2. 东南大学 移动通信国家重点实验室, 南京 210096
针对异构网络中多业务场景下群组切换时网络拥塞的问题, 提出了阻塞率约束下的多业务群组切换算法.将用户按业务类型进行分类, 为不同业务类型的用户分配以不同的切换优先级.对于处在同一优先级的用户, 在目标切换阻塞率约束条件下, 将这些用户分散到不同的时隙上, 从而避免大量用户同时选择同一个网络的情况.仿真结果表明, 该算法能保证系统的切换阻塞率在可控范围之内, 并且能满足不同业务类型用户的需求.
2. National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University, Nanjing 210096, China
A multi-services group handover algorithm under constraint of blocking probability was proposed to solve the network congestion problem in multi-services heterogeneous networks. Users are assigned with different handover priorities according to their service types, and the handover is controlled under blocking probability constraints for the users with same priority. The proposed algorithm disperses the users into different slots to avoid large amount of users selecting the same network at the same time. Simulation shows that the proposed algorithm can keep the handover blocking probability of the system manageable and meet the quality of service requirements of different services.
随着各种无线接入技术的蓬勃发展，无线通信网络已呈现出异构共存的格局.异构网络中的用户面临的一个基本问题是网络选择，用户密集的环境下，由于无法获知其他用户的选择结果，容易出现大量用户同时选择同一个网络的情况.因而导致该网络的资源被耗尽，乃至网络拥塞以及整个网络系统的性能受损. Cai等[1]通过引入随机时延窗口，将同时到达的切换请求在时隙上分散，从而避免了网络拥塞问题.但是该延迟是随机设置的，若设置过大就会造成切换过程整体时延过大. Lee等[2]采用了调整延迟，虽然可以避免切换时延过大的情况，但只考虑了单业务，不适用于多业务场景.
针对上述问题，笔者提出了阻塞率约束下的多业务群组切换算法，可以有效地避免群组切换中的网络拥塞问题，同时尽可能地减少用户的切换时延，并能满足不同业务类型用户的需求.
1 系统模型用户密集的异构网络环境下，当用户所处的网络环境发生变化时，这些用户会同时触发网络切换.假设用户是根据网络的可用带宽进行网络选择的，由于不能获知其他用户的网络选择结果，会出现大量用户同时选择同一个网络的情况，导致目标网络的可用带宽被耗尽，从而造成网络拥塞[3].本研究旨在解决群组切换中的网络拥塞问题，同时考虑用户的业务类型，满足不同业务类型用户的需求.
在群组切换中，首先对用户按业务类型进行分类，同时分配以不同的切换优先级，用户按照优先级队列依次进行切换[4]，如图 1所示.
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图 1 优先级队列模型 |
通常较高优先级队列中存放实时业务用户，如语音业务用户；而较低优先级队列中存放普通非实时业务用户，如普通数据用户.首先最高优先级队列中的用户进行切换，只有当优先级较高的队列中的用户切换完毕时，较低优先级队列中的用户才会开始切换[5]，这样就可以保证对时延敏感的关键业务不会被延迟切换.
假设当前异构网络环境中有K个网络，记网络k(1≤k≤K)在时隙t上的可用带宽为Ck(t)，用户可以通过网络广播来获知网络的可用带宽.异构网络中存在s种不同类型的业务，相应的优先级队列为S={1, 2, …, s}，各个优先级上的用户数目为Mi(i∈S).
为了避免群组切换中网络拥塞的问题，采用将用户分配到不同的时隙上进行切换的方法.不同优先级的用户需要不同的时隙数目来完成切换，假设优先级i(i∈S)上的Mi个用户需要Ni个时隙完成切换，其中一个时隙t(0≤t≤Ni－1) 上发起切换请求的用户数目为Mi(t).在切换过程中，Mi(t)个用户对应着一定的带宽需求量，若这Mi(t)个用户的带宽需求量超出网络在时隙t上所能提供的可用带宽Ck(t)，就会造成网络阻塞[6]，假设t时隙的切换阻塞率为Pblock(t).为了解决群组切换带来的网络拥塞问题，要将Pblock(t)限制在目标阻塞率约束水平Pblock_th之下，从而可以确定该时隙t上所允许切换的用户数目.确定了该时隙可切换的用户数目之后，这些用户根据每个网络的剩余带宽量来选择网络进行切换.当前优先级上所有用户切换完毕后，下一个优先级的用户按同样的方式进行切换，直至所有用户切换完毕.
