2. 北京邮电大学 计算机学院, 北京 100876
为了改善移动云计算中切换用户的服务质量, 对基于移动代理的切换机制进行了研究, 分析该机制下用户切换和接入控制问题, 在切换业务占优的接入控制模型下, 根据不同业务效益的差异建立效益函数, 利用业务总效益最大原则提出了一种能保证切换用户可靠通信的接入控制算法.仿真结果表明, 所提出的接入控制算法不仅能保证用户在切换时的通信可靠性, 而且还能最大化系统的效益.
2. School of Computer Science, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
To improve the quality of service of handoff users in mobile cloud computing, a handoff mechanism based on mobile agent is investigated. The problems of handoff and access control are analyzed. In access control of priority handoff call model, a cost function is described in terms of benefit differences between different kinds of calls. An access control algorithm based on maximum total benefit is proposed to ensure the reliability of communication for handoff users in mobile cloud computing. Simulation shows that the proposed access control algorithm not only ensures the reliability of communication when handoff occurs, but also maximizes benefits of the system.
移动云计算是一种将移动互联网和云计算结合来改善移动设备性能的新技术[1].用户可将应用服务、计算和数据存储都放在云上，来弥补移动设备计算能力弱、存储空间小、电池容量小等缺点.目前很多移动应用(如：移动商务、移动医疗、移动游戏等)已经在移动云计算得到应用.然而移动用户往往离云数据中心较远，导致服务器向用户提供服务时面临着长的延时[2].尤其是在移动用户发生切换时，由于用户在移动过程中的随机性和不确定性，极易造成切换延时过大，丢包率过高，严重影响移动云计算的性能.
为改善性能，Otani T和Kobayashi H[3]提出了一种移动代理机制，该机制能为切换用户提前完成转交地址配置、绑定更新等操作.尽管该机制能有效地减少切换延时，但它需要一种良好的接入控制来减少切换业务的阻塞率.目前基于无线网络的接入控制的研究有：部分信道预留(GC，guard channel)接入控制[4]、切换业务排队优先(QP，queueing priority)的接入控制[5]、均衡接入门限优化带宽效率(PTOEB，proportional thresholdstructured optimal effective bandwidth)的接入控制[6]，但是这些方法均未考虑系统的效益.
基于移动代理的切换机制，在切换业务占优的接入控制模型下，研究切换业务和新业务的阻塞率给用户带来的影响，通过对这两种业务的接纳门限值的调节来实现对业务的拥塞控制，并提出一种能调节两种业务门限值的接入控制算法，使系统处于最佳运行状态.
1 系统模型1.1 基于移动代理的切换机制在基于移动代理的切换机制中，每个移动用户拥有一个移动代理，且移动用户的移动代理在当前为其提供服务的路由器上注册.如果移动用户从一个路由器的覆盖范围移动到另一个路由器的覆盖范围，则其移动代理也会发生相应的迁移.
研究的场景为移动用户正在使用某个业务(如：视频电话、移动游戏等)时，从一个路由器的通信范围移动到另一个路由通信范围的情况.如图 1所示，在文献[3]所提基于移动代理的切换机制上，考虑移动代理迁移时的服务中断问题，提出一种子代理协助切换机制，其主要步骤如下：
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图 1 基于移动代理切换的步骤 |
步骤1 移动用户预测是否即将移动到新路由器的通信范围内.
步骤2 移动用户将新路由器的相关信息转发给其当前路由器.
步骤3 移动代理产生1个子代理，并将用户的数据包和服务状态交付给该子代理，由该子代理继续为移动用户提供当前的业务服务.
步骤4 移动代理从当前路由器迁移到新路由器上，并执行转交地址配置、绑定更新、资源预定等操作，完成网络层切换.
步骤5 新路由器上的移动代理通知移动用户执行数据链路层的切换.
步骤6 移动用户收到数据链路层切换的通知信息后，断开与子代理的连接，执行数据链路层的切换；同时，子代理将数据包和服务状态转发给新路由器上的移动代理.
步骤7 移动用户完成数据链路层切换后，会向新路由器上的移动代理发送1个通知.移动代理收到该通知后，根据子代理发送过来的数据包和服务状态继续为移动用户提供业务服务，切换完成.
切换注册是网络层切换延时的主要组成部分，上述过程中，移动代理在第4步就完成移动用户在网络层的切换.在网络层的切换期间，即移动代理迁移至新路由器到移动用户执行数据链路层切换这段时间，由子代理为用户提供服务，因此在整个切换过程中，网络层切换不会对用户有任何影响，只有数据链路层的切换会造成服务延时.现有的数据链路层切换机制(如(NACS，network-assisted radio statement) [7])已非常成熟，因此这里不对其进行具体研究.
