基于保護(hù)信道和信道侵占的切換策略研究

姚文貴

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，孝感 432100）

基于保護(hù)信道和信道侵占的切換策略研究

姚文貴

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，孝感 432100）

0 引言

在異構(gòu)分層無線網(wǎng)絡(luò)中，呼叫雙向溢出方案可以在一定程度上降低呼叫的阻塞概率和掉線概率[1,2]。但是這些方案只考慮速度而沒有區(qū)分呼叫業(yè)務(wù)類型，因此各種快速、慢速實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)切換業(yè)務(wù)的QoS在一定程度上就沒有得到保證。

在異構(gòu)分層無線網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)小區(qū)負(fù)載較重時(shí)，應(yīng)該考慮如何盡可能保證切換業(yè)務(wù)不被中斷。Wei 等人提出采用信道侵占技術(shù)來保證實(shí)時(shí)切換業(yè)務(wù)的QoS[3]，但是在分析和仿真時(shí)采用了單一網(wǎng)絡(luò)。而Song則針對(duì)異構(gòu)分層無線系統(tǒng)提出了一種基于保護(hù)信道的切換技術(shù)[4]，保護(hù)信道為實(shí)時(shí)切換呼叫所用，而非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)切換則和所有新呼叫共享其它剩余信道，這樣必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)切換的掉線率比較高。Al-Akaidi和Alani針對(duì)異構(gòu)分層無線網(wǎng)絡(luò)提出了一種呼叫接入控制技術(shù)[5]，采用保護(hù)信道和隊(duì)列緩沖來保證實(shí)時(shí)切換和非實(shí)時(shí)切換業(yè)務(wù)的QoS，但是卻沒有充分利用層間呼叫溢出功能。

本文重點(diǎn)研究了異構(gòu)分層無線網(wǎng)絡(luò)中如何保證各類切換業(yè)務(wù)的QoS。在充分利用層間呼叫雙向溢出的基礎(chǔ)上，提出了一種綜合應(yīng)用保護(hù)信道、隊(duì)列和信道資源侵占的切換策略。該切換策略的主要原理是，為實(shí)時(shí)切換業(yè)務(wù)設(shè)置保護(hù)信道，為非實(shí)時(shí)切換業(yè)務(wù)設(shè)置緩沖隊(duì)列，侵占技術(shù)主要是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)切換若無信道可用就可以侵占正被非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)呼叫使用的信道，被侵占的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)呼叫則進(jìn)入隊(duì)列等待空閑信道。由于正確的移動(dòng)模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的評(píng)估和實(shí)施是很重要的，對(duì)位置更新、域更新、尋呼、用戶登記注冊(cè)、切換決策等也有很大的影響[6]。所以，在仿真實(shí)驗(yàn)中使用了比較符合實(shí)際市區(qū)的移動(dòng)模型[7]，結(jié)果表明該方法可以大大降低快速和慢速實(shí)時(shí)切換呼叫的掉線率，同時(shí)非實(shí)時(shí)切換呼叫的QoS也能得到保證。

1 系統(tǒng)模型

采用兩層小區(qū)系統(tǒng)，上層為宏小區(qū)，下層為微小區(qū)。一個(gè)宏小區(qū)重疊覆蓋N個(gè)微小區(qū)。每個(gè)宏小區(qū)固定分配CM個(gè)信道，微小區(qū)固定分配Cm個(gè)信道。為了保證切換業(yè)務(wù)的QoS，在宏小區(qū)和微小區(qū)中為實(shí)時(shí)切換業(yè)務(wù)設(shè)置保護(hù)信道，宏小區(qū)中保護(hù)信道有CG個(gè)，微小區(qū)中保護(hù)信道有Cg個(gè)；為非實(shí)時(shí)切換業(yè)務(wù)設(shè)置緩沖隊(duì)列，其中宏小區(qū)隊(duì)列長度為QM，微小區(qū)隊(duì)列長度為Qm。

系統(tǒng)中有實(shí)時(shí)語音業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為了簡(jiǎn)化，假設(shè)后面分析中每個(gè)語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)只占用一個(gè)信道。綜合呼叫業(yè)務(wù)類型和速度將業(yè)務(wù)共分為4類，分別是快速語音業(yè)務(wù)、快速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、慢速語音業(yè)務(wù)和慢速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

