移动网络中一种呼叫接入控制方案及分析

提出了一种可变预留信道数方案，该方案计算在不同呼叫到达率下能达到最佳服务等级的预留信道数，将实时呼叫到达率反馈到系统中，呼叫接入控制针对不同的呼叫到达率设置不同的预留信道数，在新呼叫阻塞率和切换呼叫掉话率之间寻求平衡，以期达到最佳服务等级。通过对不同呼叫接入控制机制的仿真，验证了新的呼叫接入控制机制的优点。
关 键 词 移动通信; 呼叫接入控制; 服务质量; 服务等级

呼叫接入控制(Call Admission Control, CAC)在无线资源管理中占有重要地位，是无线网络服务质量(Quality of Service, QoS)机制的重要组成部分。呼叫接入控制的一般原理是[1]：1) 系统必须有足够的资源支持呼叫用户的请求；2) 新用户的加入不能影响已存在用户的QoS。呼叫接入控制方案主要分为两大类[2]：预留信道方案和设置等待队列方案，前者为切换呼叫设置专用的信道(静态的或动态的)[3,4]，后者当呼叫发现无空闲信道时，不被立即阻塞而是先进入队列等待[4,5]，一旦有呼叫结束，队列中的呼叫就可以得到服务。等待队列方案由于需要排队，更加适合非实时的数据业务，如第三代移动通信系统中的交互类(Interactive Class)和背景类(Background Class)业务[6]。对于实时性要求较高的会话类(Conversational Class)业务来说，预留信道方案更加适合。此外，还有一些利用其他手段进行接入控制的方法，如文献[7]中提出根据网络当前的负载设置不同的费率在小区内广播，通过费率的变化来控制新用户的接入请求。目前对于呼叫接入控制算法的研究主要集中在无线接入网方面，基于预留信道方案的CAC机制有4种[3]：1) 切换优先机制：为切换呼叫预留一定数量的专用信道；2) 部分预留信道机制：对新呼叫按一定比例(可根据当时网络状况动态调节)拒绝，以减轻系统负担[8]；3) 指定切换专用信道；4) 限制新呼叫总数机制。
本文的研究对象是多个小区内的对新发起的语音呼叫的接入控制。语音呼叫分为两类：新发起的语音呼叫和从相邻小区发出切换请求的语音呼叫。由于用户对通话过程中的掉话比对呼叫阻塞更为敏感，因此要为切换呼叫预留专用的信道。但设置切换专用信道在降低切换掉话率的同时也会增加呼叫阻塞率[1]，因此，如何设置预留信道数，在阻塞率和掉话率之间建立平衡是一个重要的问题。
1 系统结构和调度策略
虽然阻塞率和掉话率是此消彼长的，但由于系统对新呼叫阻塞率和切换掉线率的要求不同，移动网络中的服务等级变量(Grade of Service，GoS) GoS = 10Pd+Pb，其中Pd 为切换掉线率；Pb为阻塞率[1]。
目前的预留信道机制大多采用固定切换专用信道数[7]，但是在本文提出的CAC机制基于指定切换专用信道机制，又结合了部分预留信道机制可以动态调节的优点。系统可以根据当前呼叫到达率来动态调节切换专用信道数，即让切换专用信道数自适应于呼叫到达率λn(t)。系统原理框图如图1所示，系统分为3部分：呼叫计数器；最佳预留信道表和控制模块。其中呼叫计数器对新呼叫进行计数，达到一定的次数后根据计数所需时间算出当前系统的新呼叫到达率λ = Cn/T，再将此λ发往最佳预留信道查询表，该查询表的作用是记录在不同的呼叫到达率的情况下设置不同的预留信道数量K，以期达到最小的GoS值。最后，控制模块根据当前设置的预留信道数Cg和已用信道数Cu来决定是否接纳该呼叫。由于用户的平均切换时间和平均通话时间都是与时间无关的，因此切换呼叫的到达率与新呼叫到达率之间的关系也是恒定的。即整个CAC系统中唯一的变量就是当前呼叫到达率λn(t)。但前提条件是用户呼叫持续的时间和用户在同一个小区内停留的时间的分布服从相同的分布函数(分布函数的参数可以不同)，即近似服从指数分布[3, 7, 9]。在呼叫计数器中使用按次数计数主要是可以使系统对呼叫到达率的变化反应更为敏感。如果采用定时上报，当系统的呼叫到达率出现增加时，有可能因为还未到系统的上报时间而在一段时间内使切换掉话率增加。而如果采用按次计时，可以利用呼叫到达率来动态调节呼叫上报时间间隔。在按次计时情况下，呼叫上报的时间间隔会随呼叫到达率的增加而缩短。
