摘要：提出一種在WiMAX系統(tǒng)資源緊張時，使接納率和資源利用率化的呼叫接納控制CAC（Call Admission Control）算法。算法基于經(jīng)濟學(xué)概念，利用基尼系數(shù)（Gini Coefficient,或譯堅尼系數(shù)，是20世紀初意大利經(jīng)濟學(xué)家基尼，根據(jù)勞倫茨曲線所定義的判斷收入分配公平程度的指標。是比例數(shù)值，在0和1之間，是國際上用來綜合考察居民內(nèi)部收入分配差異狀況的一個重要分析指標）給出了接納控制模型，并用修正的sigmoid函數(shù)計算接納概率。根據(jù)接納概率決定是否接納新到業(yè)務(wù)。仿真結(jié)果表明，算法與典型的截止優(yōu)先權(quán)算法相比，在系統(tǒng)繁忙時系統(tǒng)接納率和資源利用率都有較大提高。

　　Wimax無線網(wǎng)絡(luò)中，呼叫接納控制機制是保證服務(wù)質(zhì)量QoS（Quality of Service,服務(wù)質(zhì)量,是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機制, 是用來解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題的一種技術(shù)。在正常情況下，如果網(wǎng)絡(luò)只用于特定的無時間限制的應(yīng)用系統(tǒng)，并不需要QoS，比如Web應(yīng)用，或E-mail設(shè)置等。但是對關(guān)鍵應(yīng)用和多媒體應(yīng)用就十分必要。當網(wǎng)絡(luò)過載或擁塞時，QoS能確保重要業(yè)務(wù)量不受延遲或丟棄，同時保證網(wǎng)絡(luò)的高效運行）的關(guān)鍵。目前已有大量的呼叫接納控制算法被提出，典型的有：利用資源預(yù)留機制切換連接請求的截止優(yōu)先權(quán)方式、新連接按概率接納的分段預(yù)留信道方式。資源預(yù)留機制以提高低優(yōu)先級業(yè)務(wù)拒絕率和降低系統(tǒng)資源利用率為代價，降低高優(yōu)先級的拒絕率，但設(shè)定的預(yù)留資源不能很好地適應(yīng)業(yè)務(wù)量的實時變化。KIMS等提出的基于本地業(yè)務(wù)量的預(yù)測估計自適應(yīng)接納控制算法，不僅復(fù)雜度和代價較高，同時依賴于一定的流量模型，具體實施有一定的困難。Fmanuele、Jiongkuan Hou等分別把價格機制引入到呼叫接納控制機制算法中，有一定的借鑒意義。本文利用經(jīng)濟學(xué)概念，提出了一種基于基尼系數(shù)作為判決準則的呼叫接納控制機制，使系統(tǒng)在繁忙時獲得效率。

    1 Wimax業(yè)務(wù)QoS說明

　　WiMAX系統(tǒng)有詳盡的QoS參數(shù)設(shè)定，但其接納控制等策略則交由設(shè)備提供商自行決定。協(xié)議規(guī)定了4種業(yè)務(wù)流QoS類型：UGS、rtPS、nrtPS、BE,其類型特征如表1所示。發(fā)起端在業(yè)務(wù)流建立時確定流傳輸?shù)娜淌軒抌min和滿意帶寬bmax，業(yè)務(wù)流被接納后實際獲得的帶寬介于bmin和bmax之間，并且可由系統(tǒng)的帶寬分配策略來調(diào)整所獲得帶寬的大小。

　　不同業(yè)務(wù)類型、不同傳輸速率，以及切換連接與新連接的區(qū)別，使同一個系統(tǒng)內(nèi)的服務(wù)類型繁多。接納控制算法要能夠?qū)Ψ倍嗟臉I(yè)務(wù)類型進行統(tǒng)一的判決和管理，以參數(shù)區(qū)分業(yè)務(wù)類型。在優(yōu)先考慮高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的同時又要兼顧所承載業(yè)務(wù)的多樣化，保證各業(yè)務(wù)之間接納的公平性。

　　式（1）模型表示呼叫接納時系統(tǒng)帶寬分配的公平程度。因業(yè)務(wù)流的權(quán)重隨優(yōu)先級的增大呈指數(shù)增長，而高優(yōu)先級業(yè)務(wù)與低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的帶寬要求差距小于其權(quán)重之間的差距，模型將在優(yōu)先接納高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的同時提高低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的接納率，保證各業(yè)務(wù)之間接納的公平性，同時提高系統(tǒng)帶寬利用率。