為了提高整個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)的信道利用率，采用呼叫雙向溢出接入控制技術(shù)[2]。但略有不同的是，在本文策略中快速語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)新呼叫不允許下溢到微小區(qū)，這樣可以盡量減少微小區(qū)中的快速呼叫數(shù)量，從而減少異構(gòu)系統(tǒng)中的切換頻率和切換信令開銷。

微小區(qū)和宏小區(qū)的具體呼叫接入如圖1、圖2所示。

圖1 微小區(qū)呼叫接入示意圖

圖2 宏小區(qū)呼叫接入示意圖

2 性能分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

2.2 微小區(qū)

由于呼叫可以在上層宏小區(qū)和下層微小區(qū)中上下溢出，所以對(duì)微小區(qū)而言，到達(dá)的呼叫流量將由以下幾部分構(gòu)成：

定義微小區(qū)的狀態(tài)為(i，j，x，y，k)，其中i、j、x、y分別表示微小區(qū)中慢速語音呼叫、快速語音呼叫、慢速數(shù)據(jù)呼叫、快速數(shù)據(jù)呼叫占用的信道數(shù)量，k表示隊(duì)列中慢速數(shù)據(jù)切換呼叫的數(shù)量。微小區(qū)的穩(wěn)態(tài)概率為P(i，j，x，y，k)，利用馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型和第2節(jié)介紹的呼叫接入控制方法，可以列出處于不同狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)平衡方程?；谖恼缕拗?，穩(wěn)態(tài)平衡方程不在次贅述。

微小區(qū)中慢速語音和慢速數(shù)據(jù)新呼叫在相同的條件下發(fā)生阻塞，所以概率相同，為

當(dāng)所有的微小區(qū)信道被占用且數(shù)據(jù)隊(duì)列緩沖區(qū)使用完后，慢速語音業(yè)務(wù)切換發(fā)生掉線，概率為

當(dāng)所有的微小區(qū)信道被占用后，快速語音切換呼叫發(fā)生掉線，概率為

2.3 宏小區(qū)

對(duì)宏小區(qū)而言，到達(dá)的呼叫流量不僅有快速語音和數(shù)據(jù)新呼叫、宏小區(qū)之間的快速語音和數(shù)據(jù)切換呼叫，而且還有宏小區(qū)之間的慢速語音和數(shù)據(jù)切換呼叫，以及在微小區(qū)中被阻塞上溢到宏小區(qū)的各種呼叫流量，具體為：

定義宏小區(qū)的狀態(tài)為(i，j，x，y，k)，其中i、j、x、y分別表示宏小區(qū)中快速語音呼叫、慢速語音呼叫、快速數(shù)據(jù)呼叫、慢速數(shù)據(jù)呼叫占用信道的數(shù)量，k表示隊(duì)列中快速數(shù)據(jù)切換呼叫的數(shù)量。宏小區(qū)穩(wěn)態(tài)概率為P(i，j，x，y，k)，為節(jié)省篇幅，穩(wěn)態(tài)平衡方程在此從略。

宏小區(qū)中快速語音、快速數(shù)據(jù)、慢速語音、慢速數(shù)據(jù)新呼叫在相同的條件下發(fā)生阻塞，阻塞概率相等，為

當(dāng)宏小區(qū)無空閑信道且隊(duì)列無空間時(shí)，快速語音業(yè)務(wù)切換發(fā)生掉線，概率為

當(dāng)所有宏小區(qū)信道被占用后，慢速語音切換呼叫發(fā)生掉線，概率為

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真模型

假設(shè)異構(gòu)分層系統(tǒng)由宏小區(qū)網(wǎng)和微小區(qū)網(wǎng)構(gòu)成，宏小區(qū)網(wǎng)由7*7個(gè)宏小區(qū)構(gòu)成，小區(qū)半徑為900m；微小區(qū)網(wǎng)由21*21個(gè)微小區(qū)構(gòu)成，半徑為300m。每個(gè)宏小區(qū)和微小區(qū)固定分配20個(gè)信道，為語音切換預(yù)留1個(gè)保護(hù)信道，隊(duì)列長度為3。宏小區(qū)中快速新呼叫平均到達(dá)率為3～30呼叫/分鐘，微小區(qū)中慢速新呼叫平均到達(dá)率也為3～30呼叫/分鐘。其中，語音呼叫和數(shù)據(jù)呼叫產(chǎn)生的概率都為0.5，且每個(gè)呼叫只占用一個(gè)信道?？焖俸艚泻吐俸艚械某掷m(xù)時(shí)間服從指數(shù)分布，均值為1/μ=120s。采用符合市區(qū)環(huán)境的移動(dòng)模型[12]，呼叫可在十字路口左右拐彎行駛，遇到紅燈要停止等待，有加減速過程。