切换完成后，系统需要为切换用户预留带宽资源，以便代理及时向用户交付服务.带宽也是造成切换服务阻塞和延迟的最主要因素之一，因此接下来的工作将以带宽资源为基础对切换业务的接入控制进行研究.
1.2 接入控制模型假设系统中每个小区的总带宽为W，小区中的业务分为切换到达业务和新到达业务两种，为便于讨论，作以下假设：切换业务到达率和新业务到达率均服从泊松分布，平均到达率分别为λh和λn；切换业务和新业务的持续时间均服从负指数分布，平均持续时间分别为1/μh和1/μn；切换业务和新业务对带宽的需求都为b；小区中运行的切换业务数和新业务数分别为nh和nn.
切换业务和新业务的平均呼叫强度分别为ρh=λh/μh和ρn=λn/μn，小区的带宽负荷可用(b, ρh, nh, ρn, nn)表示.
根据以上假设，可将切换业务占优的接入控制模型归纳为定义1.
定义1 切换业务和新业务数的接入门限分别为Nh和Nn，系统能接纳的业务总数为N，新业务与切换业务的接入门限的比值与它们的呼叫强度的比值成正比例关系，系统可通过比例因子x来调整两种业务的接入门限，用数学公式可表示为
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(1) |
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(2) |
其中：
根据文献[8]和定义1可推导出切换业务的阻塞率为
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(3) |
新业务的阻塞率为
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(4) |
根据式(3) 和式(4) 可获得总阻塞率为
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(5) |
移动云计算中，新业务阻塞只会影响当前小区的收益，而切换业务阻塞不仅会影响目标小区的收益而且还会影响源小区给用户提供业务服务的收益，为便于讨论，用定义2来表示新业务和切换业务的效益.
定义2 移动云计算中新业务和切换业务产生的效益可分别表示为
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(6) |
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(7) |
其中，α为新业务的收益因子，β为切换业务的收益因子，γ为切换业务阻塞时的惩罚因子，且α＜β＜γ.
2 接入控制算法2.1 接入控制算法设计由式(6) 和式(7) 可知，切换业务生产的效益要大于新业务，适当减少切换业务的阻塞率可提高系统总效益，接入控制的目标是最大化系统效益，即
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(8) |
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(9) |
其中式(9) 确保新业务和切换业务的门限值不低于它们的平均业务强度.
根据定义2可知，新业务的收益因子α和切换业务的收益因子β均为常数，而切换业务和新业务的呼叫强度是业务的社会特性，同样可视为常数，因此系统的效益仅由切换业务的接入门限Nh和新业务数的接入门限Nn决定，故式(8) 可写为
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(10) |
s.t.服从式(9) 的约束
显然式(10) 是一个最优化问题，下面对该优化问题的求解进行分析.
根据式(4)，有
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(11) |
其中：
另外，由式(1) 和式(2) 可得
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(12) |
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(13) |
结合式(12) 和式(13) 可知，Psn(x)是关于x单调递减函数，Psh(x)是关于x单调递增函数，因此可采用一维搜索算法获取满足式(10) 最优的x值.基于以上讨论，下面给出接入控制算法的主要步骤.
01 初始化ρn，ρh，Psn=Psh=0，a0=0，b0=1，δ=0.001;
02 for (n≥0;n++) do
03 pn=an+0.328(bn－an)，qn=an+0.618(bn－an)
04 根据式(3)、式(4) 和式(10) 计算f(pn)和f(qn);
05 if|an+1－bn+1| > δ then
06 if(pn) < f(qn) then
07 an+1=an，bn+1=qn;
08 else an+1=pn，bn+1=bn;
09 end if
10 end if
11 end for
12 
13根据式(12)、式(13) 计算最优切换业务和新业务的接入门限值.
通过上述接入控制算法，可获得最优的新业务与切换业务的接入门限值，使得系统效益最大.
2.2 系统最佳运行状态根据上述算法可求得系统效益最大时接入控制比例因子的值，即最优的比例因子值：
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(14) |
在最优的比例因子x*下，可求得系统的性能指标如下：
将式(14) 和式(13) 代入式(3) 可得
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(15) |
将式(14) 和式(12) 代入式(4) 可得
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(16) |
将式(15) 和式(16) 代入式(5) 可得
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(17) |
其中：
仿真中，将所提接入控制、文献[6]所提的PTOEB接入控制和公平接入控制比较.仿真参数设置如下：W=11 Mbit/s，b=0.2 Mbit/s，λn=80业务/h，λh=80业务/h，μn=μh=1 h/业务，α=1，β=1.8，γ=2.5.