2 阻塞率约束下的多业务群组切换算法为了解决群组切换中的网络拥塞问题，同时使得整个切换过程的时延尽可能小，就要在目标阻塞率约束下尽可能地减少各个优先级用户完成切换所需时隙的数目，即
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(1) |
其中Ni为处于同一优先级i的用户完成切换所需的时隙数目.
由于初始时处在同一优先级的用户数目是一个定值Mi，要将处在同一优先级的这Mi个用户分配到Ni个时隙上，显然每个时隙t上分配的用户越多，相应所需的时隙数目Ni就越小.因此在目标阻塞率约束条件下，为每个时隙t上分配尽可能多的用户，就可以使时隙的数目Ni尽可能小，从而得到式(1) 的解，即
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(2) |
在切换过程中，不同业务类型的用户有着不同的带宽需求.不失一般性，假设各个业务类型用户的带宽需求分别为αi.那么，初始时处在同一优先级i的所有用户的总带宽需求量即为Bi=Miαi，时隙t上用户的带宽需求量为Bi(t)=Mi(t)αi.这种情况下，若用户的带宽需求量大于该网络的可用带宽，即Bi(t)>Ck(t)，那么就会造成网络阻塞.
网络阻塞出现在Bi(t)>Ck(t)时，因此网络k出现阻塞的概率可以表示为
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(3) |
保证时隙t的切换阻塞率Pblock(t)在目标约束范围Pblock_th之内，来计算每个时隙内可切换的用户数目，因此首先要求出切换阻塞率Pblock(t)的表达式.
用Psel={P1sel, P2sel, …, PKsel}表示用户选择K个网络中每个网络的概率，同时假设用户是根据网络的可用带宽进行网络选择的.因此，在网络的可用带宽一定的情况下，Psel对于所有业务类型相同的用户都是相等的[7]，可以令Pksel=ΔCk(t)(其中Δ为常数)，同时Psel必须要满足
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(4) |
处在同一优先级的Mi个用户中同时有Mi(t)个用户选择网络k的概率为
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(5) |
因此可以得出切换阻塞率为
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(6) |
每个时隙上分配的用户数目是保证该时隙的切换阻塞率Pblock(t)在约束水平Pblock_th之下确定的.如前文所述，时隙t内的切换用户数目为
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(7) |
Pblock(t)是关于用户数目的非减函数，通过不断递增用户数目，容易得出式(7) 的解Mi*(t).具体求解步骤如下：
1) 初始化参数，得到当前各个网络的可用带宽Ck(t)、当前优先级未切换的用户数目Mi、用户的带宽需求αi，以及目标阻塞率约束值Pblock_th；
2) 根据式(4) 计算用户选择各个网络的概率Psel，令Mi(t)=0；
3) 根据式(6) 计算出当前Mi(t)个用户数目下对应的阻塞率Pblock(t)；
4) 判断Pblock(t)是否满足Pblock(t)≤Pblock_th，若满足，令Mi(t)=Mi(t)+1，转向步骤3)；否则，可以得出式(7) 的解Mi*(t)=Mi(t)-1.
在求出目标阻塞率约束下所允许切换的用户数目Mi*(t)后，在时隙t只让Mi*(t)个用户参与群组切换，那么就可以用最少的时隙数目完成切换，从而得到最小的切换时延.
当前优先级的所有用户切换完毕后，按照优先级队列进行下一个优先级用户的切换.当所有优先级的用户都切换完成时，群组切换过程执行完毕.
3 仿真结果本节将对所研究的阻塞率约束下的多业务群组切换算法(以下简称研究算法)进行仿真，并将文献[2]中采用调整延迟的算法(以下简称对比算法)作为对比.仿真过程中，假设当前区域内有3个可用网络，网络中有2种用户，即实时业务用户和非实时业务用户，并且2种业务类型用户的数目各为50.切换过程中，非实时业务用户带宽需求量可以调节到较低的水平，因此假设2种用户的带宽需求分别为0.5和1，同时要求系统目标阻塞率约束Pblock_th为0.01.
