CN103974437B - 基于信道预约的超高速无线局域网的接纳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道预约的超高速无线局域网的接纳控制方法，本发明的方法考虑了同类型的业务流之间的公平性，也就是所有相同类型的业务流之间的释放程度是相同的条件下，根据相应的算法释放带宽，以实现高的信道利用率以及减少***的整体HCDP；同时为了区分新业务和切换业务，为带宽释放设置了不同的释放阈值，切换业务阈值高于新业务的阈值，进而保证切换业务较新业务有更高的接入优先级，最终使得在保证现有业务流正常传输的前提下，接纳更多的业务。

Description

基于信道预约的超高速无线局域网的接纳控制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于信道预约的超高速无线局域网的接纳控制方法。

背景技术

接纳控制在无线资源管理中起着举足轻重的作用，是防止***过载和保证用户QoS(Quality of Service,服务质量)质量重要的策略，对维护***稳定和高效有着不同寻常的意义。在无线网络中，由于要降低切换呼叫的丢失概率和新呼叫的阻塞概率，又要同时满足不同业务类型的QoS要求，使得接纳控制的实现越来越有挑战性。无线接纳控制策略是用于对一个新到达的呼叫提供准入判断的方法。如果无线网络带宽资源充足，那么要求尽可能多的业务接入***中，以提高带宽资源的利用率；如果无线带宽资源紧张的情况下，那么就可以采用预留带宽或者给现有业务降级的方式，来满足不同业务QoS的需求,无线接纳控制策略就是在寻找带宽的充分利用和满足不同业务需求的两方面需求之间的平衡点。

在诸如IEEE802.11ac、IEEE802.11ad等标准的新一代超高速无线局域网中，基于信道竞争的介质访问控制方法无法实现高的信道利用率,因此此类方法不再适用。此外，在新一代超高速无线局域网中不同QoS需求的业务并存，基于信道竞争的接纳控制方法无法提供高质量的QoS保证。因此，采用基于信道预约的介质访问控制方法才能有效地利用信道资源。

为了便于本领域的普通技术人员理解本发明及其背景技术，在对本发明的背景技术进行描述时，首先作出如下定义：

UGS业务类型(Unsolicited Grant Service，非请求的带宽分配业务):周期性传输定长包形成的实时流，最大保持速率等于最小保留速率，在调度中优先级最高。在本专利中即为m＝1时的业务类型，其中m表示业务流的等级。典型应用有VoIP(Voice overInternet Protocol,网络电话)。

rtPS业务类型(Real-Time Polling Service，实时轮询业务)：周期性形成的数据包大小可变的实时服务流，其传输速率保持在最大保持速率和最小保留速率之间。在本专利中即为m＝2时的业务类型，其中m表示业务流的等级。典型应用有MPEG(Moving PicturesExperts Group,动态图像专家组)视频流。

ertPS业务类型(Extended Real-Time Polling Service，拓展实时轮询业务)：实时业务,在某些时间间隔内，传输定长数据包。在业务生存时间内，传输速率取决于数据包的大小变化，速率保持在最大保持速率和最小保留速率之间。业务刚被激活后，默认按照最大保持速率为其分配足够的带宽资源。在本专利中即为m＝3时的业务类型，其中m表示业务流的等级。典型应用有静音抑制，VoIP视频流。

nrtPS业务类型(Non-Real-Time Polling Service，非实时轮询业务)：非实时业务，没有时延要求，有最大保持速率和最小保留速率的限制。在本专利中即为m＝4时的业务类型，其中m表示业务流的等级。典型应用有FTP(File Transfer Protocol，文件传输协议)等。

BE业务类型(Best Effort Service，尽力而为业务)：非实时业务，没有时延要求，有最大保持速率。在本专利中即为m＝5时的业务类型，其中m表示业务流的等级。典型应有网页浏览等。

信道利用率：信道利用率表示已用带宽占所有全部带宽的百分比，也表示已经实现了的吞吐量。最大限度的提高信道利用率是接纳控制和资源分配最要的目标。接纳控制通过控制连接的接入和带宽的挪用和收回来优化信道利用率；资源分配通过对包实现分片，重组和资源管理提高信道利用率。

