CN101511105A - 基于三门限带宽预留和排队机制的接入控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三门限带宽预留和排队机制的接入控制方法涉及一种适用于一般蜂窝移动通信系统的接入控制方法。该方法不仅考虑切换业务与新请求业务之间的优先级，还考虑不同服务质量要求的业务之间的优先级，设定三个门限进行接入控制；同时，考虑到数据业务对接入延时的敏感性较低以及数据流可以接受一定的延迟抖动，该方法又引入双队列机制，一个队列用来缓存切换数据业务的接入请求，另一个队列用来缓存新数据业务的接入请求。蜂窝通信系统采用本发明所提的接入控制方法可获得比传统的双门限带宽预留方法更优的系统综合性能，并且本发明所提接入控制方法在不同性能指标之间具有较好的折中。

Description

基于三门限带宽预留和排队机制的接入控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于一般蜂窝移动通信系统的接入控制方法，属于移动通信中的无线资源管理领域。

技术背景

接入控制是无线资源管理研究的重要内容之一，近年来，无线蜂窝网中的接入控制得到国内外学者的极大关注。由于在通话过程中掉话比新呼叫接入时被拒绝更让用户难以接受，文献“Hong D，Rappaport S S.Traffic model and performance analysis for cellularmobile radio telephone systems with prioritized and nonprioritized handoff procedures[J].IEEE TransVehicular Technology，1986，35(3)：77～92.”提出了资源预留方法，该方法为切换用户专门预留一定的资源，从而降低了系统的掉话率。随着通信技术的迅猛发展，接入控制的业务类型已由传统的语音业务逐渐过渡到多种业务的综合，由于各种业务的QoS要求不同，接入控制的优先级也不尽相同，多门限带宽预留策略可以有效地解决这一问题。文献“Huang Y R，Lin Y B，Ho J M.Performance analysisfor voice/data integrationon a finite-buffer mobile system[J]，IEEE Trans Vehicular Technology，2000，49(2)：367～378.”提出了一种动态划分资源(Dynamic Partition，DP)的策略，在DP策略中，除了为语音业务和数据业务划分其专有资源外，还划分了一块资源为语音业务和数据业务共享。文献“Yin L，Li B，Zhang Z，et al.Performance analysis of a dual threshold reservation(DTR)scheme for voice/data integrated mobile wireless networks[C]//Proceedings of theIEEE Wireless Communications and Networking Conference.New Orleans，USA，2000：258～262.”“Li B，Li L，Li B，et al.Call admission control for voice/data integrated cellularnetworks：performance analysis and comparative study[J].IEEE JSAC，2004，22(4)：706～718.”用两条门限来区分切换语音业务，新语音业务和数据业务的优先级，称之为双门限带宽预留(Dual Threshold Bandwidth Reservation，DTBR)策略。文献“Wu H，Li L，Li B，et al.On handoff performancefor an integrated voice/data cellular system[C]//The13thIEEEIntemational Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications.Lisbon，Portugal，2002，5：2180～2184.”“Ferng H W，Lin H J.A channel allocation scheme withdynamic priority for wireless mobile networks[C]//IEEE 60th VTC.LA，USA，2004，2：1143～1147.”“刘亚伟，荆涛，卢燕飞.基于缓存的语音/数据呼叫无线接入控制算法[J].电子与信息学报，2006，28(9)：1654～1658.”提出了多门限资源预留方法的改进方法，用先进先出的排队机制来提高对接入延时不敏感的数据业务的接入概率。在实际系统中，切换数据业务和新数据业务的接入优先级是有差别的，并且数据业务对接入延时的敏感性较低，数据流可以接受一定的延迟抖动，但上述文献的接入控制方法都没有考虑这些问题。

发明内容

技术问题：针对蜂窝通信系统中的接入控制问题，本发明提出一种接入控制方法，蜂窝通信系统采用本发明所提的接入控制方法可获得比传统的双门限带宽预留方法更优的系统综合性能。

