一種新的基于多業務的移動通信系統切換策略＊

劉成剛，賈振紅，覃錫忠，盛 磊，陳 麗

（1.新疆大學信息科學與工程學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.中國移動通信集團新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 830063)

一種新的基于多業務的移動通信系統切換策略＊

劉成剛1，賈振紅1，覃錫忠1，盛 磊2，陳 麗2

（1.新疆大學信息科學與工程學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.中國移動通信集團新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 830063)

針對目前移動通信系統大部分信道切換策略中新呼叫阻塞率高的問題，提出了一種新的呼叫延遲切換策略，該策略是讓即將占用最后一個空閑信道的新呼叫短暫延遲后再占用空閑信道，切換呼叫則直接占用空閑信道，縮短了信道被全部占用的時間，增加了新呼叫和切換呼叫占用信道的機會。該策略同時考慮了數據業務之間的優先級，只有當高優先級數據隊列中的數據包為空時，低優先級隊列中的數據包才能夠占用信道。給出了切換呼叫掉話率、新呼叫阻塞率及數據包掉包率的理論公式。與預留信道策略和可移動邊界策略的對比表明，新策略既提高了新呼叫進入系統的概率，又有效降低了切換呼叫的掉話率，同時也減少了高優先級數據的掉包率。

排隊理論；切換；多業務；優先級；馬爾科夫過程

1 引言

隨著移動通信語音和數據業務的快速增長，提高系統容量和有限頻譜資源利用率、設計適合語音和數據等多業務的切換策略一直是研究的熱點［1～3］。改善移動通信的切換呼叫的掉話率和新呼叫的阻塞率這兩個指標是切換策略的重要目標。

在處理切換呼叫的問題上，很多策略根據自己的側重點提出了方法，考慮到實時業務比非實時的業務擁有更高的優先級，采用可移動邊界法［4］。賦予切換呼叫比新呼叫更高的優先級的策略，采用了保護信道策略［5］。為數據業務采用預留保護信道策略［6］。為切換呼叫采用動態的預留保護信道策略［7］。考慮兩種優先級，采用可移動邊界保護策略［8］。

在多業務移動通信的切換策略中，不僅要考慮語音業務的優先級，考慮切換呼叫的優先級，還要考慮不同數據業務之間的優先級。很多策略［9～12］僅考慮了一種優先級或者兩種優先級，并且各種策略都是以新呼叫阻塞率的增加為代價換取切換呼叫掉話率的降低的。但是，從系統承載業務量的角度考慮，只有減少新呼叫的阻塞，才能夠提高系統實際承載的業務量。因此，需要在降低切換呼叫掉話率的同時盡可能地降低新呼叫的阻塞率。基于這種情況，在多業務條件下針對新呼叫阻塞率和切換呼叫掉話率與系統容量的關系，本文提出了一種新的切換策略，不僅考慮了語音業務之間優先級，還考慮了不同數據業務之間的優先級，并制定了相應的策略。

本文對新的切換策略進行了理論分析，并與可移動邊界策略［4］和預留信道策略［5］進行了對比，給出了數值分析和仿真結果。

2 策略描述

系統模型如圖1所示。設某小區總信道數為C，分配給語音呼叫的信道數為N，分配給數據業務的信道數為（C－N)，本文提出的策略中將語音呼叫分為切換呼叫和新呼叫，語音呼叫只能占用信道中前N個信道，同時切換呼叫和新呼叫在前（N－1)個空閑信道中具有相同的優先級。為保證切換呼叫的優先級，切換呼叫在占用第N個空閑信道時比新呼叫具有更高的優先級，當信道中只有第N個信道空閑時，如果此時切換呼叫到達，切換呼叫可以直接占用該信道；如果此時新呼叫到達，新呼叫不能夠直接占用該信道，新呼叫將在D這個狀態延遲，當前第N個信道處于空閑狀態，前N－1個信道均被占用。在延遲時間內，如果前（N－1)個信道中有用戶離開，則新呼叫占用前（N－1)個信道中空閑出來的信道，如果延遲時間到仍然沒有空閑的信道，則新呼叫占用第N個空閑信道。

