针对切换业务在高速铁路通信系统中比较容易掉线的问题，提出一种基于优先级的接纳控制机制，联合利用自适应资源预留算法与基于弹簧的资源抢占模型，以保障系统切换业务掉线率(HSDP)需求.自适应资源预留算法可以根据切换业务通话量强度自适应地为切换业务预留带宽资源.在最小化资源抢占对现有业务影响的条件下，基于弹簧的资源抢占模型可以确保切换业务从现有可变速率业务中合理地抢占带宽资源，以进一步改善HSDP性能.仿真结果表明，该机制可以有效提升HSDP性能，同时保持令人满意的新业务阻塞率性能.
For the problem of handoff service in high-speed railway communication (HSRC) systems prone to drop, a priority-based admission control (PB-AC) scheme is proposed, where adaptive resource reservation algorithm and spring-based resource preemption model are jointly adopted to guarantee handoff service dropping probability (HSDP) requirement. The adaptive resource reservation algorithm can dynamically reserve bandwidth resource for handoff service according to their traffic intensity. Under the condition of minimizing the influence of resource preemption on on-going service, the spring-based resource preemption model can enable handoff service to preempt bandwidth resource from on-going vary bit rate service to further improve HSDP performance. Simulation results show that the proposed PB-AC scheme can effectively improve HSDP performance while maintaining desirable new service blocking probability performance.
对于容量受限的通信系统，接纳控制(AC, admission control)机制对保证系统切换业务掉线率(HSDP, handoff service dropping probability)需求非常关键.学者已经提出众多保障HSDP需求的AC机制[1-2].然而，现有的为一般移动环境设计的AC机制并不适用于高速铁路通信(HSRC, high-speed railway communication)场景.首先，在HSRC系统中，切换非常频繁，切换时间窗口很短，切换业务由于用户聚集在车厢里而具有成批到达的特性，因此与一般通信系统相比，HSRC系统中的切换业务更加容易掉线；其次，HSRC系统具有一些有利于AC机制设计的特性，如小区沿铁路线呈带状分布，列车运行受列车控制系统控制等.
目前针对HSRC系统的AC机制研究还较少.在HSRC场景下，为尽可能接纳切换业务，赵宜升等[3]设计了一种基于弹簧模型的AC机制，然而可连续改变业务带宽的假设使得所提机制不是很合理；此外，针对列车高速移动对系统可用带宽产生的影响，赵宜升等也设计了一种新型的AC机制[4]，以提高HSRC系统保障业务服务质量的能力.
基于此，笔者联合利用自适应资源预留算法和基于弹簧的资源抢占模型，提出一种基于优先级的AC(PB-AC, priority-based AC)机制，以保障系统HSDP需求.自适应资源预留算法可以根据切换业务通话量强度自适应地为切换业务预留带宽资源.基于弹簧的资源抢占模型可以从现有变比特速率(VBR, vary bit rate)业务中合理地抢占带宽资源，以进一步提升系统HSDP性能.
1 系统模型 1.1 网络架构HSRC系统的网络架构如图 1所示，主要由分布式基站、车载台(VS, vehicular station)以及中继(Re, repeater)组成[3-5].分布式基站使铁路线得到无缝覆盖，由室内基带处理单元(BBU, building baseband unit)和远端射频单元(RRU, radio remote unit)组成. BBU一般放置在室内，而RRU可以沿铁路线灵活部署.当采用移动小区技术之后，相同BBU中的不同RRU可以被视为一个小区而不需要切换[5].由于一个BBU可以连接6~8个RRU，所以小区的覆盖范围将获得极大的扩展.此外，为增加切换时间窗口，相邻小区的重叠覆盖区也将进行扩展.列车车厢是一个封闭的空间，穿透损耗非常严重.为克服穿透损耗，VS被安装在列车顶部，负责与RRU通过无线方式进行通信.同时，为覆盖整列列车，每节车厢都将安装中继，使其可以与VS通信.故列车上的用户都将可以通过中继接入网络.
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图 1 高速铁路通信系统网络架构 |
假定系统带宽为R，共有M类业务.第m类业务的优先级、最大允许错误率、最大允许时延以及最大允许时延抖动分别表示为pm、pm, e、Tm, d、Tm, j.由于VBR业务的存在，业务所占用的带宽可以根据网络负载动态调整.因此，第m类业务允许分配的带宽表示为Rm={Rm, 1, …, Rm, km}[6]，其中Rm, i < Rm, i+1，i=1, 2, …, km-1. km是第m类业务允许被分配的带宽种类.如果km=1，则第m类业务是固定比特速率业务. Rm, km是第m类业务最大允许分配的带宽，该值也被称为请求带宽Rm, req.当一个属于第m类业务的业务n被接纳，系统分配的带宽表示为Rm, n, ass，其属于集合Rm.
假定第m类业务的新业务到达特性服从到达率为λmn的泊松过程[3-4].考虑到切换仅发生在相邻小区的重叠覆盖区，切换业务到达率λmh将呈现类似周期性的特性.此外，假定第m类业务的平均服务时间服从均值为1/μm的指数分布[3].
2 基于优先级的接纳控制机制 2.1 自适应资源预留算法HSRC系统具有小区沿铁路线呈带状分布，列车运行方向、到达时间、离开时间可以准确预知，相邻小区能及时交换信息等特性.当列车离开它的服务小区，服务小区将把切换业务到达率信息传递给目标小区，目标小区接收到该信息后，可以计算需要预留的带宽资源并做出相应的预留.假定业务都使用Rm, req发起接入请求，则为切换业务预留的带宽资源被设计为
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(1) |
即Rr取
自适应资源预留算法虽然给出了应该为切换业务预留的带宽资源，但当目标小区带宽资源比较稀缺时，实际所能获得的预留带宽并不能达到Rr.为进一步提升HSDP性能，有必要利用资源抢占算法从现有VBR业务中获得更多的带宽.学者已提出众多资源抢占算法，然而考虑资源抢占对现有业务影响，并最小化这种影响的算法并不多见.