研究算法在区分用户业务类型的基础上，将同时到来的群组切换用户在目标阻塞率约束条件下分散到不同的时隙上，分散效果如图 2所示，其中各个网络的可用带宽为C={20, 30, 40}.
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图 2 分配在不同时隙上的用户数 |
由图 2可以看出，研究算法可以将同时到来的群组切换用户分散到不同的时隙上，同时随着时隙的推移，网络的可用带宽不断减少，因此时隙上分配的切换用户数目也在减少.另外，每个时隙上分配的切换用户数目是在目标阻塞率约束下进行优化的，这将能保证用户可以尽快地切换到目标网络.
图 3给出了在各个网络的可用带宽分别为C={10, 20, 30}和C={20, 30, 40}时，研究算法和对比算法的切换阻塞率随用户数目变化情况的仿真对比.由图 3中曲线可以发现，随着用户数目的增加，网络可用带宽不断减少，因而网络的阻塞率是在不断上升的.而在相同的网络容量下，研究算法的网络切换阻塞率明显低于对比算法的阻塞率.原因在于切换过程中对群组切换用户按业务进行了分类，不同业务的用户有着不同的带宽需求，根据非实时业务的特点，非实时业务用户在切换过程中只需维持其与网络之间的连接即可，因此其带宽需求量可以调节到较低的水平，总的带宽需求量就会降低，从而降低了网络阻塞率.
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图 3 网络切换阻塞率随用户数目的变化对比 |
图 4给出了群组切换中实时业务用户整体切换时延的对比，其中网络的可用带宽为C={20, 30, 40}.
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图 4 群组切换中实时业务用户的切换时延的对比 |
由图 4可以看出，随着群组切换中用户数目的不断增加，实时业务用户的切换时延是不断上升的.同时可以看出，研究算法中的实时业务用户的切换时延明显低于对比算法的切换时延，这是因为研究算法对业务类型不同的群组切换用户进行了分类，实时业务用户得到了较高的切换优先级从而得以优先切换，所以对时延敏感的实时业务用户可以在较短的切换时延内完成切换.
4 结束语为了解决群组切换中网络拥塞的问题，提出了阻塞率约束下的多业务群组切换算法.对同时提出切换请求的用户按业务类型进行分类，并分配以相应的切换优先级，生成优先级队列，用户按优先级队列依次进行切换；处在同一切换优先级的用户，在目标阻塞率约束条件下将被分散到不同的时隙上依次进行网络选择和网络切换.仿真结果表明，所提算法性能明显优于传统的群组切换算法，能有效地避免群组切换中的网络拥塞问题，将切换阻塞率限制在可控范围之内，同时可以尽可能地减少切换时延，并能满足不同业务类型用户的需求.
| [1] | Cai Xuejun, Liu Fang. Network selection for group handover in multi-access networks[C]//2008 IEEE International Conference on Communications(ICC’08). Beijing: IEEE Press, 2008: 2164-2168. |
| [2] | Lee W, Cho D H. Enhanced group handover scheme in multi-access networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2011, 60(5): 2389–2395. doi: 10.1109/TVT.2011.2140386 |
| [3] | Sun Lei, Tian Hui, Zhang Ping. Decision-making models for group vertical handover in vehicular communications[J].Telecommunication Systems, 2012, 50(4): 257–266. doi: 10.1007/s11235-010-9402-3 |
| [4] | Arabnejad H, Barbosa J G. List scheduling algorithm for heterogeneous systems by an optimistic cost table[J].IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 2014, 25(3): 682–694. doi: 10.1109/TPDS.2013.57 |
| [5] | Xhafa A E, Tonguz O K. Dynamic priority queueing of handover calls in wireless networks: an analytical framework[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2004, 22(5): 904–916. doi: 10.1109/JSAC.2004.826927 |
| [6] | Zhang Guoxia, Liu Fuqiang. Optimization network selection for group handover in heterogeneous vehicular network[J].Journal of Computational Information Systems, 2012, 8(1): 379–386. |
| [7] | Qasim N. Global mobility through vertical group handovers in wireless sensor networks[C]//2012 Wireless Telecommunications Symposium (WTS). London: IEEE Press, 2012: 1-7. |