仿真實(shí)驗(yàn)共有3個(gè)方案。第1個(gè)方案只采用保護(hù)信道技術(shù)，第2個(gè)方案同時(shí)采用了保護(hù)信道和緩沖隊(duì)列技術(shù)，第3個(gè)方案在第2個(gè)方案的基礎(chǔ)上增加了信道侵占技術(shù)。

評(píng)價(jià)算法的主要性能參數(shù)為切換呼叫的掉線率（CDP）和整個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)的信道利用率。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3和圖4反映出，方案3的快速和慢速語音切換呼叫CDP最低，而且和方案1、方案2相差達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)?，方?中增加了信道資源侵占技術(shù)，語音切換在沒有信道可用的情況下，若數(shù)據(jù)切換隊(duì)列中有空間就可以讓正被服務(wù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)入到隊(duì)列中，而空出來的信道可供語音切換使用，這就相當(dāng)于增加了語音切換的預(yù)留保護(hù)信道數(shù)。方案1和方案2比較可看出，方案2在新呼叫到達(dá)率較低時(shí)，語音切換呼叫的CDP比方案1要高，一旦呼叫到達(dá)率比較大時(shí)，方案2的快速和慢速語音切換反而比方案1要低一些。

由于方案1中數(shù)據(jù)切換呼叫和新呼叫共用一部分信道，所以方案1中的數(shù)據(jù)切換呼叫CDP和新呼叫CBP在同一個(gè)量級(jí)上；而方案2和方案3中設(shè)置了數(shù)據(jù)切換隊(duì)列，所以數(shù)據(jù)切換呼叫的CDP將比方案1低很多，為了從圖中看出方案2和方案3的差別，所以在此就不顯示方案1中的數(shù)據(jù)切換呼叫CDP。從圖5和圖6可看出，在方案2的基礎(chǔ)上增加語音切換業(yè)務(wù)侵占數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使用的信道后，數(shù)據(jù)切換呼叫使用的隊(duì)列空間將減少，所以方案3的快速和慢速數(shù)據(jù)切換呼叫CDP比方案2要高，這也正是換取語音切換呼叫CDP顯著降低的代價(jià)。

圖7反映出，使用方案1和方案2時(shí)，整個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)的信道利用率基本相等，方案3的整個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)的信道利用率要略高于方案1和方案2。

4 結(jié)論

本文針對(duì)異構(gòu)分層無線網(wǎng)絡(luò)提出一種基于業(yè)務(wù)QoS保證的切換控制策略，采用保護(hù)信道和信道資源侵占技術(shù)以保證實(shí)時(shí)語音切換業(yè)務(wù)的QoS，設(shè)置的緩沖隊(duì)列則可以保證非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)切換業(yè)務(wù)的QoS。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該切換策略可以大大降低語音切換和數(shù)據(jù)切換的掉線概率，而且整個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)的信道利用率也得到提高。

[1]K.R.Lo,C.J.Chang,C.Chang and C.B.Shung.A QoS-guaranteed fuzzy channel allocation controller for hierarchical cellular systems.IEEE Trans.Veh.Technol.,2000,49(5):1588-1597.

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Research on handoff strategy

YAO Wen-gui

針對(duì)異構(gòu)分層無線網(wǎng)絡(luò)提出了一種保證業(yè)務(wù)QoS的切換策略。該策略在層間呼叫雙向溢出基礎(chǔ)上，為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)切換設(shè)置了保護(hù)信道，為非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)切換設(shè)置了緩沖隊(duì)列。為了進(jìn)一步降低實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)切換的掉線率，還使用了信道侵占技術(shù)，原理是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)切換呼叫可以侵占數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)正在使用的信道資源。仿真結(jié)果表明，提出的切換方法能夠顯著降低各類切換業(yè)務(wù)的掉線率，同時(shí)整個(gè)異構(gòu)分層系統(tǒng)的信道利用率也略有提高。

異構(gòu)分層無線網(wǎng)絡(luò)；切換；服務(wù)質(zhì)量；保護(hù)信道；信道侵占

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.56

2010-03-19

姚文貴（1974－），男，講師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)信息技術(shù)。

TN915

A

1009-0134(2010)06-0172-04