最佳预留信道表既可以是根据预先仿真计算的结果而先写入的固定数据，也可以是一种算法，在运行时再根据呼叫到达率计算得到最佳预留信道数，衡量最佳预留信道数的标准是系统服务等级GoS，通过事先的仿真计算，算出在不同呼叫到达率的情况下使GoS值最小的预留信道数。在呼叫过程中，根据呼叫到达率的变化来动态调节小区的预留信道数，使系统在不同的呼叫到达率下均可以达到最佳GoS。GoS在理论上的取值为：
GoS(λn(t))=min(GoS(λn(t),K)) K=1,2,3,…
在实际应用中，考虑系统对呼叫到达率的反应时间，呼叫到达不均匀等原因会使实际GoS略大于理论值。
由于系统在拒绝呼叫时，要求被拒绝的呼叫应均匀分布在普通用户之间，因此在不同呼叫到达率情况下选择预留信道数时不允许预留信道数一次增加超过2个。因为当跳跃式增加时可能会引起被拒绝的呼叫在时间上分布不均匀。如总信道数为C，t时刻预留信道数为N，t+1时刻预留信道数为N+3，在t时刻占用信道数大于C−N，在t+1时刻新呼叫被接纳的条件是占用信道数小于C−N−3，即需要有至少3个呼叫结束才能接纳新呼叫，可能造成在一个时间段内拒绝很多新呼叫。因此，在选择预留信道数时不允许预留信道数一次增加超过2个。在实际应用中，可以根据具体情况设置可否跳跃式增加或者最多允许一次增加几个预留信道。而对于预留信道的减少则没有限制。
假设每个呼叫都占用且仅占用一条信道，控制模块决定接纳该呼叫的依据是：对于一个新发起的呼叫，被接纳须满足的条件是：Cu2 系统模型
2.1 小区结构模型
本文模拟多个小区内的呼叫情况，为了便于仿真，目前采用的小区模型为两个小区A和B，A小区用户发起的切换切到B，B小区用户发起的切换切到A。两个小区新呼叫发起的频率是相同的。每个小区有两个呼叫流，一个是新呼叫流，另一个是从相邻小区切换的流，如图2所示。
2.2 呼叫模型
分析CAC方案效率的呼叫模型以及各种分布的参数为[7]：1) 每个小区的信道总数C = 40；2)每个呼叫占用且只占用1个信道；3) 每个呼叫(新呼叫和切换呼叫)的通话时长服从以240 s为均值的指数分布，每个呼叫在一个小区内停留的时间长度服从以120 s为均值的指数分布；4) 新呼叫发起次数λn (t)为一个泊松过程，具体取值在参考文献[7]中有描述；5) 由于在呼叫到达率λn(t)<0.10时，几乎不会发生拥塞，因此这里只对文献[7]中λn(t)>0.10的情况连续仿真两遍。 切 换新呼叫新呼叫
图2 小区模型结构图
3 仿真结果
用来衡量CAC方案的标准是GoS值。首先利用前面提出的呼叫模型通过仿真得到在不同呼叫到达率，不同固定预留信道数下的GoS值，如表1所示。再在每一种呼叫到达率下选择一种使GoS最小的预留信道数，选择的原则为：1) 相邻的λn(t)之间预留信道数增加的时候最多一次增加2个预留信道；2) 在满足条件1) 的前提下能做到在相同呼叫到达率下GoS值最小；3) 为了模拟预留信道数递增的情况，取值时从呼叫到达率较低时开始逐渐增加呼叫到达率；4) 在呼叫到达率λn(t)<0.10时，几乎不会发生拥塞，取预留信道数为1；
5) 总的呼叫拒绝率要小于0.01，但是由于文献[7]中采用了排队的方式，对呼叫可以不立即拒绝，与本文所采取的机制不同，所以该要求可以不被满足。