All}}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{N}_k^{\mathrm{rtPS}}{b}_{\max }^k+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{N}_k^{\mathrm{UGS}}{b}_k^{\mathrm{UGS}}$ ； $B_{\min }^{\mathrm{All}}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{N}_k^{\mathrm{rtPS}}{b}_{\min }^k+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{N}_k^{\mathrm{UGS}}{b}_k^{\mathrm{UGS}}$

对应的时隙为

$T_{\max }^{\mathrm{All}}=(\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N_k^{\mathrm{rtPS}}{b}_{\max }^k}{R_k}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N_k^{\mathrm{UGS}}{b}_k^{\mathrm{UGS}}}{R_k})T_f;$ $T_{\min }^{\mathrm{All}}=(\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N_k^{\mathrm{rtPS}}{b}_{\min }^k}{R_k}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N_k^{\mathrm{UGS}}{b}_k^{\mathrm{UGS}}}{R_k})T_f$

然后，得到接纳所需带宽以后，接纳控制决策(4)对VoIP新连接或切换连接进行接纳判决。接纳控制可根据已接纳VoIP的允许丢包率，l_max(min)自适应调节接纳要求，过程如下：

因必要的消息管理和控制时隙，每帧中可用时隙必小于T_f。假设可用的时隙和接纳控制门限时隙分别为T_a、T_th，满足T_th＜T_a＜T_f具体的接纳过程如下

1)当 $(T_{\max }^{\mathrm{All}}+t_{\max }^{\mathrm{new}\left(h\right)})\≤T_{\mathrm{th}}$ 时，对新(切换)VoIP以概率1接纳。

2)当 $T_{\mathrm{th}}<(T_{\max }^{\mathrm{All}}+t_{\max }^{\mathrm{new}\left(h\right)})\&le;T_a$ 时，对新VoIP按概率接纳，对切换连接以概率1接纳，从而降低切换连接的阻塞率。

3)当 $T_a<(T_{\max }^{\mathrm{All}}+t_{\max }^{\mathrm{new}\left(h\right)})$ 时，若 $(T_{\min }^{\mathrm{All}}+t_{\min }^{\mathrm{new}\left(h\right)})\&le;T_a,$ 仍可按照概率接纳新(切换)VoIP，增加时隙利用效率。

4)当 $(T_{\min }^{\mathrm{ALL}}+t_{\min }^{\mathrm{new}\left(h\right)})>T_a$ 时，对新(切换)VoIP以概率1拒绝。

最后，根据接纳控制的判决结果，触发带宽分配和消息管理(6)启动MAC层其他功能，如带宽分配过程和相应的管理消息。

Claims (1)

1、一种宽带无线城域网中VoIP的接纳控制方法，其特征在于：它由VoIP新连接到达(1)、VoIP切换连接到达(2)、计算连接所需带宽(3)、接纳控制决策(4)、更新已接纳的VoIP数量和服务质量(5)、触发带宽分配及消息管理(6)所组成；

VoIP业务首先到达CS汇聚子层，经MAC SAP服务访问点到达MAC层，此时，VoIP接纳控制功能开始启动。

其工作步骤如下：

a、检测连接到达请求：VoIP新连接到达(1)或VoIP切换连接到达(2)需要把到达的VoIP业务区分为新连接和切换连接两种类型，提取相应连接请求的QoS参数，并把参数传递给计算连接所需带宽(3)；

b、计算连接所需带宽：根据VoIP新连接到达(1)或VoIP切换连接到达(2)提供的QoS参数，计算连接所需带宽(3)，并把结果传递给接纳控制决策(4)；

c、接纳控制判决：接纳控制决策(4)根据计算连接所需带宽(3)得到的结果，与系统可用带宽进行比较，对是否接纳进行判决，并把判决结果分别传递给更新已接纳的VoIP数量和服务质量(5)和触发带宽分配及消息管理(6)；

d、更新已接纳的VoIP数量和服务质量：根据接纳控制决策(4)的判决结果更新已接纳的VoIP数量和服务质量(5)，并把结果传递给计算连接所需带宽(3)；

e、触发带宽分配及相关消息管理：根据接纳控制决策(4)的判决结果，触发带宽分配及消息管理(6)启动MAC层其他功能。

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