提出了一种延时拒绝模型下的异构无线网络接入选择算法(AS-DRM).通过引入缓冲存储器，允许弹性业务进入缓存器队列中排队等候，当有闲置资源时按照队列中的顺序依次获得服务.利用排队论建立了异构网络接入资源占用五维马尔可夫排队模型，并分析和评价系统性能.仿真结果表明，所提算法能明显降低弹性业务阻塞率，提高系统性能.
An admission selection algorithm utilizing delayed rejection model for heterogeneous wireless networks (AS-DRM) was proposed. The concept of buffer was introduced, elastic services were allowed to wait in the buffer until they could be serviced successively. Five-dimensional Markov queuing model was built by queuing theory for resource occupied in heterogeneous networks. The system performance was analyzed and evaluated. Simulation shows that this algorithm evidently decreases the blocking rate for elastic services, and the system performance is improved.
未来无线通信网络的发展趋势必然是异构无线网络，即多种网络并存且相互补充.如何进行异构网络下的接入选择，以便更好地满足用户的业务体验需求，成为近年的研究热点[1].
Li等[2]提出了LTE(long term evolution)和WiMAX重叠覆盖的异构无线网络环境下基于可变传送单元的接入选择算法(ATUs, alterable transmission units).但是，ATUs在系统抽象过程中规定LTE仅传送非弹性业务，与实际网络状况不相适应，并且对弹性业务采用与非弹性业务相同的即时拒绝接入方式，弹性业务阻塞率偏高，性能无法得到保障.
笔者在文献[2]的基础上提出了延时拒绝模型下的异构无线网络接入选择算法(AS-DRM, admission selection utilizing delayed rejection model for heterogeneous wireless networks). AS-DRM算法中每种系统均可接入弹性和非弹性业务，系统抽象更符合实际网络状况，同时为弹性业务设置了缓冲存储器，当系统业务繁忙，没有空闲资源为新到弹性业务服务时，允许弹性业务进入缓存队列排队等待，直到获得可用资源.仿真结果表明，AS-DRM算法能显著降低弹性业务阻塞率，提高系统总体资源利用率.
1 延时拒绝模型 1.1 资源栅格的定义OFDM (orthogonal frequency division multiplexing)系统中时域上的一个时隙和频域上的一个子信道就构成资源栅格(RG, resource grid)，它是OFDM系统资源分配的基本单位[3]. LTE或WiMAX中一个RG的最大传输速率为[3]
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(1) |
其中：Nm为一个子信道内的子载波数目，Fm为一帧的长度，Sm为一个时隙内的OFDM符号数，M为根据自适应调制编码机制确定的接入系统的业务每调制符号携带的信息比特数.
1.2 延时拒绝模型根据通信业务需求的不同，将业务分为两大类：有固定速率需求的非弹性业务和无固定速率需求的弹性业务.这里考虑的是WiMAX和LTE重叠覆盖的异构网络.使用的延时拒绝模型为：对于请求接入系统的业务，规定非弹性业务优先接入LTE系统，弹性业务优先接入WiMAX系统.将RG分为弹性、非弹性业务共用RG和弹性业务专用RG两类.赋予非弹性业务较高优先级，当非弹性业务到达且系统无空闲共用RG时，该非弹性业务可以抢占被弹性业务占用的共用RG.为了保证弹性业务的接入公平性，使得系统在优先接纳非弹性业务时仍有一部分资源能用于专门接纳弹性业务，设置弹性业务专用RG，非弹性业务不得占用.对于弹性业务和非弹性业务都采用先到先服务(FCFS，first come first served)的处理方式. LTE系统中的RG为共用类RG，WiMAX系统中有部分RG是弹性业务专用RG，余下部分为共用RG.
2 算法描述 2.1 算法思路本算法的目的是为保证弹性业务性能，当弹性业务到达异构系统且系统中没有可用资源为其服务时，允许该业务进入缓存队列排队等候，即对弹性业务采用了延时拒绝接入方式.
当有业务请求接入异构网络时，采用如下步骤分配RG.
1) 对非弹性业务采用即时拒绝方式来处理.空闲RG的检测顺序依次是：LTE共用RG，WiMAX共用RG.当有足够空闲资源时才允许该非弹性业务接入；否则，检测WiMAX和LTE系统是否有被弹性业务占用的共用RG，有，则抢占共用RG进行非弹性业务接入，若无则该业务被拒绝.
2) 对弹性业务采用延时拒绝方式来处理.空闲RG的检测顺序依次是：WiMAX的弹性业务专用RG，WiMAX的共用RG，LTE的共用RG.当有足够的空闲资源时才允许该弹性业务接入；否则，检测缓存器中是否有足够的空间缓存该业务，有，则允许该业务进入缓存队列中排队等待空闲资源，无，则该弹性业务被阻塞.
2.2 RG分配模型 2.2.1 弹性业务RG分配模型对弹性业务采用尽力而为的服务方式，因此速率为R的弹性业务在保障其质量服务(QoS，quality of service)前提下接入系统时要求的平均RG个数为[3]
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其中k是一个分组能够正确传送所需要的平均传送次数.
