宽带无线访问系统的动态资源预留准入控制方法及装置

摘要

本发明公开了一种宽带无线访问系统的动态资源预留准入控制方法及装置，方法包括：在最小保证带宽以外为每个实时变速率业务预留设定的额外带宽，根据所有实时变速率业务的额外带宽之和得到实时业务预留带宽；设置能保障切换业务接入比率的切换业务预留带宽；根据所述实时业务预留带宽和所述切换业务预留带宽的变化，按照预定的规则得到系统全局预留带宽。本发明能很好地满足实时业务的带宽需求，保证其服务质量，能满足IEEE802.16e系统对移动性的支持，大大提高切换业务的接入比率，保证用户在切换过程中业务连接的持续和畅通。

说明书

技术领域

本发明涉及宽带无线访问技术，特别是涉及宽带无线访问系统中的动态资源预留准入控制方法及装置。

背景技术

长期以来，宽带数据接入中解决“最后一公里”问题主要依赖于有线接入技术，如电缆、数字用户线(xDSL)、光纤等。随着无线通信产业的快速发展，宽带无线接入技术也加入到这一竞争行列来。以IEEE 802.16系列标准为基础的WiMAX(微波存取全球互通)技术，支持固定和移动宽带无线接入，基站覆盖范围数千米量级，为宽带数据接入提供了新的解决方案。

IEEE 802.16e宽带无线访问系统旨在满足快速增长的无线多媒体业务需求。用户业务接入系统时，基站必须监测出该业务是否会对已有的传输业务产生影响，以及进行资源分配，基站需要为高优先权业务预留足够的资源。由于采用面向连接的机制，该系统需要有效的准入控制及相关的资源预留策略来满足多媒体业务的服务质量(Quality of Service，QoS)需求。然而，WiMAX标准中并未给出明确的准入控制和资源预留的解决方案，而是把接入控制、资源预留、流量控制、分组调度等一系列的问题留待开发者来解决。

目前仅有的专门针对IEEE 802.16系统而设计的准入控制策略以各业务的最小保证速率作为准入依据，即只要系统的可用带宽能够满足业务的最小保证速率则该业务就被准许接入系统。在该策略下，随时间变化的实时变速率业务的带宽需求是无法得到保障的，这是因为：实时的变速率业务流通常提供视频、音频类型的应用，这些应用通过在帧级别上不断调整数据传输率来保持稳定的影像、声音品质，因为数据传输率的动态变化很容易超过最小保证速率，如果采用最小保证速率进行判断，就意味着实时的变速率业务的服务品质不能得到满足。此外，该策略由于未考虑到切换业务，所以无法满足支持移动性的IEEE 802.16e系统的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带无线访问系统的动态资源预留准入控制方法及装置，解决现有技术不能满足实时变速率业务的QoS需求，不能满足切换业务QoS需求的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种宽带无线访问系统的动态资源预留准入控制方法，其中，包括如下步骤：

步骤一，在最小保证带宽以外为每个实时变速率业务预留设定的额外带宽，根据所有实时变速率业务的额外带宽之和得到实时业务预留带宽；

步骤二，设置能保障切换业务接入比率的切换业务预留带宽；

步骤三，根据所述实时业务预留带宽和所述切换业务预留带宽的变化，按照预定的规则得到系统全局预留带宽。

上述的方法，其中，所述步骤一中，所述额外带宽小于或等于最大持续速率与最小保证速率的差值。

上述的方法，其中，所述步骤一中，通过如下方式确定所述额外带宽：额外带宽＝β*(MSR-MRR)；其中，MSR表示最大持续速率，MRR表示最小保证速率，β为介于0到1之间的比率因子。

上述的方法，其中，通过如下方式确定所述比率因子β：

其中，

$\delta =\frac{\mathrm{MSR}-\mathrm{MRR}}{\mathrm{MRR}}$

δ_TH是实时变速率业务的带宽变化程度因子δ的阈值，β_reference是根据业务的服务质量需求和目标业务阻塞率来设定的因子。

上述的方法，其中，阈值δ_TH设定为所述宽带无线访问系统中所有带宽变化程度因子δ的平均值。

上述的方法，其中，所述步骤二中，通过如下方式确定所述切换业务预留带宽：

R_hf代表所述切换业务预留带宽，i代表业务类型，E_i，h代表目标小区最多能容纳的业务类型为i的切换服务个数的期望值，A_i，h代表目标小区正在运行的业务类型为i的切换服务的个数，MRR_i代表业务类型为i的业务的最小保证速率。

上述的方法，其中，在如下前提之下确认所述期望值E_i，h：

前提一，各种不同业务类型的切换服务独立产生，并且服从泊松分布；

前提二，业务类型为i的切换服务的带宽保持时间服从独立的负指数分布。

上述的方法，其中，在所述步骤三中，所述预定的规则为：R_m＝max(R_{rt_vbr}，R_hf)；其中R_m表示所述全局预留带宽，R_{rt_vbr}表示所述实时业务预留带宽，R_hf表示所述切换业务预留带宽。