在基于弹簧的资源抢占模型中，从现有VBR业务中抢占部分带宽被类比成通过一个外力压缩弹簧[3].系统中的M类业务被看成是M种弹簧.第m类业务的需求带宽Rm, req被类比为第m种弹簧的原始长度lm, o，m=1, 2, …, M，即
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(2) |
属于第m类业务的业务n分配的带宽资源从Rm, req被抢占到R′m, n, ass的过程也就被类比为压缩弹簧长度从lm, o到lm, n的过程，即
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(3) |
为综合考虑业务服务质量需求，定义业务抢占影响系数αm. αm可以根据实际需求定义为带宽、优先级、错误率、时延、时延抖动等性能指标的函数.考虑不同性能指标与业务是否容易被抢占出带宽的关系，简单定义
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(4) |
其中pe、Td、Tj分别是M类业务的平均最大允许错误率、平均最大允许时延及平均最大允许时延抖动.
假定系统中第m类业务的业务数目为Nm.由于Nm越大，第m类业务越容易被抢占出带宽资源.因此，αm/Nm被类比为弹簧的弹性系数km.
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(5) |
类似地，可以获得如下类比表达式：
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(6) |
其中km(lm, o－lm, n)2/2是弹簧的弹性势能.因此，αm(Rm, req－R′m, n, ass)2/(2Nm)被称为业务压缩势能，其将被用来量化资源抢占对现有业务的影响.
至此，最小化资源抢占对现有业务影响的问题也被类比为：在给定总弹簧压缩量的条件下，如何配置每根弹簧的压缩长度，以最小化弹簧的总弹性势能.系数1/2并不影响问题的求解，因此资源抢占问题可以被建模为如下非线性整数规划问题.
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(7) |
其中，Rres是系统剩余的带宽，Rah∈Rm是新到达切换业务所需要的带宽.式(7) 中的第1个限制条件指系统剩余带宽加上现有VBR业务所释放的总带宽应不小于切换业务需要分配的带宽.
非线性整数规划问题在数学、运筹学等领域已经获得广泛研究，很多有效的求解算法被提出.研究一种最佳、近似或启发式的算法来求解所建模的问题并衡量其计算复杂度，已经超出本研究范围.故在仿真中将直接利用Matlab求解整数规划问题的工具箱YALMIP，以对问题进行求解.
2.3 基于优先级的AC策略下面给出一个简单的AC策略，以对到达的业务做是否接纳的判决.新业务的AC策略为
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(8) |
即一个属于第m类业务的新业务只有在满足其请求带宽加上被现有业务占用的总带宽不大于R－Rr时才会被接纳；否则都将被阻塞.
对于切换业务，只要业务请求带宽加上被现有业务占用的总带宽不大于R，它都将被接纳；否则，基于弹簧的资源抢占模型将以概率πm被执行. 
为衡量PB-AC性能，将其与经典的基于门限的AC(TB-AC, threshold-based AC)机制[6]进行对比.考虑3类业务，主要仿真参数如下：R=10 Mbit/s，R1={64}kbit/s，R2={64, 128, 192, 256}kbit/s，R3={128, 192, 256, 320}kbit/s，pm=[1, 0.2, 0.1]，pm, e=[10－2, 10－6, 10－3]，Tm, d=[50, 100, 300]ms，Tm, j=[10, 20, 30]ms，1/μm=[400, 500, 600]s. TB-AC机制中新业务门限带宽r0=2.5 Mbit/s，第m类切换业务的门限带宽rm=[5, 7.5, 10]Mbit/s.
图 2所示为不同AC机制下的系统HSDP性能.可以看出，PB-AC机制拥有更好的HSDP性能，并且随着带宽预留因子β和列车速度v的增大，这种优势更加明显.这是因为，在PB-AC机制中联合利用了资源预留算法与基于弹簧的资源抢占模型来改善系统HSDP性能，且在自适应资源预留算法中，β越大预留的切换业务专用带宽越多.然而，在TB-AC机制中仅有资源抢占算法被使用，且由于采用固定门限的带宽分配策略，在某些条件下资源抢占算法的性能将受到一定影响.
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图 2 系统HSDP性能 |
图 3所示为不同AC机制下系统新业务阻塞率(NSBP, new service blocking probability)的性能(v=250 km/h).可以发现，两种AC机制下系统NSBP性能相当.这是因为：首先，为保证系统HSDP性能，两种AC机制都为切换业务设置了更高的优先级；其次，在PB-AC机制中，为改善HSDP性能，某些时刻更多的带宽资源被分配给切换业务，影响了NSBP的性能，然而在TB-AC机制中，固定门限的带宽分配策略同样限制了系统获得好的NSBP性能.
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图 3 系统NSBP性能 |
针对切换业务在HSRC系统中比较容易掉线的问题，联合采用自适应资源预留算法与基于弹簧的资源抢占模型，提出一种PB-AC机制，以保障系统HSDP需求.仿真结果表明，PB-AC机制能有效提升系统HSDP性能.在以后的研究中，将结合信令优化、切换机制等无线资源管理算法，以进一步提升HSRC系统在保护HSDP需求方面的能力.
| [1] |
董全, 李建东, 赵林靖. 蜂窝系统上行的多业务智能接纳控制方法[J]. 北京邮电大学报, 2012, 35(2): 32–36.
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