對于數據業務，根據數據業務重要性的不同考慮兩種數據業務，分別為高優先級數據包和低優先級數據包。當一個數據包到達時，如果是高優先級數據包，存儲在隊列Q2中，如果是低優先級數據包，存儲在隊列Q1中，當數據包被傳送后，數據包從隊列中刪除，只有當隊列Q2中的高優先級數據包隊列為空時，才能傳輸隊列Q1中的低優先級數據包。當數據業務信道（C－N)全忙時，分配給語音業務的信道在空閑的時候也可以被數據業務占用。

Figure 1 System model圖1 系統模型

3 系統分析建模

假設語音呼叫和數據包的到達都服從泊松（Poisson)分布，它們的服務時間都服從負指數分布［13］，低優先級數據包和高優先級數據包的等待隊列的最大長度分別為Q1和Q2（Q1＞Q2)，排列規則為先進先出。語音呼叫的到達率為λ＝λo＋λh，平均服務時間1/μ＝1/μo＋1/μh，其中λo和μo分別為新呼叫的到達率和服務到達率，λh和μh分別為切換呼叫的到達率和服務到達率。低優先級數據包的到達率和高優先級數據包的到達率分別為λd1和λd2，分組包長都為均值Ld比特的負指數分布。再假設數據包傳輸使用同一種編碼方式，在該編碼方式下每信道的數據包傳輸速率都為VdKbit/s，則低優先級數據包和高優先級數據包分組平均傳輸時長都為1/μd＝Ld/Vd。以狀態向量（i，j，l，g)表示系統的狀態，其中i為系統中的切換呼叫數，j為系統中的新呼叫數，l為等待隊列Q2中高優先級數據包數，g為系統中總的數據包數。同時，Q1和Q2也表示低優先級和高優先級隊列的長度，u表示馬爾科夫過程中滿足約束條件的所有狀態的集合，則全部狀態集為：

由于多維的連續時間馬爾科夫過程的穩態分布不易求解，并且實際系統中有μd/（μo＋μh)?1，將四維的連續時間馬爾科夫過程分解為兩個連續的二維連續時間馬爾科夫過程［13］，分別為語音呼叫部分和數據呼叫部分。

3.1 語音呼叫部分

將語音呼叫分為切換呼叫和新呼叫，在前（N－1)個空閑信道中，切換呼叫和新呼叫具有相同的優先級，無論是切換呼叫還是新呼叫，只要信道空閑就可以占用；對于第N個空閑信道，切換呼叫到達時可以直接占用，新呼叫到達時，新呼叫需要延遲后再占用信道，系統啟動進入D狀態。在D狀態時，系統至少有一個信道空閑，減少了所有信道都被占用的時間，系統處于（N－1)狀態的時間得到了延長，從而降低了系統的切換呼叫掉話率和新呼叫的阻塞率。語音呼叫的狀態轉移如圖2所示，狀態（i，j)中的i和j分別為系統中的切換呼叫數和新呼叫數，圖中δ－1＝d，d為新呼叫延遲的時間，狀態D表示新呼叫處于延遲狀態，并以到達率δ到達狀態N。如果只考慮新呼叫的情況（圖2中的每一列)，根據“流入速率＝流出速率”可以寫出穩態時的平衡方程為：

其中，π（x，y)表示系統處于圖2中每一列狀態（x，y)的穩態概率。

Figure 2 State transition diagram of voice call圖2 語音呼叫的狀態轉移圖

令ρo＝λo/μo，ρo為新呼叫的呼叫強度，那么我們可以認為新呼叫到達分別服從ρo的Poisson分布，服務時間為1的負指數分布［14］。每一列前N個狀態（x，y)的穩態概率為：

如果只考慮切換呼叫部分（圖2中每一行)，同樣可寫出穩態時的平衡方程，令ρh＝λh/μh，ρh為切換呼叫的呼叫強度，那么我們可以認為切換呼叫到達分別服從ρh的Poisson分布，服務時間為1的負指數分布［14］。每一行（N＋1)個狀態（x，y)的穩態概率為：

