专利名称：用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法
技术领域：
本发明涉及无线宽带技术领域，具体讲是一种用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法。
背景技术：
WiMAX全称World Interoperability for Microwave Access,艮卩全球微波互联接入， 它是一项无线城域网技术，并针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。所述 WiMAX与其他技术相比，具有无障碍远距离(数公里)大容量(10M)无线传输数据功能、野外 作业大容量数据采集及远距离无线宽带传输、地震、森林防火及江湖水灾及其突发事件的 应急系统部署的实时音视频采集及无线宽带远程传输设备、家庭与企业的最后一公里无线 宽带接入等应用，具有巨大的市场需求。WiMAX作为一种面向无线城域网(WMAN)的宽带接 入方案，以优异的性能和广阔的市场前景而倍受关注，成为被广泛推广和应用的商业化标 准，并在最近被正式批准成为3G标准之一。
WiMAX无线宽带网络中，呼叫接纳控制CAC (Call Admission Control)是保证服 务质量QoS (Quality of Service)的关键，对减少网络拥塞、提高网络资源利用率 起着重要的作用。
目前已有很多呼叫接纳控制方法被提出，其中较典型的控制方法为守卫信道策略 在该策略中，接纳控制用新发起呼叫OC (originating call)的阻塞概率/^和需要切
换的呼叫HC (handoff call)中断概率PD表示。考虑一个有外信道的蜂窝小区，7力re为阈 值，当0C数超过阈值Mre时，该策略将拒绝接纳0C,直到0C数低于阈值r力re，且有可用带 宽时，才恢复对0C的接纳。假设呼叫到达率为泊松分布，服务时间服从指数分布，该策略 可用M/M/C的马尔可夫链来表示，其状态转换图如图2所示。图2中入和A分别为0C和HC
到达率，A-人+A为呼叫的总到达率，对呼叫的平均服务时间为1/; 。则0C阻塞概率A和 HC中断概率/^可表示为
2
S7T
AH
式中，yo = (;i +/i/l)//^ = /i///， ^=;1*///。
守卫信道策略将0C和HC分开考虑，能在一定程度上为HC提供QoS保证，但它是以增大OC
阻塞概率A和降低整个系统吞吐量为代价的，同时，在多种服务类型的移动蜂窝网中，由
于存在多个QoS限制，难以保证系统收益最大化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点，提供一种运算简单、运算量 小、具体实施容易、能够使系统收益最大的用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法。
本发明的技术方案是，提供一种用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法，将WiMAX网络 当前已接纳的业务流的占用带宽记为J>,， WiMAX网络的占用带宽量门限记为&， WiMAX 网络当前的最大可用带宽记为6_7，对于新到达的第/个业务流，申请的最小和最大带宽
分别记为^Amin》w",m幼；
当^A皿+;sAs6^时，系统资源有剩余，系统直接接受第/个业务流的请求；
当6，^~+1—+5>时，系统资源严重不足，系统直接拒绝第/个业务流的请求；
当~<~+1,_+1>,.<6。^时，系统资源紧张，系统假设接收第i个业务流，则系 统得到一个收益与支出之比并记为p。。",，系统假设拒绝第/个业务流，则系统得到另 一个收益与支出之比并记为^^,，该A一,即为系统接收第个业务流时所得到的收 益与支出之比，然后系统判断，如果^V，^A一,，那么系统接收第/个业务流，否则
拒绝第i个业务流；
所述^，,和A一由以下表达式确定，
^s"〃》'，
其中，Z"i表示综合系统收益，",表示第i个业务流的加权收益，2>,表示系统 消耗总带宽，6,.表示第i个业务流所消耗的带宽；