上述的方法，其中，在所述步骤三中，所述预定的规则为：

$R_p=R_{\mathrm{rt}\_\mathrm{vbr}}*\frac{R_{\mathrm{rt}\_\mathrm{vbr}}}{R_{\mathrm{rt}\_\mathrm{vbr}}+R_{\mathrm{hf}}}+R_{\mathrm{hf}}*\frac{R_{\mathrm{hf}}}{R_{\mathrm{rt}\_\mathrm{vbr}}+R_{\mathrm{hf}}}$其中R_p表示所述全局

预留带宽，R_{rt_vbr}表示所述实时业务预留带宽，R_hf表示所述切换业务预留带宽。

为了实现本发明的目的，本发明还提供了一种宽带无线访问系统的动态资源预留准入控制装置，其中，包括：实时业务预留带宽单元，用于：在最小保证带宽以外为每个实时变速率业务预留设定的额外带宽，根据所有实时变速率业务的额外带宽之和得到实时业务预留带宽；切换业务预留带宽单元，用于：设置能保障切换业务接入比率的切换业务预留带宽；全局预留带宽单元，用于：根据所述实时业务预留带宽和所述切换业务预留带宽的变化，按照预定的规则得到系统全局预留带宽。

本发明的优点在于：

1)本发明考虑了实时数据业务的带宽需求变化特征，设置了实时业务预留带宽，该实时业务预留带宽中包括有为了保证实时变速率业务服务品质而设定的除了其最小保证带宽以外的一部分预留带宽，该部分带宽能够满足实时变速率业务的时间敏感性能够适应带宽需求随时间变化的特点。

2)本发明为提高潜在切换业务接入比率设置了切换业务预留带宽，该部分带宽能够防止切换业务因为目标小区带宽资源不足而被强行中止，该预留带宽的计算方法简单具有很大的实用性。

3)本发明中的系统全局预留带宽对实时业务预留带宽和切换业务预留带宽进行调控，随着它们的变化而动态变化。本发明给出了两种调控方法，这两种方法相比传统的准入控制和资源预留方案对系统性能有很大提高，这两个方法之间对于不同的系统性能指标的增益略有不同，可根据具体的系统需求进行选择。

4)本发明能很好地满足实时业务的带宽需求，保证其服务质量；能满足IEEE802.16e系统对移动性的支持，大大提高切换业务的接入比率，保证用户在切换过程中业务连接的持续和畅通；本发明的方法综合考虑了各业务类型特点，因此它能够保证系统中各种业务的QoS需求；因为对资源预留进行了动态调控，所以系统带宽利用率得到很大地提升。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程图。

具体实施方式

本发明为IEEE 802.16e系统设计了一种动态资源预留准入控制方法，该方法中设置了一个系统全局预留带宽用来同时满足实时变速率业务和切换业务的带宽需求。图1为本发明方法的步骤流程图，如图，包括：

步骤101，在最小保证带宽以外为每个实时变速率业务预留设定的额外带宽，根据所有实时变速率业务的额外带宽之和得到实时业务预留带宽；

步骤102，设置能保障切换业务接入比率的切换业务预留带宽；

步骤103，根据所述实时业务预留带宽和所述切换业务预留带宽的变化，按照预定的规则得到系统全局预留带宽。

以下本发明分别对实时业务预留带宽、切换业务预留带宽、全局预留带宽的确定过程进行详细说明。

一、实时业务预留带宽的确定过程。

根据对IEEE 802.16e标准定义的5种业务类型的特性分析，可以发现设计IEEE 802.16e的准入控制方法存在两个难点：其一是估计实时变速率业务的资源预留；其二是减少切换业务的阻塞率。本发明的实时业务预留带宽就是为了解决第一个难点。

为了减少业务的数据丢失率，本发明除了满足业务的最小保证速率(Minimum Reserved Traffic Rate，MRR)之外，还为这些业务在[0，MSR-MRR](其中，MSR表示最大持续速率Maximum Sustained Traffic Rate)范围内额外预留一部分带宽资源。这些额外预留资源的总和就是实时业务预留带宽，记做R_{rt_vbr}：

本发明按如下方式设定β：

其中，

$\delta =\frac{\mathrm{MSR}-\mathrm{MRR}}{\mathrm{MRR}}$

δ_TH是实时变速率业务的带宽变化程度因子δ的阈值，可设为整个IEEE802.16e系统所有δ的平均值；预留带宽比率因子β_reference根据业务的QoS需求和目标业务阻塞率来设定。

