CN101262703B - 一种缓解网络拥塞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种缓解网络拥塞的方法。首先通过某时段内的话务量和该时段内的呼叫强度来计算用户在该时段内的理论平均等待时间

，其中nρ是网络话务量、n是GSM小区内用于通信的时隙个数、ρ是网络利用率、

表示网络空闲的概率、

表示该时段内用户平均呼叫时间可以用话务量除以呼叫强度求出；其次根据用户最大能够容忍的时间上限求出人工增加的等待时间w₁；最后根据用户在单服务器排队系统中的等待时间调整该时段内单服务器排队系统的平均服务率μ′。本发明具有不需要额外资源投入即可增加网络容量；仅增加系统在响应用户请求时的处理时延，便于系统实现；可以在一定程度上解决网络的拥塞问题等优点。

Description

一种缓解网络拥塞的方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种网络控制方法，具体地说是一种在基本不增加额外网络资源及基本不对基站的额外信息进行配置的情况下，增加网络容量解决网络拥塞的方法。

(二)背景技术

对于目前某些地区覆盖稍差的GSM网络面临的主要问题是：花费高成本和高维护费用搭建起来的通信设备资源利用率却不高，然而减少硬件的投入则会由于小区内用户过多导致网络拥塞。原有的解决方法基本可以分为以下两种：一种方法是通过调整基站的相关参数设置如小区的天线方向，高度和倾角，降低基站发射功率、提升最小接入电平的方法来改善GSM网络拥塞、提高话务量。此方法虽然可行，但是应用此方法将导致覆盖范围缩小，也就必定会降低网络服务质量；另一种方法是对现网硬件资源进行调整。将大网中空闲资源调配到资源不足的区域。该方案虽有也可行之处，但实施起来较复杂。首先工程师必须对小区早晚忙时话务量进行认真对比分析，从中筛选出部分可用小区进行硬件资源调配；其次由于该方案在日常网络资源调整中多次实施，并且现网空闲资源有限，必将导致方案难以实施。针对我国以上的通信状况，本发明的发明人曾在《通信管理与技术》2007年12月第6期刊登了题为《一种改善GSM网络拥塞的实用方法》的文章，提出一种在现有资源基础上通过适当延长服务器处理时间来增加网络虚拟容量，从而缓解网络拥塞状况的设想。文献在排队论原理的基础上提出：如果服务器在处理用户的呼叫过程中能够“慢”一点，这样就等效于增加排队论中的参数μ，起到延长用户排队等待时间的作用。但是没有给出具体的实现过程，而且也没有说明服务器的处理过程到底应该怎样“慢”，显然如果参数调整的不当，必然会导致不能充分利用网络资源或用户呼叫溢出的后果。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种在基本不增加额外网络资源和基本不对基站的额外信息进行配置的情况下，增加网络容量，解决网络拥塞的一种缓解网络拥塞的方法。

本发明的目的是这样实现的：

在用户进入系统之前首先使用户通过一个单服务器排队系统，通过控制单服务器排队系统的平均服务率增加用户在整个系统中的平均等待时间，把用户的平均等待时间控制在用户能够容忍的范围之内；首先通过某时段内的话务量和该时段内的呼叫强度来计算用户在该时段内的理论平均等待时间 $W_q=\frac{{\left(\mathrm{n\ρ}\right)}^n{p}_0}{\mathrm{\μn}\·n!{(1-\mathrm{\ρ})}^2},$ 其中nρ是网络话务量、n是GSM小区内用于通信的时隙个数、ρ是网络利用率、 $p_0={[\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left(\mathrm{n\ρ}\right)}^k}{k!}+\frac{{\left(\mathrm{n\ρ}\right)}^k}{n!}\frac{1}{1-\mathrm{\ρ}}]}^{-1}$ 表示网络空闲的概率、

表示某时段内用户平均呼叫时间可以用话务量除以呼叫次数求出；其次根据用户最大能够容忍的时间上限求出人工增加的等待时间w₁；最后根据用户在单服务器排队系统中的等待时间调整该时段内单服务器排队系统的平均服务率μ′。

本发明的工作原理是：

1)顾客按泊松流到达系统，单位时间内平均呼叫强度为λ，那么顾客相继到达系统时间间隔服从参数为λ的指数分布。

2)顾客的服务时间服从参数为μ的指数分布。

3)将GSM网络抽象为等待制M/M/n排队系统，其中n是系统内服务器个数，系统容量为无限大。

4)当一个窗口服务完空闲时，等待中的顾客按FIFO(first in first out)服务原则接受服务。

5)网络优化的前提是网络产生拥塞，但网络并不溢出的情况，即0.6＜ρ＜1。

6)单服务器排队系统中，单位时间内平均呼叫强度λ与GSM网络的平均呼叫强度相同。

7)顾客在单服务器排队系统中的服务时间服从参数为μ′的指数分布。

8)单服务器排队系统构成M/M/1等待制排队系统。

9)本专利的排队模型是在原有的多服务器排队系统之前串联了一个单服务器排队系统，如图1所示。

以上工作原理，并根据网络产生拥塞时的参数呼叫强度λ和话务量nρ，能够求出平均每次呼叫在网络中的平均等待时间 $W_q=\frac{{\left(\mathrm{n\ρ}\right)}^n{p}_0}{\mathrm{\μn}\·n!{(1-\mathrm{\ρ})}^2},$ 其中 $p_0={[\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left(\mathrm{n\ρ}\right)}^k}{k!}+\frac{{\left(\mathrm{n\ρ}\right)}^k}{n!}\frac{1}{1-\mathrm{\ρ}}]}^{-1}.$ 从而根据用户能够容忍的时间上限W＝w₁+w_q求出需要适当延长的等待时间w₁。根据延长的等待时间w₁，即用户在第一个单服务器排队系统的排队等待时间求出用户在单服务器排队系统中的平均服务率μ′。从而在最大限度上延长用户的平均等待时间，起到最大程度地利用网络资源，增加网络虚拟容量，改善网络拥塞的作用。

