接入控制机制的未来研究方向.doc

接入控制机制的未来研究方向---
重连接情况下蜂窝移动通信网接入控制的研究
通信与信息系统 高萌 1301021
接入控制(CAC, Connection /call Admission Control)是蜂窝移动通信网无线资源管理中的重要组成部分，其主要作用是对接入系统的各种业务流进行控制，通过合理地利用有限的资源，在保证网络中现有业务流QoS的同时，满足新接入的用户所要求的QoS，或者尽力减小接入业务流对现有业务流QoS的影响，从而有效地避免网络拥塞，保证各类业务的QoS。
对于第三代无线通信系统的接入控制机制的研究仍在进行中，下面介绍一种接入控制机制的未来的研究方向---重连接情况下蜂窝移动通信网接入控制的究。
1. 课题背景
为了提高无线通信系统的容量以适应宽带业务的需求，未来无线通信系统将向微小区/微微小区的架构发展。这样，无线网络的资源稀缺性和用户的移动性问题将显得更为突出，一部分用户的连接请求不可避免的会被阻塞或者被强行中止，这时，用户往往会选择重连接，但是，重连接会给网络的性能带来负面影响，这也是蜂窝移动通信网接入控制中不可忽视的现象。虽然关于重连接情况的分析，国外的学者做了很多贡献，提出了不少资源分配的方法。如Sunghyun Choi和 Kang G.Shin在提出了一种预测和自适应相结合的带宽预留和接入控制方案；Sooyeon Kim[2]等设计了一种基于优先级的自适应无线多媒体服务接入控制算法；宋梅[3]等也对基于 QoS 的宽带无线接入控制进行了研究。但是那些文献都没有在接入控制上将重连接请求与新的连接请求作与区分。基于以上背景，提出了“重连接情况下蜂窝移动通信网接入控制研究”这一研究方向，其旨在研究重连接情况对蜂窝移动通信网的性能及其用户QoS的影响，并试图提出可行的算法，以提高用户的QoS和系统资源的利用率，因此具有重要意义。
2. 研究目标和研究内容
2.1研究目标
该课题主要研究具有一般意义的蜂窝通信网的呼叫接入控制算法，并针对重连接的情况进行了分析，主要研究目标为：
1）对有重连接和无重连接模型下的系统进行比较。
2）提出可行的算法，以提高重连接情况下无线小区的系统性能。
2.2 研究内容
1）通过仿真分析比较有重连接和无重连接模型下的系统性能，并说明重连接对网络性能及用户QoS的影响。
2）提出了基于排队论知识的四优先级和三优先级的重连接优先接入控制算法，并提出了一次重连接阻塞率、二次重连接阻塞率、重连接阻塞率、非重连接阻塞率以及小区总阻塞率等指标来评价算法性能。
3）提出了基于三优先级的重连接优先接入控制算法的门限信道自适应算法，该算法能在小区负载变化的情况下动态调整门限信道的个数，从而在保证用户获得预定QoS的前提下，充分提高系统资源的利用率。
3. 重连接网络模型描述
存在排队现象主要因素为某些资源、设备或空间（场地）的有限性以及人们对它们的需求。如呼叫接入控制就是由于信道资源的有限性和用户对信道的需求而产生的。排队系统可以归结为顾客与服务窗口之间的一种服务关系。如图3.1所示。

重连接网络模型是在排队模型的基础上建立起来的。在考虑重连接情况时，假设受阻塞或者掉线的用户会等待一段时间后会以一定概率重新发起连接，此时可将小区的连接请求来源分为四部分：小区内新连接请求（发起于本小区），新连接的重连接请求（被阻塞的新连接）切换连接请求（通话时从外小区移动过来连接请求），切换重连接请求（掉线的切换请求）。重连接排队网络模型如图3.2所示。
模型参数意义：
λn新连接到达强度
λh 切换连接到达强度
1/μn 新连接在该小区内通信持续时间的平均值
1/μh 切换连接在该小区内通信持续时间的平均值
C 小区信道容量个数
G 小区内保护信道个数（所谓保护信道是指在小区中预留出一部分信道专门供切换连接使用）
Nn 小区内新连接被阻塞的门限信道数（Nn=C-G）
an 新连接被阻塞用户的重连接概率
ah 掉线用户重连接概率
1/λrn 阻塞用户重连接间隔时间平均值
1/λrh 掉线用户重连接间隔时间平均值