二、切换业务预留带宽的确定过程。

本发明通过预留切换业务预留带宽R_hf来减少切换业务的阻塞率。R_hf的计算依据以下假设：

假设一，各种不同业务类型(以下，本发明用i代表任何一种业务类型)的切换服务是独立产生的，并且服从泊松分布，它们具有不同的到达率λ_i，h。

假设二，业务类型i的切换服务的带宽保持时间服从独立的负指数分布，并且具有不同的期望值1/μ_i，h。

目标小区的切换业务到达率λ_i，h有多种计算方法：本发明可以通过目标小区的历史信息获得；也可以通过周期性地查询相邻小区获得目标小区的瞬时切换业务到达率。切换服务的带宽保持时间的期望值1/μ_i，h，可以由目标小区的统计信息获得。

根据以上假设，本发明可以计算出目标小区切换服务个数的期望记做E_i，h，用A_i，h记做当前目标小区正在运行的i类型的切换服务的个数，MRR_i代表业务类型为i的业务的最小保证速率。本发明设定目标小区每一时刻至多能容纳E_i，h个i类型的切换服务数。则系统还能够允许接入(E_i，h-A_i，h)个i类型的切换服务。于是R_hf可以被表示为：

这样，本发明就得到了两部分的预留带宽。

三、全局预留带宽的确定过程。

本发明引入了一个全局的资源预留量R来协调R_{rt_vbr}和R_hf两部分资源，R是R_{rt_vbr}和R_hf的函数，这个函数的定义决定着系统的性能。本发明将动态地分配这个全局的预留资源：通常情况下，这部分资源将尽可能的满足实时变速率业务的带宽需求；当切换服务到达时，这部分资源将用来保证切换服务的正常运行，必要时还可以适当降低实时变速率业务的带宽分配。根据以上考虑，本发明把这个函数定义为取两部分预留资源之中的最大值，这时的R记做R_m，表示为：

R_m＝max(R_{rt_vbr}，R_hf)

这样，即使切换业务所需带宽达到预计的峰值，实时变速率业务也能得到高出最小保证速率(MRR)的速率保证。这种取最大值的方法具有简单直观的特点，但如果能更为准确的设定全局预留会使系统资源利用率得到进一步的提高。因此，本发明可以按照两部分资源的比例对R进行设定，这时的R记做R_p，表示为：

$R_p=R_{\mathrm{rt}\_\mathrm{vbr}}*\frac{R_{\mathrm{rt}\_\mathrm{vbr}}}{R_{\mathrm{rt}\_\mathrm{vbr}}+R_{\mathrm{hf}}}+R_{\mathrm{hf}}*\frac{R_{\mathrm{hf}}}{R_{\mathrm{rt}\_\mathrm{vbr}}+R_{\mathrm{hf}}}$

容易证明R_p是介于R_{rt_vbr}和R_hf的最大值、最小值之间的一个值。按照比例取值考虑了两个自变量在函数中占有的比例，其函数特点使得它在一定程度上平滑了全局预留带宽的取值，因而算法性能更加稳定。性能分析结果表明两种方法都能满足所有业务类型的QoS需求并且使系统带宽利用率得到提升；两种方法由于对全局预留带宽取值方式不同，在不同性能指标的性能增益上略有差异，实际选择上可以根据改善性能的侧重点不同进行选择。

由上可知，本发明提出的动态资源预留准入控制方法的独特性在于它考虑了实时数据业务的带宽需求变化特征，并设置了一个系统全局预留带宽，该全局的预留带宽由两部分组成：

一部分是为了保证实时变速率业务服务品质而设定的除了其最小保证带宽以外的一部分预留带宽，该部分带宽能够满足实时变速率业务时间敏感性和带宽需求随时间变化的特点；

另一部分是为提高潜在切换业务接入比率为其预留的带宽，该部分带宽能够防止切换业务因为目标小区带宽资源不足而被强行中止，该预留带宽的计算方法简单具有很大的实用性。

系统全局预留带宽对这两部分带宽进行调控，随着它们的变化而动态变化。应当注意的是，进行调控的所依据的函数可以有很多种，只要达到既能保证这两部分预留带宽的功能，又能节省总的预留带宽的效果就可以，本发明给出了依据其中的两种函数的两种调控方法，这两种方法相比传统的准入控制和资源预留方案对系统性能有很大提高，这两个方法之间对于不同的系统性能指标的增益略有不同，可根据具体的系统需求进行选择。因此，本发明的主要优点如下：

1)能很好地满足实时业务的带宽需求，保证其服务质量。

2)满足IEEE802.16e系统对移动性的支持，能大大提高切换业务的接入比率，保证用户在切换过程中业务连接的持续和畅通。

3)本发明的方法综合考虑了各业务类型特点，因此它能够保证系统中各种业务的QoS需求。

4)因为对资源预留进行了动态调控，所以系统带宽利用率得到很大地提升。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。