服务质量(Quality of Service，QoS)：网络的一种安全机制，用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。在正常情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用***，并不需要QoS。但对于关键应用和多媒体应用就十分必要,当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，保证网络的高效运行。

优先级：当有多个数据等待处理是，决定各个数据接入信道的优先等级的参数。

连接接纳控制(Connection Access Control，CAC)：在开始建立连接时分配资源，判断是否可以满足连接申请的各种要求并达成某种协约。

公平性：对于CAC和资源分配，寻求信道利用率和公平性之间的平衡点，是一个具有挑战性的问题。

为了衡量这个问题可以下面的指标来衡量：

其中，m是流的总数目，x_i是第i条流生存期间内所接收到包的百分比，当带宽被巨晕分配的时候，F_J数值为1，极端情况下，带宽被一条流独占的时候，F_J数值为1/m。

切换业务：用户已经在别的服务集被接纳，现在用户需要切换到当前服务集，

由于是已经被用户所直接体验的服务，所以应该拥有最高的接纳优先级，这样才能尽可能高的提高用户体验。

阈值：阈值策略主要适用于针对为某种特定的业务提供优先服务，设置一个阈值，当相应参数低于阈值的时候，就会触发相应的设计算法。

带宽释放：带宽释放一般是基于多业务流的接纳控制思路。因为nrtPS和BE业务对时延没有要求，但是nrtPS有最大保持速率和最小保留速率，所以可以在带宽紧张的时候把最小保留速率上和最大保持速率之间的信道释放掉。

为了本领域的普通技术人员能够更好的理解本发明，现结合图1对现有技术中动态带宽接入控制算法作简单介绍。

基于带宽释放CAC策略基本流程：***总容C，被呼叫占用的总带宽C_occupied,呼叫类型(接入，或者切换)，请求的总带宽β_m,r，当β_m,r≤C-C_occupied时，新呼叫和切换呼叫都允许接入；当β_m,r>C-C_occupied，此时需要接纳控制算法的介入，权衡接纳这个呼叫需要带宽和现有业务可释放的最大带宽，来进行相应的接纳控制的判断。

现有的接纳控制方法有的基于代价和收益函数，这类基于最优化问题的接纳控制算法最大的困难是收益和代价函数的设计，计算复杂度也很高，这限制了本类接纳控制算法在现实网络中的应用；有的基于某种业务场景，如在网络电话大量发生的场景下，采取的某种针对VoIP的业务接纳控制算法，来实现VoIP业务更好的服务和提高***的利用率，正是因为其针对性强，所以导致这种策略的使用面很小；还有基于多业务的接纳控制策略，通过使得带宽按照优先级大小逐级逐条业务释放，虽然也能达到良好的接入能力，但是没有考虑到业务之间的公平性。而且现在无线网络中多带宽接入能力并存，因此考虑不同带宽接入能力也是日后接纳控制研究的方向。

发明内容

本发明的目的是可以动态的分配带宽来控制业务接入以实现高的信道利用率以及减少***的整体HCDP(Handover Call Dropping Probability,切换呼叫丢失概率)和实现同类型业务流之间的公平传输。

本发明技术方案为：一种基于信道预约的超高速无线局域网的接纳控制方法，具体为：

当业务到达时，确定用户接入能力然后再根据AP(Access Point,访问接入点)记录的关于相应带宽的信息来做出接纳判决；

所述接纳判决的具体过程如下：当***带宽未被充分利用时，计算每个信道的SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio,信号与干扰加噪声比)，然后挑选信噪比大的信道以最大保留速率给新业务分配带宽；当带宽充分利用时，计算带宽释放因子，将到达业务分为BE类新业务，非BE类新业务和切换业务；根据不同的业务类型来具体决定计算带宽释放因子的算法，并计算出相应的带宽释放因子，再通过与对应业务下的释放阈值比较来决定是否接纳相关业务。