技术方法：本发明提出一种基于三门限带宽预留和排队机制的接入控制方法，该接入控制方法的接入机制为：

①当一个切换语音业务到达时，若(i+1)+jB≤C，则将该切换语音业务接入通信系统，否则阻塞之；

②当一个新语音业务到达时，若(i+1)+jB≤K₁，则将该新语音业务接入通信系统，否则阻塞之；

③当一个切换数据业务到达时，若i+(j+1)B≤K₂，则将该切换数据业务接入通信系统；否则将该切换数据业务的请求放入切换数据业务缓冲队列进行排队，并且定时器

开始计时，当通信系统的负载情况满足i+(j+1)B≤K₂且 $T_k^h\≤T_{\max }^h,$ 则将切换数据业务缓冲队列队首的切换数据业务接入；若定时器超时，即 $T_k^h>T_{\max }^h,$ 则拒绝该切换数据业务，并将其对应的接入请求移出切换数据业务缓冲队列；

④当一个新数据业务到达时，若i+(j+1)B≤K₃，则将该新数据业务接入通信系统；否则将该新数据业务的请求放入新数据业务缓冲队列进行排队，并且定时器

开始计时，当通信系统的负载情况满足i+(j+1)R≤K₃且 $T_k^n\≤T_{\max }^n,$ 则将新数据业务缓冲队列队首的新数据业务接入；若定时器超时，即 $T_k^n>T_{\max }^n,$ 则

拒绝该新数据业务，并将其对应的接入请求移出新数据业务缓冲队列；其中，C表示系统可用信道单元的总数；i表示系统正在被服务的语音业务数目，0≤i≤C，每个语音业务只能占用一个信道单元；j表示系统正在被服务的数据业务数目，

每个数据业务占用B个信道单元，

表示不大于C/B的最大整数；K₁、K₂和K₃分别表示新语音业务、切换数据业务和新数据业务的可用信道单元个数，C>K₁>K₂>K₃；

和分别表示切换数据业务所能忍受的最大抖动延时和新数据业务所能忍受的最大接入延时。

有益效果：与现有技术方法相比，本发明提出的基于三门限带宽预留和排队机制的接入控制方法不仅考虑切换业务与新请求业务之间的优先级，还考虑不同服务质量要求的业务之间的优先级，设定三个门限进行接入控制；同时，考虑到数据业务对接入延时的敏感性较低以及数据流可以接受一定的延迟抖动，该方法又引入双队列机制，一个队列用来缓存切换数据业务的接入请求，另一个队列用来缓存新数据业务的接入请求。蜂窝通信系统采用本发明所提的接入控制方法可获得比传统的双门限带宽预留方法更优的系统综合性能，并且本发明所提接入控制方法在不同性能指标之间具有较好的折中。

附图说明

图1为本发明所提接入控制方法的原理图。

图2为三种方法在不同语音业务呼叫强度下性能比较。

具体实施方式

本发明提出一种基于三门限带宽预留和排队机制的接入控制方法，该接入控制方法的接入机制为：

⑤当一个切换语音业务到达时，若(i+1)+jB≤C，则将该切换语音业务接入通信系统，否则阻塞之；

⑥当一个新语音业务到达时，若(i+1)+jB≤K₁，则将该新语音业务接入通信系统，否则阻塞之；

⑦当一个切换数据业务到达时，若i+(j+1)B≤K₂，则将该切换数据业务接入通信系统；否则将该切换数据业务的请求放入切换数据业务缓冲队列进行排队，并且定时器

开始计时，当通信系统的负载情况满足i+(j+1)B≤K₂且 $T_k^h\≤T_{\max }^h,$ 则将切换数据业务缓冲队列队首的切换数据业务接入；若定时器超时，即 $T_k^h>T_{\max }^h,$ 则拒绝该切换数据业务，并将其对应的接入请求移出切换数据业务缓冲队列；