    2.2 接納控制算法實現(xiàn)

    假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中基站BS（Base Station）已接納的業(yè)務(wù)流數(shù)量為N，它為各業(yè)務(wù)流均預(yù)留其帶寬，帶寬總和為Σbi,max。設(shè)定帶寬門限bth和公平門限Gth時，Gth的設(shè)定需根據(jù)對各時期的基尼系數(shù)進行大量統(tǒng)計，選取合適的基尼系數(shù)作為公平門限。若公平門限設(shè)置過大，則公平門限不起作用，各業(yè)務(wù)的接納率過高，將超過BS所能容納的業(yè)務(wù)數(shù)，使得BS在下行鏈路處理業(yè)務(wù)流的時間增加，各業(yè)務(wù)流延時劇增；若公平門限設(shè)定過小，則BS將對各業(yè)務(wù)流的接納進行嚴格的限制，導(dǎo)致各類業(yè)務(wù)的接納率和帶寬利用率大大降低。對于新到達業(yè)務(wù)流fN+1，設(shè)其申請帶寬為[bN+1,min,bN+1,max],在總帶寬∑bi,max+bN+1,max≥bth時，采用基于基尼系數(shù)的接納控制。接納控制算法流程如圖1所示。

　　仿真通過調(diào)節(jié)負載比例系數(shù)改變業(yè)務(wù)的到達率，以此表征系統(tǒng)資源緊張程度。仿真時將典型的截止優(yōu)先算法（以下簡稱CP算法）與本文提出的帶寬分配公平算法（以下簡稱EDI算法）做比較。

　　如圖2所示，EDI算法的平均帶寬利用率從負載比例系數(shù)為4處開始大于截止優(yōu)先算法的帶寬利用率，且隨著負載的增大，CP算法的帶寬利用率增長緩慢，而EDI算法的帶寬利用率將趨近于100%。這是因為CP算法始終按照帶寬要求進行接納控制并預(yù)留帶寬，且不存在帶寬降級的情況，因此帶寬浪費嚴重，而EDI算法根據(jù)當前資源狀況，一開始為各業(yè)務(wù)預(yù)留帶寬很大，之后逐漸減小以接納更多的業(yè)務(wù)，終每個業(yè)務(wù)的帶寬接近帶寬要求，因而隨著負載的增大其帶寬利用率比CP算法要高很多。

　　從圖3和圖4來看，CP算法的UGS、rtPS、nrtPS業(yè)務(wù)在大負載下，其接納率均遠遠小于EDI算法的各業(yè)務(wù)的接納率，這是因為CP算法在整個接納過程中始終為新到業(yè)務(wù)按照其帶寬要求預(yù)留帶寬，并且在已接納業(yè)務(wù)的總帶寬超過門，只接納高優(yōu)先級業(yè)務(wù)而拒絕低優(yōu)先級業(yè)務(wù)，大大降低了低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的接納率。而EDI算法從每個業(yè)務(wù)的收入出發(fā)，在保證系統(tǒng)帶寬分配公平化的原則下，相對CP算法大大提高了低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的接納率。在系統(tǒng)資源緊張的時候，又能通過帶寬降級，以接納更多業(yè)務(wù)，這就使得各類業(yè)務(wù)的接納率都能有明顯的提升。從圖5和圖6又可看出，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)和低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的接納率的差距大大縮小了，這是因為EDI算法為了保證接納的公平性，對能縮小收入差距的業(yè)務(wù)以較高概率接納，EDI模型中低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的帶寬是的，為了避免帶寬分配差距的拉開，EDI算法將限制高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的接納率，提高低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的接納率，又因為低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的帶寬可調(diào)范圍大，接納后可動態(tài)壓縮其帶寬為其他業(yè)務(wù)服務(wù)，可見接納更多的低優(yōu)先級業(yè)務(wù)從帶寬分配公平的角度和帶寬利用率的角度來看都是有意義的。

　　本文提出的算法可以根據(jù)系統(tǒng)負載的變化和當前的帶寬資源狀況自適應(yīng)地改變接納策略。相比典型的截止優(yōu)先算法，新算法在提高系統(tǒng)平均帶寬利用率的同時，大大提高了低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的接納率，保障系統(tǒng)所接納業(yè)務(wù)之間帶寬分配的公平性，使得系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)多樣化。