所述综合系统收益2>,由以下表达式确定，
'■=1
其中，U;表示第J'个业务流的收益，W,表示第i个业务流的权重；
所述第/个业务流的收益U,是根据用户满意度指数模型，利用sigmoid和log函数将
收益拟合并回归出的以下表达式确定，
""柳=^——^~1 v、 l 、 "』(0) =-^~~^-
= g禮x 6(0 + 0
其中，g ^、 grtP^Dg rtra分别表示业务UGS、 rtPS和nrtPS对延时或吞吐量的敏感度； ^m、 ^W和lra分别表示业务UGS、 rtPS和nrtPS对性能的满意度；6(/)表示业务连接时 所分配的带宽；t/^0(f))、 ^^(&0'))和f/^,(W))分别表示各业务的收益。采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比，具有以下优点采用Matlab软件平台
对上述技术方案进行仿真测试后，与现有技术相比，不仅运算简单、运算量小、具体实施 容易，而且，在系统资源紧张时，提高了系统接纳率和吞吐量，使系统的收益最大。 说明书附图
图1为本发明用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法的示意图。 图2为现有技术的守卫信道策略的呼叫接纳控制方法的示意图。
图3为本发明用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法与守卫信道策略的仿真测试结果比 较图一。
图4为本发明用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法与守卫信道策略的仿真测试结果比 较图二。
图5为本发明用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法与守卫信道策略的仿真测试结果比 较图三。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
一种用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法，将WiMAX网络当前己接纳的业务流的占用 带宽记为^>,.， WiMAX网络的占用带宽量门限记为&， WiMAX网络当前的最大可用带宽记 为6一,，对于新到达的第i个业务流，申请的最小和最大带宽分别记为~+1，^，~+1,_;
当^+^ax+Z^^^时，系统资源有剩余，系统直接接受第y个业务流的请求；
当^。,,2~+11^+2>,时，系统资源严重不足，系统直接拒绝第/个业务流的请求； 当&〈6;v+^ax+I]6'《6。^,时，系统资源紧张，系统假设接收第/个业务流，则系 统得到一个收益与支出之比并记为^^申，系统假设拒绝第/个业务流，则系统得到另
一个收益与支出之比并记为^^,，该^，,即为系统接收第J'-7个业务流时所得到的收 益与支出之比，然后系统判断，如果％￡，^^,(，那么系统接收第/个业务流，否则 拒绝第i个业务流；
所述％，,和A一由以下表达式确定， '
其中，S"i表示综合系统收益，",表示第i个业务流的加权收益，2>,表示系统
消耗总带宽，6,.表示第i个业务流所消耗的带宽； 所述综合系统收益1>,由以下表达式确定，
w-tt/厂^ ，
'■=i
其中，U,表示第i个业务流的收益，W,表示第i个业务流的权重；所述第i个业务流的收益U,是根据用户满意度指数模型，利用sigmoid和log函数将 收益拟合并回归出的以下表达式确定，
其中，gU( s、 g^和g"^分别表示业务UGS、 rtPS和nrtPS对延时或吞吐量的敏感度； &CS、 /Ws和/U^分别表示业务UGS、 rtPS和nrtPS对性能的满意度；6①表示业务连接时 所分配的带宽；f/ws(6(/))、 t/"^(6(/))和f/"，^(60'))分别表示各业务的收益。
所述WiMAX网络的占用带宽量门限&和Wi區X网络当前的最大可用带宽 。,7为系统根 据带宽分配策略和当前系统状况得到。