进一步的，所述的计算带宽释放因子的具体过程如下：

定义m类业务等级业务流带宽释放因子β_m如下：

这里m表示业务流的等级，m类业务(m可取1、2、3、4、5)指的就是这里5中业务中相应m值的业务。举例来说，m＝5业务指的就是BE业务，β_m(m＝5)，即β₅就是只释放BE类业务时的带宽释放因子。

用β′_m表示前一次接纳判断时的释放因子，则β_m(m＝5)的表达式为：

式(1)

β_m(m＝4)的表达式为：

式(2)

其中，α表示释放阈值；NUM_m表示***中m类业务流的总数；ζ_arrival表示到达呼叫申请带宽；和是定义的两个集合，其表达式为：

δ_m,i表示m类业务中第i条流可释放的带宽，其表达式为：

δ_m,i＝R_{m,i_max}-R_{m,i_min}

其中，R_{m,i_max}表示m类业务中第i条流得最大保持速率，R_{m,i_min}表示m类业务中第i条流得最小保留速率。

以往的方法也有涉及到带宽释放的概念的，但都是以单条业务流为力度来说的，一条流的带宽释放了以后再释放下一条，但是本发明的方法是在考虑了同类型的业务流之间的公平性，也就是所有相同类型的业务流之间的释放程度是相同的，在保证现有业务流可以正常传输的前提下，保证了业务流之间的公平性。

所述的对应阈值指的是为了区分新业务和切换业务，为带宽释放设置了不同的释放阈值，可以使得在保证现有业务流正常传输的前提下，接纳更多的业务。同其他带宽预留方案不同的是在不会造成带宽空闲的前提下，提供切换业务的相对高优先级接入。

定义释放阈值α表示带宽释放因子上限，具体为：表示新业务的带宽释放因子上限α_thn和切换业务的带宽释放因子上限α_thh，并且α_thn<α_thh，从而保证切换业务的优先级比所有新业务的优先级都要高。

所述的通过与对应情况下阈值的比较值来决定是否接纳相关业务具体流程如下：根据业务的优先级，对到达的业务区分为BE类新业务，非BE类新业务和切换业务。BE类新业务只计算β₅，通过β₅与α的比较决定是否接纳新业务；非BE类新业务(包括nrtPS和实时业务类型)和切换业务先计算β₅，若单通过释放BE类业务的带宽还不能满足带宽需求即β₅>α时，再计算β₄，通过β₄与α的比较决定是否接纳新业务和β₄。

本发明的有益效果：本发明的方法考虑了同类型的业务流之间的公平性，也就是所有相同类型的业务流之间的释放程度是相同的条件下，根据相应的算法释放带宽，以实现高的信道利用率以及减少***的整体HCDP；同时为了区分新业务和切换业务，为带宽释放设置了不同的释放阈值，切换业务阈值高于新业务的阈值，进而保证切换业务较新业务有更高的接入优先级，最终使得在保证现有业务流正常传输的前提下，接纳更多的业务。

附图说明

图1为现有的基于带宽释放的流程示意图；

图2为本发明中接纳控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明。

本发明的接纳控制方法的流程示意图如图2所示，具体为：

当业务到达时，确定用户接入能力然后再根据AP记录的关于相应带宽的信息来做出接纳判决；所述接纳判决的具体过程如下：当***带宽未被充分利用时，计算每个信道的SINR，然后挑选信噪比大的信道以最大保留速率给新业务分配带宽；当带宽充分利用时，计算带宽释放因子，将到达业务分为BE类新业务，非BE类新业务和切换业务；根据不同的业务类型来具体决定计算带宽释放因子的算法，并计算出相应的带宽释放因子，再通过与对应业务下的释放阈值比较来决定是否接纳相关业务。

上述步骤中，确定用户接入能力是因为下一代超高速无线局网中，终端具有n倍最小带宽接入能力(n＝1、2、3…)。当一个新业务到达的时候，首先要获得它的带宽接入能力C(C是一个动态的值)，然后再根据AP记录的关于相应带宽的信息做出后续相应的接纳判决。