图 2和图 3分别表示总阻塞率和总效益随系统带宽变化的关系：1) 随着系统带宽的增加，3种方法的总阻塞率都会下降，因此相应的总效益都会增加；2) PTOEB接入控制是保证信道利用率相对较大时，最大化切换业务的优先级，因此PTOEB接入控制的总阻塞率略低于公平接入控制，但PTOEB接入控制的效益要远高于公平接入控制；3) 所提接入控制是以最大化效益为目标，因此其效益要远高于另外2种接入控制，但是所提接入控制是以提高效益的方式来减少切换业务的阻塞率，必然导致新业务具有高的阻塞率，所以所提接入控制的总阻塞率也高于另外两种接入控制.
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图 2 总阻塞率与系统带宽的关系 |
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图 3 总效益与系统带宽的关系 |
图 4和图 5分别表示W=11 Mbit/s时切换业务阻塞率和总阻塞率与切换业务到达率的关系：1) 所提接入控制的切换业务阻塞率要低于另外两种接入控制，验证了所提接入控制能保证用户在切换时的通信可靠性；2) PTOEB接入控制的总阻塞率与公平接入控制的总阻塞率相差不大，但其切换业务阻塞率要明显低于公平接入控制，这是因为PTOEB接入控制在保证高信道利用率的情况下最大化切换优先级；3) 当带宽相对较充裕时，随着切换到达率的增加，所提接入控制可通过给切换业务分配多的带宽来提高总效益，即通过减小x的值(如图 4中切换到达率小于50时，切换业务阻塞率一直维持较低的水平)来提高效益，但这会大大提高新业务的阻塞率，因此总阻塞率也会随着切换业务到达率的增加而增加；当切换业务到达率超过50时，所提接入控制将全部带宽资源都分配给切换业务，因此其总阻塞率随着切换业务的增加会先趋于平缓后迅速增加并最终与另外2种接入控制的总阻塞率汇合.
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图 4 切换业务的阻塞率与到达率的关系 |
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图 5 总阻塞率与切换业务到达率的关系 |
图 6示出了W=11 Mbit/s时总效益与切换业务到达率的关系：1) 系统能接纳的业务数一定，随着切换业务到达率增加，其阻塞率也增加，故对收益的惩罚也增加，因此PTOEB接入控制和公平接入控制的总效益下降；2) 当系统带宽相对较充裕时，所提接入控制会通过减小x值来增加对切换业务的带宽分配进而提高总效益；随着切换业务的增加，当全部带宽分配切换业务也不能使总效益到达最大时，此时系统达到所提接入控制调节的极限，切换业务的阻塞率也会增加，故总效益下降.因此随着切换业务的增加总效益会先增加后下降，但所提接入控制的总效益要明显高于另外2种接入控制.
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图 6 总效益与切换业务到达率的关系 |
对移动云计算环境下的用户切换进行了分析，提出了一种基于移动代理的切换机制，并进一步提出保证切换用户可靠通信的接入控制算法，该算法能在保障切换用户通信可靠性的同时最大化移动云计算的效益.该算法是以效益为衡量准则来确定带宽分配，对工程实践具有较强的指导意义.
| [1] | Hoang D T, Niyato D, Wang P. Optimaladm-ission control policy for mobile cloudcomputing hotspot with cloudlet[C]//WCNC 2012. Atlanta:IEEE Press, 2012: 3145-3149. |
| [2] | Zander J. Riding the data tsunami in the cloud: myths and challenges in future wireless access[J].Communications Magazine, IEEE, 2013, 51(3): 145–151. doi: 10.1109/MCOM.2013.6476879 |
| [3] | Otani T, Kobayashi H. System using mobile agents for a next-generation distribution system[J].Power Delivery, IEEE Transactions on, 2013, 28(1): 47–57. doi: 10.1109/TPWRD.2012.2222055 |
| [4] | Ma X, Cao Y, Liu Y, et al. Modeling and performance analysis for soft handoff schemes in CDMA cellular systems[J].Vehicular Technology, IEEE Transactions on, 2006, 55(2): 670–680. doi: 10.1109/TVT.2005.863347 |
| [5] | Kim Y, Ko H, Pack S, et al. Mobility-aware call admission control algorithm with handoff queue in mobile hotspots[J].Vehicular Technology, IEEE Transactions on, 2013(99): 1–1. |
| [6] | Rong B, Qian Y, Lu K, et al. Mobile-agent-based handoff in wireless mesh networks: architecture and call admission control[J].Vehicular Technology, IEEE Transactions on, 2009, 58(8): 4565–4575. doi: 10.1109/TVT.2009.2021062 |
| [7] | Yan Y, Qian Y, Hu R Q. A novel channel probin-g/scanning scheme for secure fast handoff in IEEE 802.11-based wireless networks[C]//GLOBECOM 2011. Houston: IEEE Press, 2011: 1-6. |
| [8] | Fang Y, Zhang Y. Call admission control schemes and performance analysis in wireless mobile networks[J].Vehicular Technology, IEEE Transactions on, 2002, 51(2): 371–382. doi: 10.1109/25.994812 |