所述系统消耗带宽J]6,.为利用带宽分配理论计算得到，由以下表达式确定，
"》〃 i二j^i^丄，
/,max 、max 丄 "max
其中6,为第i个业务流所占用带宽，6,在业务流建立时由带宽调度机制根据业务流 的类型分配。
所述WiMAX的网络定义了 4种业务类型UGS、 rtPS、 nrtPS和BE。在建立连接 时由发起端定义该连接的业务类型并确定最大满意带宽&M和最小忍受带宽6^，实 际得到的带宽介于两者之间。根据附图1，假设网络中已接纳N个业务，占用带宽为Z^， ^为占用带宽量门限，6_,为最大可用带宽。对于新到达的第i个业务流记为人+,，申 请带宽为~+1，^，~+1，_ ，系统根据带宽分配策略和当前系统状况计算出占用带宽量门限值 ^和最大可用带宽6。v。,。
(1) 当^+Unax+ZA《6,A时，系统资源有剩余，直接接受请求。
(2) 当6。^^^+^m+Z6,时，系统资源严重不足，直接拒绝请求。
(3) 当^<~+—+5><6_,时，系统资源紧张
当系统资源紧张时，引入经济学概念"收益/支出比"p作为是否接纳新业务 的判决依据，^=2>,/2>,，其中2>,为系统收益，",表示第i个业务的加权收益， Z4为系统消耗总带宽，6,表示第i个业务所消耗的带宽。对于新到达的业务流人+1 ，
l + exp(—g顺x6(/) + D
x柳+ l)先计算P。，,和A^,，如果％^2^—,，则系统接收新业务，否则拒绝。
引入使用广泛的用户满意度指数CSI (Customer Satisfaction Index)模型，将 感官满意度量化为系统收益。CSI对用户某项指标的满意度S通过下式获得
s,令A， vv附 (1)
式中S,是第z'项指标的满意度；7'是满意度级数；附是抽样调査顾客数量；& 是满意程度为/对应的分值；^是调査中对第/项指标的满意度级别为_/的人数， hl，2…"，j^l,2…5; &是调査中对第/项指标的满意度级别为_/的比例；/是用户
关注服务质量因素的个数。业务虽然由若干指标因素构成，但各指标对满意度影响 程度不同，必须确定各指标间的相对权重^，获得过程与S类似，综合满意度计算
公式如下
Z = i>,^ (2)
WiMAX系统中业务虽然分为UGS、 rtPS、 nrtPS和BE四种类型，但是BE业务需 要带宽很小且实时性要求不高，在系统稍有空闲时即可传输，因此只需要考虑UGS、 rtPS和nrtPS， BE业务不予考虑。不同业务关注的指标不同，如nrtPS更关注速 率，rtPS更关注延迟，故将带宽和时延{6,^%}作为CSI中影响业务满意度的两个指 标，即7=2。又考虑到延迟^^可通过提高带宽来补偿，两者存在换算关系，这里假设带 宽与延迟存在线性关系6 = ^力—，所以只需要计算带宽对满意度CSI的影响，这时 〉1。同时，不同业务类型能满足需求的程度不同，等量的带宽资源分配给不同的业 务类型所引起的满意度也不同，为各业务类型分配不同权重艮
将b作为指标因素，按业务类型分别调査不同带宽下满意度，得到下式所得到 的指定带宽下平均满意度
"';iX;， K"々/m (3)
乂=1
式中R是第J'类业务(UGS，rtPS,nrtPS)的满意度；j是满意度级数；M是抽 样调查数量；《.是指定带宽下满意度为J'的比例；A是满意程度为y对应的分值 X"A,A，J^,X4,Ah (很满意，满意， 一般，不满意，很不满意)=(5， 4， 3， 2， 1)。 下表表示带宽和满意度的离散关系(表中b表示带宽，U表示业务UGS、 rtPS、
nrtPS对应的满意度):_
bi b2 b3 ...... bn
[J^ """"^^7^^
i1^ i1^ :77T^
nrtPS """^在表中数据基础上，通过线性回归的方法获取各业务效用曲线，然后，通过原 始数据回归出效用函数。采用工程中广泛使用的sigmoid和log函数作为函数原型 进行拟合，将调研数据回归出收益一带宽(f7-Z0函数。得到UGS、 rtPS和nrtPS效 用函数如下
, 1
l + exp(—g匪"(0 + D
""尸s (柳)=-;-1 w、 ， ,~(4)
