基于TD-SCDMA集群專網(wǎng)的切換新算法研究*

唐 宏，吳財生，何春燕

（重慶郵電大學(xué) 移動通信重點實驗室，重慶 400065）

1 引言

相比于公眾移動通信系統(tǒng)，在集群通信中，下行采用高效的共享信道廣播發(fā)射方式，可以支持更多的群組用戶，提高了通信效率。而TD-SCDMA系統(tǒng)由于采用時分雙工的模式，在3G制式中有最高的頻譜利用率。因此基于集群和TD－SCDMA這兩種技術(shù)的TD-SCDMA集群通信系統(tǒng)的頻譜利用率會更高，這對緩解頻率日益緊張的問題非常重要。

集群通信系統(tǒng)在許多的領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，例如用于政府部門事業(yè)單位工作的指揮調(diào)度，用于公路、鐵路、地鐵、輕軌、航運(yùn)、石油天然氣的輸油輸氣管道等的指揮調(diào)度。采用TD－SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的下一代集群通信技術(shù)對于實現(xiàn)國內(nèi)集群通信的安全性、保密性以及集群產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等具有重要意義[1]。

TD-SCDMA集群可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建設(shè)，在現(xiàn)有業(yè)務(wù)模型的基礎(chǔ)上增加集群業(yè)務(wù)。筆者討論的是TD-SCDMA集群用于專網(wǎng)的情況。

2 TD-SCDMA集群業(yè)務(wù)分析

2.1 TD-SCDMA集群的話音業(yè)務(wù)分類

TD-SCDMA集群通信用戶的業(yè)務(wù)可以大致分為：緊急調(diào)度呼叫業(yè)務(wù)和其他各種優(yōu)先級呼叫業(yè)務(wù)[2]。緊急調(diào)度呼叫是一種特殊的通話組呼叫，具有最高優(yōu)先權(quán)，在信道繁忙時可以中斷正在進(jìn)行的其他呼叫及呼叫請求，使得緊急呼叫能夠得到迅速處理。其他優(yōu)先級呼叫在信道資源忙時可以進(jìn)行排隊，等資源空閑時再接入呼叫，彼此之間不能中斷正在進(jìn)行的通話，因此將這些呼叫統(tǒng)稱為一般呼叫[2]。本文中只考慮TD-SCDMA集群話音業(yè)務(wù)的情況，按照呼叫是新接入呼叫還是切換呼叫，TD-SCDMA集群可以分為4種業(yè)務(wù)，即新呼叫緊急業(yè)務(wù)、切換緊急業(yè)務(wù)、新呼叫一般業(yè)務(wù)和切換一般業(yè)務(wù)。

2.2 TD-SCDMA集群的業(yè)務(wù)模型

TD-SCDMA集群的業(yè)務(wù)模型與其他移動通信的業(yè)務(wù)模型基本相似，但也有特殊的地方。這里設(shè)新呼叫緊急業(yè)務(wù)到達(dá)率為λOE，新呼叫一般業(yè)務(wù)到達(dá)率為λOC，切換緊急業(yè)務(wù)到達(dá)率為λHE，切換一般業(yè)務(wù)到達(dá)率為λHC。緊急呼叫的原服務(wù)小區(qū)信道釋放率為μES，一般呼叫的信道釋放率為μCS。

TD-SCDMA集群通信分為組呼和單呼業(yè)務(wù)，對于單呼，移動臺切換到相鄰小區(qū)時需要重新分配資源，而對于組呼業(yè)務(wù)，如果針對用戶，切換到相鄰小區(qū)時也需要重新分配資源。但組呼聽用戶由于共享下行廣播信道，如果相鄰小區(qū)有該組呼的聽用戶，則不需要重新分配業(yè)務(wù)資源，因此需要定義兩個概率事件，假設(shè)p1為新到達(dá)的一個用戶是組呼聽用戶的概率，p2為用戶到達(dá)該小區(qū)存在該組呼聽用戶的概率，那么p1×p2即為小區(qū)不需要考慮為新到達(dá)用戶分配信道資源的概率。

3 TD-SCDMA集群的切換算法

3.1 TD-SCDMA集群切換的固定信道數(shù)方案[3]

假設(shè)小區(qū)中共有N=（NE+NC）個信道用于語音業(yè)務(wù)，其中NE個信道用于緊急呼叫，NC個信道用于一般呼叫，一般呼叫的隊列長為LQ。信道模型如圖1所示[4]。