⑧当一个新数据业务到达时，若i+(j+1)B≤K₃，则将该新数据业务接入通信系统；否则将该新数据业务的请求放入新数据业务缓冲队列进行排队，并且定时器

开始计时，当通信系统的负载情况满足i+(j+1)B≤K₃且 $T_k^n\≤T_{\max }^n,$ 则将新数据业务缓冲队列队首的新数据业务接入；若定时器超时，即 $T_k^n>T_{\max }^n,$ 则拒绝该新数据业务，并将其对应的接入请求移出新数据业务缓冲队列；

其中，C表示系统可用信道单元的总数；i表示系统正在被服务的语音业务数目，0≤i≤C，每个语音业务只能占用一个信道单元；j表示系统正在被服务的数据业务数目，

每个数据业务占用B个信道单元，

表示不大于C/B的最大整数；K₁、K₂和K₃分别表示新语音业务、切换数据业务和新数据业务的可用信道单元个数，C>K₁>K₂>K₃；

和

分别表示切换数据业务所能忍受的最大抖动延时和新数据业务所能忍受的最大接入延时。

下面结合附图给出本发明所提接入控制方法的详细说明。研究单小区蜂窝移动通信系统上行链路中的多业务接入控制问题。本发明将系统资源抽象成信道单元，设系统共有C个可用信道单元；系统支持两种类型的业务，分别为语音业务和数据业务；每个语音业务只能占用一个信道，每个数据业务占用并且仅能占用B个信道，B≥1；不同的业务不能同时使用同一信道。每种业务的发生又分为新呼叫业务和切换呼叫业务；设每种业务的到达过程均为Poisson过程，服务时间服从指数分布。设切换语音业务的到达率为λ_vh，新语音业务的到达率为λ_vn，语音业务的总到达率为λ_v＝λ_vh+λ_vn，定义 ${\mathrm{\ϵ}}_1\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{vh}}/{\mathrm{\λ}}_v$ 为语音用户的移动系数，表示切换语音用户数占总语音用户数的比例；切换数据业务的到达率为λ_dh，新数据业务的到达率为λ_dn，数据业务的总到达率为λ_d＝λ_dh+λ_dn，定义 ${\mathrm{\ϵ}}_2\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{dh}}/{\mathrm{\λ}}_d$ 为数据用户的移动系数，表示切换数据用户数占总数据用户数的比例。设语音业务和数据业务的服务率分别为μ_v和μ_d。

假设系统的C个信道构成一个集合S，设S₁、S₂、S₃、S₄为集合S的4个子集，分别是切换语音业务、新语音业务、切换数据业务和新数据业务的可用信道单元集合，并且满足 ${\∪}_{i=1}^4{s}_i=s,$ 集合S₁、S₂、S₃、S₄两两之间的交集可能不空。假设系统正在被服务的语音业务数目为i，0≤i≤C；正在被服务的数据业务数目为j，

其中

表示不大于C/B的最大整数，显然i+Bj≤C。定义系统状态集合Φ由元素(i，j)构成，即

设系统达到稳态时状态(i，j)的概率为P_i，j，记系统此时使用的信道集合为S_(i，j)，切换语音业务的阻塞概率定义为

新语音业务的阻塞概率定义为

切换数据业务的阻塞概率定义为

新数据业务的阻塞概率定义为

记信道利用率为η，则

定义系统的综合效用函数为

$G_{\mathrm{award}}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}-\left\{{\mathrm{\α}}_1[{\mathrm{\β}}_1\mathrm{lo}{g}_{10}\left(P_{\mathrm{vhb}}\right)+{\mathrm{\β}}_2{\log }_{10}\left(P_{\mathrm{vnb}}\right)]{+\mathrm{\α}}_{\text{2}}[{\mathrm{\β}}_1\mathrm{lo}{g}_{10}\left(P_{\mathrm{dhb}}\right)+{\mathrm{\β}}_2{\log }_{10}\left(P_{\mathrm{dnb}}\right)]\right\}+\mathrm{\η}$