1 + exp(-x + A,) 、"
(W)) = g一 logd x +1)
将上述效用函数带入(2)式计算系统综合收益。给各业务类型赋予不同权值W二 {Wugs，Wrtps ，Wnrtps }，通过给业务赋予不同的权重^不但可以区分UGS、rtPS和nrtPS，
而且可以区分新建业务、切换业务，将所有业务统一起来，有利于问题的简化。建 立连接数为n，第i个业务的收益为U,，第i个业务的权重为W,，则综合收益u计 算如下
w=t"'.『' (5)
WiMAX的带宽分配方式是(这里假设均匀分配以简化问题)BS (基站)按非竞 争时分多址TDM/TDMA方式将0.5 20ms的帧周期7;f以时隙为单位分配给辖区内各
SS (从站)的业务流。
对一个具体的WiMAX网络，可设存在S个SS，第k个SS中使用第j类Qos服务 的有i^个服务流。定义服务流集合为/ = {厶丄,}， 6e(l,…W， {UGS,rtPS，nrtPS}， Ze(l,…iVJ。
设第k个SS的优先级为R，某SS属于第/类的第/个服务流的服务优先级为^，,.(一般一 个SS内部服务优先级只由QoS类别决定，即^，,与/无关)，定义服务流/^.，,的归一化权重为
s A乂
l,k^,〃i: z i (6)
显然e s z =1，即所有流的权重和为i,为简便起见，以下将它s z简写
成z 。
所述系统消耗总带宽^>;为利用带宽分配理论计算得到，设服务流/^.，i在一帧时间T 内实际传送字节数为^^， /^归属的SS使用调制速率^， /^，,为达到^力,所需的时隙长度为^力，再设当前所有流的最小需求可以得到满足，则有Z、从她《r'。可以得到
"V,,,
^=\,,, J = &.、,,;， 同样有^一n/隨J"r7;丄w狀。其中与带宽对应
的等效时隙、"，等效最小/最大时隙、w狀=&"加麵.7Vrt 。由此得到带 宽分配
—S丄 (7)
"max"max "，max
系统消耗总带宽为& = 其中6,.为业务/占用带宽，6,.在业务建立时由带宽
调度机制根据业务类型分配。
最终得到系统综合收益/支出比计算公式^ = 2>,./^>,.="/6 = ^-。当
/=1
Ac一^A一成立，即如果系统接纳收益比大于拒绝收益比，接纳新到达的业务，否 则拒绝。
为了验证本发明方法的有效性，采用Matlab软件平台对PMP(Point to Multipoint)模式下1个BS管辖5个SS的网络，与守卫信道策略进行仿真实验比较。 每个SS每秒产生UGS、 rtPS、 nrtPS三类服务的个数分别服从均值为& ={1,2,3}的 Poisson分布；带宽服从1///,= {1.2， 12， 20}的指数分布；业务流权重分别为W={4， 3， 2}，帧长7)f二20ms，占用频带B=3. 5MHz。
从图3、图4以及图5所示仿真测试结果分析，所述图3、图4以及图5中所指 的文中方法即为本发明用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法，守卫信道策略以优先级 区分业务，提高了高优先级业务接纳率，但以牺牲系统资源利用率和低优先级业务 的接纳率为代价，所以在系统资源紧张时，接纳率和吞吐量都有所下降，影响系统 收益。
本发明用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法动态使用带宽，提高了系统吞吐量， 同时在系统资源紧张时，综合考虑系统收益，挖掘出潜在可接纳的业务流，使系统 的收益最大。另一方面，非实时业务接纳率高于实时业务接纳率，因为非实时业务 占用带宽的弹性范围较实时业务大，增加或减小相同量带宽对非实时业务的收益 影响小，故以较高接纳率接纳，接纳后动态压縮其带宽为其他业务流服务。
权利要求