上述步骤中，所述当***带宽未被充分利用的情况指的是ζ_arrival+C_occupied<C,其中ζ_arrival表示到达呼叫申请带宽,C_occupied表示已经被使用的带宽,C表示用户总带宽，此时计算每个信道的SINR，然后优先挑选信噪比大的信道，以最大保留速率给新业务分配带宽。

上述步骤3所述当***带宽被充分利用的情况指的是ζ_arrival+C_occupied≥C，其中ζ_arrival表示到达呼叫申请带宽,C_occupied表示已经被使用的带宽，C表示用户总带宽，此时根据发明中的算法计算带宽释放因子，并与相应阈值比较来判断是否接入。

因为要在带宽释放的时候又要兼顾业务的优先级，所以对到达的业务做了三种区分，在这里主要考虑三种类型：BE类新业务，非BE类新业务(包括nrtPS和实时业务类型)和切换业务。这里计算带宽释放因子不管哪种类型都要计算β₅，但是否计算β₄，以及如何计算β₄都要根据具体业务是这三种中的哪一种来决定。接下来具体阐述上述步骤中三种不同类型业务的接纳控制算法。

A.BE类新业务

如果β_m≤α_thn(此时m＝5)，则接纳业务，集合中的业务流按照δ_m,i(1-β_m)的比例释放带宽，集合中的业务流按照δ_m,i(β′_m-β_m)的比例释放带宽。可以看出β′_m-β_m的正负是不定的，β′_m-β_m>0说明中在当前β_m下的带宽释放可以满足新业务的接入，使得中业务流带宽是有相应提升的；β′_m-β_m≤0说明中在当前β_m下的带宽释放不足以满足新业务的接入，使得和中业务流带宽都有释放来满足新业务。

如果β_m>α_thn(此时m＝5)，则拒绝接纳新业务。

B.非BE类新业务(包括nrtPS和实时业务类型)

如果β_m≤α_thn(此时m＝5)，则接纳业务，具体过程同上。

如果β_m>α_thn(此时m＝5)，说明单释放BE类业务还不能满足让新业务接纳的需求，接下来需要释放nrtPS业务的带宽。设置m为4，根据下述表达式计算β_m

如果β_m≤α_thn(此时m＝4)，则接纳新业务，反之则拒绝接纳新业务。

C.切换业务

如果β_m≤α_thh(此时m＝5)，则接纳业务，具体过程同上。

如果β_m>α_thh(此时m＝5)，说明单释放BE类业务还不能满足让切换业务接纳的需求，接下来需要释放nrtPS业务的带宽。设置m为4，根据下述表达式计算β_m

如果β_m≤α_thh(此时m＝4)，则接纳切换业务，反之则拒绝接纳切换业务。

可以看出，当业务到达时，确定用户接入能力然后再根据AP记录的关于相应带宽的信息来做出后续相应的接纳判决；当***带宽未被充分利用时，计算每个信道的SINR，然后挑选信噪比大的信道以最大保留速率给新业务分配带宽；当带宽充分利用时，考虑到要照顾同等级业务内的公平性，因此以带宽资源释放是同类所有业务均匀释放的思想设计带宽释放因子。本发明考虑的业务类型分为BE业务、nrtPS业务、实时业务和切换业务，对应于本接纳方法，把这些接纳对象分为BE类新业务，非BE类新业务(包括nrtPS和实时业务类型)和切换业务。对应不同到达业务的类型，使用不同的算法计算带宽释放因子，并通过与对应情况下阈值的比较值来决定是否接纳相关业务。本发明中提出的接纳控制方法可以动态的分配带宽来控制业务接入以实现高的信道利用率、减少***的整体HCDP和实现同类型业务流之间的公平传输。

Claims (6)