4. 四优先级重连接优先接入算法
由于降低重连接的阻塞率，能够减少重连接给小区性能带来的负面影响。因此，据据排队论的知识，可以通过提高某一用户的优先级来实现降低该用户的阻塞率。基于这样的思路，假设小区内的接入控制模块能够识别不同的连接请求类型，提出的四优先级的重连接优先控制（FRPA）算法流程图如图4.1所示。

      这里假设所有用户所需的通信带宽均只需要一个信道。FRPA算法描述为：切换请求与切换重连接请求的优先级最高，只有当小区内的所有信道都被占用时，这些请求才被拒绝；其次是本小区第二次重连接请求，当有C-Srg（称Srg为二次重连接信道差额）个以上的信道（包括C-Srg个）被占用时，第二次重连接被拒绝，否则请求被接收；优先级为第三的为本小区第一次重连接请求，当有C-Frg（称Frg为一次重连接信道差额）个以上信道（包括C-Frg个）被占用时，第一次重连接被拒绝，否则请求被拒绝；小区内的新连接请求的优先级最低，当有C-G个以上的信道（包括C-G个）被占用时，连接请求被拒绝，否则请求被接收。这些参数间的关系为：C>G>Frg>Srg,设任意时刻小区信道被占用数为Ogn。
5. 三优先级重连接优先接入算法
考虑到四优先级法需要多次更改连接请求，为了简化算法，进而提出三优先级重连接优先接入控制(TRPA）算法。其算法流程图如图5.1所示。

TRPA算法流程
算法描述为：优先级最高的是算法规定切换请求与切换重连接，只有当小区中所有的信道全被占用时，这些请求才被拒绝；其次是新连接的重连接请求，当Nr个以上的信道（包括Nr个）被占用时，新连接的重连接请求被拒绝，否则请求被接收；优先级最低的是新连接请求，当有Nn个以上的信道（包括Nn个）被占用时，新连接请求被拒绝，否则请求被接收；设任意时刻小区信道被占用数为Ogn。
6. 基于三优先级重连接优先接入算法的门限信道自适应算法
在三优先级重连接优先接入算法的基础上，采用门限信道自适应算法，在小区负载变化的情况下自动调整门限信道的个数，从而在保证用户获得预定的QoS的前提下，提高系统资源的利用率。该算法的参数如下：
τ:门限信道更新的时间间隔
βu，βd:调节系数，均小于1
d：Nr和Nn的差（d=Nr-Nn）,大于1
H:在过去r时间段内的切换用户请求数
Dh：在过去r时间段内掉线的切换用户数
Ph：切换掉线率门限值
算法描述如下所述：
仿真初试化时，Nr-Nn=d；在每一个τ时间间隔的末尾，执行如下操作：
if（Dh/H>=βu*Ph）
      if（Nn）1）  Nr=Nr-1； Nn=Nn-1；
      else if（Dh/H<=βu*Ph） if（Nn<C-1）  Nr=Nr+1； Nn=Nn+；
本算法规定Nr和Nn之间的差值d是固定，且每隔一段固定时间τ后，根据这段时间内的切换掉线率更新Nn和Nr。Nr的最大值为C-1，即至少为切换用户和切换重连接用户预留出一个信道，Nr的最小值为1+d；Nd的最大值为C-1-d，最小值为1其中.r值的选取要适当，βu和βd反映了更新的上限和下限。
参考文献：
[1] Chio S, Shin K G. Adaptive bandwidth reservation and admission control inQoS-sensitive cellular networks. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 2002, 13(9):882～897
[2] Kwon T, Kim S, Choi Y, et al. Threshold-type call admission control in wireless/mobile multimedia networks using prioritised adaptive framework. Electronics Letters, 2000, 36(9):852～854
[3] 宋梅，侯春萍. 基于 QoS 的宽带无线接入控制的研究. 北京邮电大学学
报，2001,24(4):67～71
[4]，. 无线资源管理与3G网络规划优化. 北京：人民邮电出版社，2008.5. 80-81
[5] 陆传赉. 排队论. 第一版. 北京：北京邮电学院出版社，1994.5. 1~7
[2] 曾凯，赵尔敦，石冰心. 蜂窝移动通信网中重连接下的接入控制研究. 华中
科技大学学报(自然科学版)，2004，32(3): 92~94. (署名单位:华中科技大学)
[3] 曾凯，石冰心，杨洁，邹玲. 基于无线蜂窝网重连接优先策略的自适应算法.
已于 2003 年 9 月被《小型微型计算机系统》录用. (署名单位:华中科技大学)