                                    (7)

其中α₁和α₂分别表示语音用户和数据用户阻塞概率的权重，β₁和β₂分别表示切换用户和新用户阻塞概率的权重，α₁+α₂＝1，β₁+β₂＝1，且α₁>α₂，β₁>β₂。接入控制问题的优化模型为

$\underset{S_1,S_2,S_3,S_4}{\max }{G}_{\mathrm{award}}---\left(8\right)$

上述优化问题很难求出最优解，以往的文献都是给出这个问题的次最优方法。下文给出一种新的次最优方法，该方法比以往的方法更逼近最优解。

在式(8)所示的优化问题中加上限定条件

$S_1={S,S}_1\⊃S_2\⊃S_3\⊃S_4---\left(9\right)$

S₁、S₂、S₃、S₄这四个集合的依次包含关系表示相应的四种业务的优先级依次降低，如图1所示，S₁中信道个数为C，假设S₂、S₃、S₄中元素的个数分别为K₁、K₂和K₃，C>K₁>K₂>K₃。考虑到数据业务对接入延时的敏感性较低以及数据流可以接受一定的延迟抖动，增加两个无限长队列，一个用来缓存切换数据业务的接入请求，另一个用来缓存新数据业务的接入请求。切换数据业务队列中缓存的接入请求都有一个定时器

新数据业务队列中缓存的接入请求也都有一个定时器

并设切换数据业务所能忍受的最大抖动延时为新数据业务所能忍受的最大接入延时为

基于三门限带宽预留和排队机制的接入控制方法的接入机制为：

①当一个切换语音业务到达时，若(i+1)+jB≤G，则接入该切换语音业务，否则阻塞之；

②当一个新语音业务到达时，若(i+1)+jB≤K，则接入该新语音业务，否则阻塞之；

③当一个切换数据业务到达时，若i+(j+1)B≤K₂，则接入该切换数据业务；否则将该切换数据业务的请求放入切换数据业务缓冲队列进行排队，并且定时器开始计时。当系统的负载情况满足i+(j+1)B≤K₂且 $T_k^h\≤T_{\max }^h,$ 则将队首的切换数据业务接入；若定时器超时，即 $T_k^h{>T}_{\max }^h,$ 则拒绝该切换数据业务，并将其对应的接入请求移出缓冲队列；

④当一个新数据业务到达时，若i+(j+1)B≤K₃，则接入该新数据业务；否则将该新数据业务的请求放入新数据业务缓冲队列进行排队，并且定时器

开始计时。当系统的负载情况满足i+(j+1)B≤K₃且 $T_k^n\≤T_{\max }^n,$ 则将队首的新数据业务接入；若定时器超时，即 $T_k^n{>T}_{\max }^n,$ 则拒绝该新数据业务，并将其对应的