2.2.2 非弹性业务RG分配模型为保证非弹性业务的QoS，系统为其提供的带宽必须大于有效带宽[4].假设系统有2种状态：能产生业务的on(激活)状态和不能产生业务的off(非激活)状态.又假设系统逗留时间在这2种状态下均服从指数分布，参数分别为λ和μ，则非弹性业务的等效带宽可以表示为[5]
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(3) |
其中：d为规定的分组时延上界，γ为时延大于规定门限值的概率.为保障速率为R的非弹性业务的QoS，接入时要求的RG个数平均为[3]
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笔者使用五维马尔可夫排队模型来对异构重叠网络接入的系统资源占用情况进行建模.非弹性和弹性业务到达分别服从参数为λs和λf的泊松分布；LTE和WiMAX系统的服务模型选择服从服务参数分别为μl和μw的负指数分布.模型中的节点(i, j, k, l, m)代表系统的一个状态，其中i和j分别为WiMAX系统中处于服务状态的非弹性和弹性业务数目，k和l分别为LTE系统中处于服务状态的非弹性和弹性业务数目，m为缓存器中正在排队等候服务的弹性业务数目.由五维马尔可夫状态转移图根据流量守恒列出系统稳态方程，与概率归一化条件联立即可求得异构系统处于上述各状态时的系统稳态概率p(i, j, k, l, m).算法的性能指标计算如下.
1) 弹性业务阻塞率
当缓冲存储器达到容量上限时，新到弹性业务会被阻塞，则弹性业务阻塞率可以表示为
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2) LTE系统资源利用率
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3) WiMAX系统资源利用率
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4) 系统总资源利用率
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式(5)~式(8) 中，C1和C2分别为LTE、WiMAX系统容量，其中WiMAX系统的弹性业务专用容量为c，C3为缓存器容量.
3 仿真与分析将所提算法应用于LTE/WiMAX异构无线重叠覆盖网络环境，对弹性业务阻塞率、LTE系统资源利用率、WiMAX系统资源利用率及异构系统总资源利用率等指标进行了仿真分析.使用与文献[2]相同的仿真参数配置，缓存器的容量为5.
3.1 弹性业务阻塞率对比使用Matlab仿真AS-DRM算法和ATUs算法下的弹性业务阻塞率，结果如图 1所示.
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图 1 弹性业务阻塞率 |
由图 1可以看出，当弹性业务到达率为0.5 services/s，非弹性业务到达率为0.5 services/s时，ATUs算法的弹性业务阻塞率为12.27%，AS-DRM算法的弹性业务阻塞率为5.741%，相比于ATUs算法降低了53.21%；当弹性业务到达率为0.45 services/s，非弹性业务到达率为0.5 ervices/s时，AS-DRM算法的弹性业务阻塞率相比于ATUs算法降低了60.59%.可见，AS-DRM算法明显降低了弹性业务阻塞率，这是由于AS-DRM算法对弹性业务采用了延时拒绝的接入方式，即为弹性业务设置了一定容量的缓存，允许其在系统没有足够可用资源的情况下在缓存队列中排队等待服务，而ATUs算法对弹性业务采用即时拒绝接入方式，当系统中没有足够的可用资源时直接阻塞该业务.由上述仿真可以得出结论：AS-DRM算法提升了异构系统对弹性业务的处理能力.
3.2 系统资源利用率对比异构系统的总资源利用率是由WiMAX系统资源利用率和LTE系统资源利用率综合得到的. 图 2给出了2种算法下WiMAX系统资源利用率.
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图 2 WiMAX系统资源利用率 |
由图 2可以看出，AS-DRM算法和ATUs算法下的WiMAX系统资源利用率相近，均随弹性业务到达率的增加而上升，这是由于单位时间内到达系统的弹性业务增多时，系统资源得以充分利用，空闲资源少. AS-DRM算法下WiMAX系统资源利用率略有提升，因为AS-DRM算法对弹性业务采用延时拒绝的接入方式，增加了资源被占用的机会.
由图 3可以看出，AS-DRM算法和ATUs算法下LTE系统资源利用率也是相近的，AS-DRM算法略高，只有在弹性和非弹性业务到达率都很大时，ATUs算法下LTE系统资源利用率高于AS-DRM算法.
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图 3 LTE系统资源利用率 |
对系统总资源利用率的仿真对比结果如图 4所示.
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图 4 系统总资源利用率 |
由图 4可以看出，所提出的AS-DRM算法下异构系统的总资源利用率提升了.具体来说，当弹性业务到达率为0，非弹性业务到达率为0.5 services/s时，ATUs算法的异构系统总资源利用率为0.596 8，DRM-AS算法的异构系统总资源利用率为0.644 7，相比于ATUs算法提升了8.03%.原因是AS-DRM算法降低了弹性业务阻塞率，这样有更多的弹性业务可以接入系统并占用资源，系统资源得以更充分的利用.
另外，AS-DRM算法和文献[2]中的ATUs算法都为非弹性业务赋予较高优先级，允许其抢占被弹性业务占用的共用RG，为弹性业务设置的缓存不影响非弹性业务的正常接入，2种算法下非弹性业务的阻塞率相同.
4 结束语延时拒绝模型下的异构无线网络接入选择算法通过引入缓冲存储器，对弹性业务采用延时拒绝接入方式，显著降低了弹性业务阻塞概率，提高了系统总体性能.本算法可以推广到采用OFDM接入方式的多个网络组成的异构无线接入系统中，同样可以改善弹性业务服务性能.
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