1、一种用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法，将WiMAX网络当前已接纳的业务流的占用带宽记为∑bi，WiMAX网络的占用带宽量门限记为bth，WiMAX网络当前的最大可用带宽记为bavail，对于新到达的第i个业务流，申请的最小和最大带宽分别记为bN+1，min，bN+1，max；当bN+1，max+∑bi≤bth时，系统资源有剩余，系统直接接受第i个业务流的请求；当bavail≤bN+1，min+∑bi时，系统资源严重不足，系统直接拒绝第i个业务流的请求；其特征在于当bth<bN+1，max+∑bt<bavail时，系统资源紧张，系统假设接收第i个业务流，则系统得到一个收益与支出之比并记为系统假设拒绝第i个业务流，则系统得到另一个收益与支出之比并记为该即为系统接收第i-1个业务流时所得到的收益与支出之比，然后系统判断，如果那么系统接收第i个业务流，否则拒绝第i个业务流；所述和由以下表达式确定，其中，∑ui表示综合系统收益，ui表示第i个业务流的加权收益，∑bi表示系统消耗总带宽，bi表示第i个业务流所消耗的带宽；所述综合系统收益∑ui由以下表达式确定，其中，Ui表示第i个业务流的收益，Wi表示第i个业务流的权重；所述第i个业务流的收益Ui是根据用户满意度指数模型，利用sigmoid和log函数将收益拟合并回归出的以下表达式确定，其中，gUGS、grtPS和gnrtPS分别表示业务UGS、rtPS和nrtPS对延时或吞吐量的敏感度；hUGS、hrtPS和hnrtPS分别表示业务UGS、rtPS和nrtPS对性能的满意度；b(i)表示业务连接时所分配的带宽；UUGS(b(i))、UnrPS(b(i))和UnrtPS(b(i))分别表示各业务的收益。
2、 根据权利要求l所述的用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法，其特征在于所述 WiMAX网络的占用带宽量门限&和WiMAX网络当前的最大可用带宽6。^为系统根据带宽 分配策略和当前系统状况得到。
3、 根据权利要求l所述的用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法，其特征在于所述系统消耗总带宽ZA为利用带宽分配理论计算得到，由以下表达式确定， "》〃 丄=_^ =丄，<formula>formula see original document page 3</formula>其中6,.为第i个业务流所占用带宽，6,在业务流建立时由带宽调度机制根据业务流 的类型分配。
全文摘要
本发明公开了一种运算简单、运算量小、具体实施容易、能够使系统收益最大的用于WiMAX系统的呼叫接纳控制方法，将WiMAX网络当前已接纳的业务流的占用带宽记为∑b<sub>i</sub>，WiMAX网络的占用带宽量门限记为b<sub>th</sub>，WiMAX网络当前的最大可用带宽记为b<sub>avail</sub>，对于新到达的第i个业务流，申请的最小和最大带宽分别记为b<sub>N+1，min</sub>，b<sub>N+1，max</sub>；当b<sub>N+1，max</sub>+∑b<sub>i</sub>≤b<sub>th</sub>时，系统资源有剩余，直接接受第i个业务流的请求；当b<sub>avail</sub>≤b<sub>N+1，min</sub>+∑b<sub>i</sub>时，系统资源严重不足，直接拒绝第i个业务流的请求；当b<sub>th</sub>＜b<sub>N+1，max</sub>+∑b<sub>i</sub>＜b<sub>avail</sub>时，系统资源紧张，系统假设接收第i个业务流，则得到一个收益与支出之比并记为φ<sub>accept</sub>，系统假设拒绝第i个业务流，则得到另一个收益与支出之比并记为φ<sub>reject</sub>，如果φ<sub>accept</sub>≥φ<sub>reject</sub>那么系统接收第i个业务流，否则拒绝第i个业务流。
文档编号H04W84/02GK101521913SQ20091009700
公开日2009年9月2日 申请日期2009年3月25日 优先权日2009年3月25日
发明者何加铭, 张青波, 曦 陈 申请人:宁波大学;宁波新然电子信息科技发展有限公司