接入请求移出缓冲队列。

下面通过数值仿真验证本发明所提接入控制方法(TTBR-DQ)的性能优势，DTBR是传统的两门限带宽预留接入控制方法，TTBR是本发明所提接入控制方法中省去两个队列的三门限带宽预留接入控制方法。设单蜂窝小区内可用信道数C＝30；S₂，S₃，S₄中元素的个数分别为K₁＝28，K₂＝23，K₃＝21^[4]；数据业务占用的信道数B＝2；语音和数据用户的移动系数为ε₁＝ε₂＝0.2。语音业务的服务率为μ_v＝0.0083s^-1，数据业务的服务率为μ_d＝0.001s^-1。切换数据业务所能忍受的最大抖动延时为 $T_{\max }^h=10s,$ 新数据业务所能忍受的最大接入延时为 $T_{\max }^n=20s.$ 语音用户和数据用户的权重分别为α₁＝0.9，α₂＝0.1，切换用户和新用户的权重分别为β₁＝0.9，β₂＝0.1。图2所示为数据业务的呼叫强度ρ_d＝7及语音业务的呼叫强度ρ_v＝6，8，10，12，14，16时DTBR、TTBR和三种方法的性能比较，。由(a)(b)可见，TTBR、TTBR-DQ方法的切换语音业务的阻塞概率P_vhb和新语音业务的阻塞概率P_vnb都低于DTBR方法，这是因为TTBR、TTBR-DQ方法中第三个门限的引入间接地降低了数据业务所能使用的信道资源，从而预留了更多的资源给语音用户，增加了语音用户的接入概率，这也是(e)中TTBR，TTBR-DQ方法的信道利用率η略低于DTBR方法的原因；同时，TTBR-DQ方法下的P_vhb和P_vnb略高于TTBR方法，其原因是TTBR-DQ方法排队机制的缓冲作用提高了数据业务的信道利用率，从而使语音用户的阻塞概率略有增加。由于TTBR、TTBR-DQ方法专门为切换数据业务预留了资源，故(c)中它们的切换数据业务的阻塞概率P_dhb都较之DTBR方法有明显的降低；而TTBR-DQ方法由于采用了排队机制，故其P_dhb最低。由于TTBR、TTBR-DQ方法中新数据业务所能使用的资源相对有所减少，(d)中它们的新数据业务的阻塞概率P_dnb都高于DTBR方法。TTBR、TTBR-DQ方法牺牲了权重较低的P_dnb、η来改善权重较高的P_vhb、P_vnb和P_dnb，故(f)中TTBR、TTBR-DQ方法的综合效用函数G_award均高于DTBR方法；虽然TTBR-DQ方法的G_award略低于TTBR方法，但是TTBR-DQ方法中P_dnb和η的损失都较小，所以TTBR-DQ方法在各种性能指标之间取得了一定的折中，是一种公平性较好的方法。

Claims (1)

1.一种基于三门限带宽预留和排队机制的接入控制方法，其特征在于

①当一个切换语音业务到达时，若(i+1)+jB≤C，则将该切换语音业务接入通信系统，否则阻塞之；

②当一个新语音业务到达时，若(i+1)+jB≤K₁，则将该新语音业务接入通信系统，否则阻塞之；

③当一个切换数据业务到达时，若i+(j+1)B≤K₂，则将该切换数据业务接入通信系统；否则将该切换数据业务的请求放入切换数据业务缓冲队列进行排队，并且定时器

开始计时，当通信系统的负载情况满足i+(j+1)B≤K₂且 $T_k^h\≤T_{\max }^h,$ 则将切换数据业务缓冲队列队首的切换数据业务接入；若定时器超时，即 $T_k^h>T_{\max }^h,$ 则拒绝该切换数据业务，并将其对应的接入请求移出切换数据业务缓冲队列；

④当一个新数据业务到达时，若i+(j+1)B≤K₃，则将该新数据业务接入通信系统；否则将该新数据业务的请求放入新数据业务缓冲队列进行排队，并且定时器

开始计时，当通信系统的负载情况满足i+(j+1)B≤K₃且 $T_k^n\≤T_{\max }^n,$ 则将新数据业务缓冲队列队首的新数据业务接入；若定时器超时，即 $T_k^n>T_{\max }^n,$ 则拒绝该新数据业务，并将其对应的接入请求移出新数据业务缓冲队列；

其中，C表示系统可用信道单元的总数；i表示系统正在被服务的语音业务数目，0≤i≤C，每个语音业务只能占用一个信道单元；j表示系统正在被服务的数据业务数目，0≤j≤

，每个数据业务占用B个信道单元，

表示不大于C/B的最大整数；K₁、K₂和K₃分别表示新语音业务、切换数据业务和新数据业务的可用信道单元个数，C>K₁>K₂>K₃；

和

分别表示切换数据业务所能忍受的最大抖动延时和新数据业务所能忍受的最大接入延时。

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