用 S=（i，j，k）表示小區(qū)當(dāng)前的信道狀態(tài)，其中 i代表NE中緊急呼叫的數(shù)量，j代表NC中緊急呼叫的數(shù)量，k代表 NC和 LQ中一般呼叫的總數(shù)量。 P（i，j，k）表示小區(qū)當(dāng)前的信道處于狀態(tài)（i，j，k）的概率。采用馬爾可夫過程來分析小區(qū)信道的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，當(dāng)系統(tǒng)模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，則得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移的平衡方程。

利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移平衡方程，再加上概率和為1的條件，通過編程計算出各個穩(wěn)定狀態(tài)的概率，進(jìn)而得到相關(guān)性能指標(biāo)[5-6]。

3.2 TD-SCDMA集群切換的動態(tài)調(diào)整信道數(shù)方案

緊急呼叫由于可以采用強(qiáng)占信道的方法，因此可能導(dǎo)致一般呼叫切換的中斷。為了保證一般切換業(yè)務(wù)的進(jìn)行，小區(qū)信道數(shù)量的設(shè)置需要依據(jù)小區(qū)一般呼叫的負(fù)荷情況來調(diào)整，采用的算法如下：

假設(shè)某小區(qū)一般呼叫的負(fù)荷是ρC，變化量為ΔρC，其相鄰小區(qū)的一般呼叫的總負(fù)荷為ρCA，變化量為ΔρCA。變化的一般呼叫業(yè)務(wù)信道數(shù)ΔNC滿足

式中：NC0-NR≤ΔNC≤NC，ΔNC取不小于 NC0-NR的最小整數(shù)，NR是為該小區(qū)一般呼叫保留的最小信道數(shù)量，NC0是一般呼叫的初始信道數(shù)，NC=N-NC0-ΔNC；w1與w2是兩個比例因子，w1+w2＝1，由于一般呼叫切換業(yè)務(wù)比一般新呼叫業(yè)務(wù)優(yōu)先級更高，所以設(shè)置w2>w1。

4 仿真及分析

4.1 仿真參數(shù)

假設(shè)信道總數(shù)為18，為緊急呼叫預(yù)留的信道數(shù)為6，為緊急呼叫保留的最小信道數(shù)為2，為一般呼叫預(yù)留的信道數(shù)為12，隊列長度為8，緊急呼叫平均通話時間為60 s，一般呼叫平均通話時間為180 s，初始負(fù)荷p為0.6，緊急新呼叫達(dá)到率為0.02×p，緊急呼叫切換達(dá)到率為0.01×p，一般新呼叫達(dá)到率為0.2×p，一般切換呼叫達(dá)到率為0.1×p。因為集群通信主要用于組呼業(yè)務(wù)，所以設(shè)新到達(dá)用戶是組呼聽用戶的概率為p1＝0.8，用戶到達(dá)的該小區(qū)存在該組呼聽用戶的概率為p2=0.6，比例因子w1=0.4，w2＝0.6，NC0=12。

4.2 仿真分析

圖2是用固定信道數(shù)方案和動態(tài)調(diào)整信道數(shù)方案的對比，反映了小區(qū)負(fù)荷與一般呼叫切換中斷概率間關(guān)系的仿真結(jié)果[7]。

從圖2中可以看到，在負(fù)荷較小時，兩種方案的切換中斷概率都接近于0，當(dāng)負(fù)荷增大時，切換中斷概率也隨著增大，但動態(tài)調(diào)整信道數(shù)方案的切換中斷概率的增加明顯慢于固定信道數(shù)方案。

在動態(tài)調(diào)整信道數(shù)方案中，一般呼叫切換中斷概率保持在2%以下，而固定信道數(shù)方案的切換中斷概率最大時超過了7%。為了使一般呼叫切換中斷概率保持在較小范圍，固定信道數(shù)方案需要預(yù)留較大的信道數(shù)以降低高負(fù)荷時的中斷概率，但在負(fù)荷較小時會造成信道利用率降低。動態(tài)調(diào)整信道數(shù)方案克服了以上缺點，依據(jù)負(fù)荷情況通過自適應(yīng)地改變信道數(shù)來保證中斷概率在一定范圍的同時又提高了信道利用率。

5 小結(jié)

采用新的切換算法可以較好地滿足TD-SCDMA集群通信切換的要求，通過動態(tài)地調(diào)整信道數(shù)既保證了切換中斷概率在一個較小的范圍，同時又提高了資源利用率。數(shù)值計算表明，在負(fù)荷較小時，動態(tài)信道數(shù)調(diào)整方案的切換中斷概率與固定信道數(shù)方案很接近，在負(fù)荷較高時，動態(tài)信道數(shù)調(diào)整方案的中斷概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于固定信道數(shù)方案的切換中斷概率。

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