本发明的有益效果在于：

1)经济性：不需要额外资源投入即可增加网络容量。

2)可实现性：仅增加系统在应答用户请求时的处理时延，便于系统实现。

3)可推广性：从我国的现有的经济条件和技术水平上看，因人力和物力缺乏而导致的网络拥塞现象普遍存在，应用此方法可以在一定程度上解决网络的拥塞问题。

(四)附图说明

图1是单服务器排队系统与单队列多服务器排队系统串联的排队模型。

图2是排队机制下的用户呼叫处理流程。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实现本发明的方法是：为了缓解GSM网络中产生的拥塞情况，在用户进入系统之前首先使用户通过一个单服务器排队系统，通过控制单服务器排队系统的平均服务率增加用户在整个系统中的平均等待时间，把用户的平均等待时间控制在用户能够容忍的范围之内，进而减少系统的丢包数量，增加网络虚拟容量。首先通过该时段内的话务量和该时段内的呼叫强度来计算用户在该时段内的理论平均等待时间 $W_q=\frac{{\left(\mathrm{n\ρ}\right)}^n{p}_0}{\mathrm{\μn}\·n!{(1-\mathrm{\ρ})}^2};$ 其次根据用户最大能够容忍的时间上限求出人工增加的等待时间w₁；最后根据用户在单服务器排队系统中的等待时间调整该时段内单服务器排队系统的平均服务率μ′。下面是一个具体的使用实例。

某小区的具体实例：上午8:00-9:00时段内成功呼叫的次数为286次，另外有34次呼叫溢出，话务量为4erl。该小区是单频点小区，能够支持8个slot，其中有1个slot用于BCCH广播信道，1个slot用于SDCCH控制信道，剩余的6个slot用于支持用户通信，此时n＝6。

1、此时的网络利用率ρ＝4/6，满足产生网络拥塞但并不产生溢出的网络优化条件。

2、根据话务量4erl和呼叫强度286次/小时可以求出平均每个用户的呼叫时间长度为 $\frac{1}{\mathrm{\μ}}=50.35s.$

3，根据 $W_q=\frac{{\left(\mathrm{n\ρ}\right)}^n{p}_0}{\mathrm{\μn}\·n!{(1-\mathrm{\ρ})}^2},$ 其中 $p_0={[\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left(\mathrm{n\ρ}\right)}^k}{k!}+\frac{{\left(\mathrm{n\ρ}\right)}^k}{n!}\frac{1}{1-\mathrm{\ρ}}]}^{-1}.$ 可以求出此时用户的平均排队等待时间为w_q＝7.17s。

4，假设用户能够最大容忍的等待时间为10s，得到此时需要增加的等待时间w₁＝W-w_q＝2.83s。

5，此时额外增加的等待时间可以通过调整单服务器的平均服务率 ${\mathrm{\μ}}^{\′}=\frac{1}{w_s^{\′}}+\mathrm{\λ}=833$ 次/小时得到。

6，对于GSM网络相当于保持呼叫强度不变，但增加用户的等待时间使用户的平均等待时间为10s，得到此时的等效网络利用率ρ₁＝1.06ρ＝0.7091＜1，仍然满足产生网络拥塞但不产生溢出的条件。通过控制第一个单服务器排队系统的排队时间，为用户增加了2.83s的排队等待时间，使用户的平均等待时间增加到w_q1＝10s。刚好不超过用户能够容忍的最大等待时间，不会产生溢出。

7，根据6中适当增加用户等待时间的情况得出此时的网络利用率ρ₁＝1.06ρ，说明提高了网络利用率。同时也可以等效为在平均服务率不变的前提下增加了系统的呼叫强度即λ₁＝1.06λ。说明此时在不产成溢出的条件下，该小区在该时段内最多能够支持286×1.06＝303.16个用户，比未优化前增加了17.16个用户。而且此时系统的无线系统接通率从原来的89.38％提高到94.74％。

Claims (1)

1.一种缓解网络拥塞的方法，在用户进入网络之前首先使用户通过一个单服务器排队系统，通过控制单服务器排队系统的平均服务率增加用户在网络中的平均等待时间，把用户的平均等待时间控制在用户能够容忍的范围之内；其特征是在网络产生拥塞、但网络并不溢出的情况、即0.6＜ρ＜1时：首先通过某时段内的话务量和该时段内的呼叫强度来计算用户在该时段内的理论平均等待时间

其中nρ是话务量、n是GSM小区内用于通信的时隙个数、ρ是网络利用率、

表示网络空闲的概率、

表示该时段内用户平均呼叫时间且采用话务量除以呼叫次数求出；其次根据用户最大能够容忍的时间上限W＝w₁+w_q求出人工增加的等待时间w₁；最后根据用户在单服务器排队系统中的人工增加的等待时间调整该时段内单服务器排队系统的平均服务率μ′。

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