1.一种基于信道预约的超高速无线局域网的接纳控制方法，具体为：

当业务到达时，确定用户接入能力然后再根据AP记录的关于相应带宽的信息来做出接纳判决；

所述接纳判决的具体过程如下：当***带宽未被充分利用时，计算每个信道的SINR，然后挑选信噪比大的信道以最大保留速率给新业务分配带宽；当带宽充分利用时，计算带宽释放因子，将到达业务分为BE类新业务，非BE类新业务和切换业务；根据不同的业务类型来具体决定计算带宽释放因子的算法，并计算出相应的带宽释放因子，再通过与对应业务下的释放阈值比较来决定是否接纳相关业务；

所述的计算带宽释放因子的具体过程如下：

定义m类业务等级业务流带宽释放因子β_m如下：

用β′_m表示前一次接纳判断时的释放因子，则m＝5时β_m的表达式为：

m＝4时β_m的表达式为：

其中，α表示释放阈值；NUM_m表示***中m类业务流的总数；ζ_arrival表示到达呼叫申请带宽；和是定义的两个集合，具体为：

δ_m,i表示m类业务中第i条流可释放的带宽，其表达式为：

δ_m,i＝R_{m,i_max}-R_{m,i_min}

其中，R_{m,i_max}表示m类业务中第i条流的最大保持速率，R_{m,i_min}表示m类业务中第i条流的最小保留速率。

2.根据权利要求1所述的基于信道预约的超高速无线局域网的接纳控制方法，其特征在于，所述的释放阈值α表示带宽释放因子上限，具体为：分别表示新业务的带宽释放因子上限α_thn和切换业务的带宽释放因子上限α_thh，并且α_thn＜α_thh。

3.根据权利要求2所述的基于信道预约的超高速无线局域网的接纳控制方法，其特征在于，所述的通过与对应业务下的阈值比较来决定是否接纳相关业务具体过程如下：

对于BE类新业务，计算β₅，通过β₅与α_thn的比较决定是否接纳新业务；

对于非BE类新业务，先计算β₅，若单通过释放BE类业务的带宽还不能满足带宽需求即β₅＞α_thn时，再计算β₄，通过β₄与α_thn的比较决定是否接纳新业务；

对于切换业务，先计算β₅，若单通过释放BE类业务的带宽还不能满足带宽需求即β₅＞α_thh时，再计算β₄，通过β₄与α_thh的比较决定是否接纳新业务。

4.根据权利要求3所述的基于信道预约的超高速无线局域网的接纳控制方法，其特征在于，所述的通过与对应业务下的阈值比较来决定是否接纳相关业务具体过程如下：

对于BE类新业务，如果β_m≤α_thn，此时m＝5，则接纳业务，集合中的业务流按照δ_m,i(1-β_m)的比例释放带宽，集合中的业务流按照δ_m,i(β′_m-β_m)的比例释放带宽；如果β_m＞α_thn，此时m＝5，则拒绝接纳新业务；

对于非BE类新业务，如果β_m≤α_thn，此时m＝5，则接纳业务，集合中的业务流按照δ_m,i(1-β_m)的比例释放带宽，集合中的业务流按照δ_m,i(β′_m-β_m)的比例释放带宽；如果β_m＞α_thn，设置m为4，根据式(2)计算β_m；如果β_m≤α_thn，此时m＝4，则接纳新业务，反之则拒绝接纳新业务；

对于切换业务，如果β_m≤α_thh，此时m＝5，则接纳业务，集合中的业务流按照δ_m,i(1-β_m)的比例释放带宽，集合中的业务流按照δ_m,i(β′_m-β_m)的比例释放带宽；如果β_m＞α_thh，设置m为4，根据式(2)计算β_m；如果β_m≤α_thh，此时m＝4，则接纳切换业务，反之则拒绝接纳切换业务。

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的基于信道预约的超高速无线局域网的接纳控制方法，其特征在于，所述***带宽充分利用具体指的是ζ_arrival+C_occupied≥C；所述***带宽未被充分利用具体指的是ζ_arrival+C_occupied＜C，其中，ζ_arrival表示到达呼叫申请带宽,C_occupied表示已经被使用的带宽，C表示用户总带宽。

6.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的基于信道预约的超高速无线局域网的接纳控制方法，其特征在于，所述的非BE类新业务包括nrtPS和实时业务。