當式（6)中的y ＝0時，則可以獲得π（x，0)，將π（x，0)代入式（5)得新呼叫前N個狀態和切換呼叫（N＋1)個狀態的穩態概率：

為獲得狀態D與狀態N的穩態概率，列出狀態D與狀態N的平衡方程如下：

結合式（7)可得狀態D與狀態N的穩態概率為：

通過求解線性方程得出各個狀態的穩態概率，切換呼叫的掉話率Pd和新呼叫的阻塞率Pb為：

3.2 數據呼叫部分

當系統中語音呼叫占用w（w＝i＋j)個信道時，系統最多可以同時服務k（k＝C－w)個數據呼叫，狀態（l，g)中的l為等待隊列Q2中高優先級數據包數，g為系統中總的數據包數。數據呼叫的狀態轉移圖如圖3所示。

Figure 3 State transition diagram of data call圖3 數據呼叫的狀態轉移圖

通過圖3描述的各個狀態轉移概率圖，可以采用的原則是流量守恒。對每個狀態，令“流入速率＝流出速率”，則可以寫出穩態時的平衡方程為：

其中π（l，g)是系統處于狀態（l，g)的狀態轉移概率。步進函數u（x)在x≥0時為1，在x＜0時為0；δ（x)在x＝0時為1，其它值為0。

對于式（15)和式（16)的狀態方程，一共有（k＋（Q1＋1)×（Q2＋1))個方程，再加上狀態概率的歸一化條件，就可以通過求解線性方程得出各個狀態的穩態解。

低優先級數據包掉包率Pd1和高優先級數據包的掉包率Pd2分別為：

4 仿真結果與分析

設小區總的信道數C＝14，N＝10，Q1＝200，Q2＝10，分組平均包長Ld＝12 000bit，假定采用單一信道編碼方案，數據包速率Vd為9.05kbit/s，新語音呼叫到達率λo為1.34min－1～8.04min－1，切換呼叫到達率λh為1.66min－1～5.0min－1，新呼叫和切換呼叫的服務率分別為μo＝0.67min－1，μh＝0.83min－1。使用 Matlab仿真軟件，當改變λo、λh時，仿真可得新呼叫阻塞率Pb、切換呼叫掉話率Pd與低優先級數據包掉包率Pd1、高優先級數據包掉包率Pd2。預留信道策略中，為切換呼叫預留信道r＝3，數據呼叫專用信道m＝4。可移動邊界策略中，采取傳統分配策略不預留信道，在語音專用信道空閑時，數據呼叫可以占用語音信道，但當有語音用戶到達時，數據呼叫必須立即釋放信道。為方便比較，本文提出的新切換策略和保護信道策略及可移動邊界策略中，都考慮了不同數據類型的優先級。仿真實驗結果如圖4～圖11所示。

從圖4和圖5可以看出，由于本文提出的新切換策略讓新呼叫延遲后再占用空閑信道，縮短了所有信道都被占用的時間，系統處于（N－1)狀態的時間得到了延長，切換呼叫和新呼叫進入系統服務的概率增加。與僅預留三個保護信道策略和可移動邊界策略相比，隨著新呼叫到達率λo和切換呼叫的到達率λh的增加，切換呼叫的掉話率Pd得到很大的改善。

從圖6和圖7可以看出，由于本文提出的新切換策略和可移動邊界策略未預留信道，對新呼叫影響較小，這兩種策略具有較小的阻塞率，新切換策略中新呼叫延遲后獲得空閑信道的概率要大于可移動邊界策略，因此呼叫阻塞率要比可移動邊界策略有所改善。

Figure 4 Dropping probability of handoff call vs arrival rate of the new call圖4 切換呼叫掉話率與新呼叫到達率的關系

Figure 5 Dropping probability of handoff call vs arrival rate of the handoff call圖5 切換呼叫掉話率與切換呼叫到達率的關系

Figure 6 Blocking probability of new call vs arrival rate of the new call圖6 新呼叫阻塞率與新呼叫到達率的關系

Figure 7 Blocking probability of new call vs arrival rate of the handoff call圖7 新呼叫阻塞率與切換呼叫到達率的關系

Figure 8 Dropping probability of handoff call vs the delay time of new call圖8 切換呼叫掉話率與新呼叫延遲時間的關系

Figure 9 Blocking probability of new call vs the delay time of new call圖9 新呼叫阻塞率與新呼叫延遲時間的關系

圖8和圖9中新呼叫的到達率和服務率分別為λo＝5.358min－1、μo＝0.67min－1，切換呼叫的到達率和服務率分別為λh＝4.14min－1、μh＝0.83 min－1。由于采用新切換策略，隨著新呼叫延遲時間的增長，新呼叫和切換呼叫到達時系統中有空閑信道的概率就會增加，切換呼叫因為有較高的優先級能夠立即占用空閑信道，所以切換呼叫的掉話率下降較為明顯，而新呼叫到達時不允許占用系統中的第N個空閑信道，新呼叫的阻塞率隨著延遲時間的增加變化不大。

從圖10和圖11可以看出，本文采用只有在高優先級數據隊列中的數據包為空時，才能在空閑信道傳輸低優先級數據的策略，與低優先級數據掉話率Pd1相比，高優先級數據掉話率Pd2得到很大的改善。

與此同時，在預留信道策略中由于新呼叫不能夠占用為切換呼叫預留的信道，而數據業務可以借用預留信道，因此預留信道策略的數據包掉包率要低于新切換策略，但在切換呼叫到達率高的情況下，預留信道策略中的數據包掉包率會迅速增加。

Figure 10 Dropping probability of data packet vs arrival rate of the new call圖10 數據包掉包率與新呼叫到達率的關系

Figure 11 Dropping probability of data packet vs arrival rate of the handoff call圖11 數據包掉包率與切換呼叫到達率的關系

5 結束語

本文提出了一種新的基于多業務的切換策略。在實際的通信過程中，由于用戶更愿意接受適當的延遲后占用信道而不是直接被阻塞，該策略在允許的范圍內讓新呼叫延遲后再占用空閑信道，增加了語音呼叫進入系統的概率，降低切換呼叫掉話率的同時改善了新呼叫的服務質量。同時，根據數據業務重要性的不同進行有區別的服務，降低了高優先級數據的掉包率。另外還考慮了切換呼叫和新呼叫的服務時間不相同的情況，更能反映實際問題，新切換策略對改善網絡性能具有一定意義。

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A novel handoff strategy based on multi-service in mobile communication systems

LIU Cheng－gang1，JIA Zhen-hong1，QIN Xi-zhong1，SHENG Lei2，CHEN Li2
（1.School of Information Science and Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830046；2.Subsidiary Company of China Mobile in Xinjiang，Urumqi 830063，China)

Aiming at the problem of high blocking probability in many handoff strategies，a novel handoff strategy is proposed to improve the performance of mobile communication systems by adopting some delay to the new calls over the handoff calls when there exists one idle channel.The time is shortened in the busy state.The opportunities of the new call and handoff call to occupy channel are increased.The strategy also takes into account the priority of different data types，and only when the data packet in high－priority data queue is empty，the data packets in general data queue can be transmitted.Expression for the dropping probability of handoff calls and the blocking probability of new calls and the dropping probability of data are derived.Through comparison with the channel reservation strategy and movable boundary strategy，it can be proved that the new handoff strategy provides much better performance improvement by reducing the dropping probability and the blocking probability.

queuing theory；handoff；multi-service；priority；Markov process

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.04.014

2012-12-29；

2013-03-07

中國移動通信集團新疆有限公司研究發展基金項目（XJM2012-01)

通訊地址：830046新疆烏魯木齊市勝利路14號新疆大學信息科學與工程學院

Address：School of Information Science and Engineering，Xinjiang University，14Shengli Rd，Urumqi 830046，Xinjiang，P.R.China

1007-130X（2014)04-0649-06

劉成剛（1987-)，男，河南偃師人，碩士生，研究方向為移動通信。E-mail：Liuchenggang510＠126.com

LIU Cheng－gang，born in 1987，MS candidate，his research interest includes mobile communications.