基于多業(yè)務(wù)模式的軟切換優(yōu)化算法研究

聶 堯,吳 歡,汪德如

（1.皖西學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,安徽六安237012;2.昆明理工大學(xué)通信工程系,云南昆明 650051）

基于多業(yè)務(wù)模式的軟切換優(yōu)化算法研究

聶 堯1,吳 歡2,汪德如1

（1.皖西學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,安徽六安237012;2.昆明理工大學(xué)通信工程系,云南昆明 650051）

主要針對(duì)現(xiàn)階段CDMA系統(tǒng)中傳統(tǒng)軟切換算法中所存在的問(wèn)題,提出在多業(yè)務(wù)模式下進(jìn)行軟切換算法的優(yōu)化。優(yōu)化算法對(duì)不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)并標(biāo)定優(yōu)先級(jí),兼顧小區(qū)負(fù)載平衡,達(dá)到各小區(qū)之間負(fù)載平衡和資源的合理利用的目的。仿真結(jié)果表明,優(yōu)化算法顯著降低了切換中斷率,提高了系統(tǒng)性能,顯示出較大的優(yōu)越性。

3G;軟切換;多業(yè)務(wù)

自從1979年第一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建立以來(lái),移動(dòng)通信系統(tǒng)經(jīng)歷了翻天覆地的變化[1]（P1-2）[2]（P1-2）?，F(xiàn)階段,我國(guó)的3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)如火如荼,三大運(yùn)營(yíng)商的3G網(wǎng)絡(luò)正在加緊建設(shè),3G用戶(hù)數(shù)量也有了大幅增長(zhǎng)。3G即第三代移動(dòng)通信系統(tǒng),其關(guān)鍵技術(shù)有:多載波調(diào)制、多址技術(shù)、智能天線、信道編碼、功率控制、切換技術(shù)等。其中切換技術(shù)是蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所特有的保證服務(wù)質(zhì)量的重要技術(shù)。切換技術(shù)又可分為硬切換和軟切換,硬切換主要應(yīng)用于2G網(wǎng)絡(luò),而在3G網(wǎng)絡(luò)中主要使用軟切換技術(shù)。在以往對(duì)軟切換技術(shù)的研究中,大多針對(duì)參數(shù)設(shè)置和資源分配問(wèn)題,而對(duì)軟切換的判決準(zhǔn)則問(wèn)題則研究得非常少,而且也只針對(duì)單業(yè)務(wù)而言。本文就是針對(duì)實(shí)際3G網(wǎng)絡(luò)中多種類(lèi)型的業(yè)務(wù),提出了對(duì)現(xiàn)有在CDMA系統(tǒng)中軟切換技術(shù)的優(yōu)化。

1 現(xiàn)有軟切換算法

1.1 軟切換的概念

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,當(dāng)移動(dòng)臺(tái)（MS）在通話(huà)過(guò)程中從一個(gè)基站（BS）覆蓋區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)基站覆蓋區(qū)時(shí),用戶(hù)必須改變?cè)谠^(qū)的通信信道,而將通信業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)接到新小區(qū)以繼續(xù)保持通信,這一過(guò)程稱(chēng)為切換[1]。目前的移動(dòng)通信領(lǐng)域存在著不同類(lèi)型的切換——硬切換、軟切換。硬切換是指移動(dòng)臺(tái)暫時(shí)先斷開(kāi)與原基站聯(lián)系的信道,而后與新的基站建立新的信道。硬切換可能會(huì)在切換過(guò)程中產(chǎn)生掉線影響使用者的正常通信。軟切換[3]是指在切換過(guò)程中,移動(dòng)用戶(hù)始終與原基站和新基站都保持通信鏈路,只有當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在與新基站的小區(qū)建立穩(wěn)定的通信后,才與原基站斷開(kāi)聯(lián)系。

圖1 軟切換過(guò)程

1.2 CDMA系統(tǒng)中典型的軟切換算法

無(wú)優(yōu)先權(quán)的切換策略[3][4]:此切換策略針對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù),新呼叫和切換呼叫的用戶(hù)共享小區(qū)中的S個(gè)信道。無(wú)論何種呼叫到達(dá),如果小區(qū)內(nèi)所有的信道都繁忙,則到達(dá)的呼叫都被系統(tǒng)阻塞。

圖2 無(wú)優(yōu)先權(quán)切換策略

基于信道預(yù)留切換策略[4][5],其又可以細(xì)分為:靜態(tài)資源預(yù)留和動(dòng)態(tài)信道預(yù)留策略。從用戶(hù)的角度講,切換阻塞更讓人討厭。于是人們提出了體現(xiàn)切換呼叫優(yōu)先級(jí)的切換算法——資源預(yù)留策略,也就是通過(guò)信道預(yù)留來(lái)降低切換呼叫到達(dá)時(shí)被拒絕的概率。

圖3 信道預(yù)留切換策略

基于請(qǐng)求排隊(duì)的切換策略[6]:針對(duì)因切換呼叫到達(dá)時(shí)由于系統(tǒng)忙而直接被中斷的狀況,人們提出了對(duì)切換呼叫進(jìn)行請(qǐng)求排隊(duì)的策略,也就是先進(jìn)先出（FIFO）的排隊(duì)策略。當(dāng)切換呼叫到達(dá)時(shí),如果系統(tǒng)存在可以使用的信道,則為其分配信道。反之,如果切換呼叫到達(dá)而系統(tǒng)沒(méi)有存在可以使用的信道時(shí),系統(tǒng)將此切換請(qǐng)求放入排隊(duì)隊(duì)列,移動(dòng)臺(tái)此時(shí)繼續(xù)使用原小區(qū)信道,直到新小區(qū)有空閑信道為止。

圖4 請(qǐng)求排隊(duì)的切換策略

2 基于CDMA系統(tǒng)的多業(yè)務(wù)軟切換算法

2.1 CDMA系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)類(lèi)型

表1 3G業(yè)務(wù)分類(lèi)

3G的業(yè)務(wù)可以從不同的角度進(jìn)行不同的分類(lèi),每種分類(lèi)所屬的各種業(yè)務(wù)是相互交錯(cuò)的。UMTS規(guī)范定義了4種業(yè)務(wù)類(lèi)別,分別是:會(huì)話(huà)類(lèi)業(yè)務(wù)（Conversational）,交互業(yè)務(wù) （Interactive）,流業(yè)務(wù)（Streaming）和背景業(yè)務(wù)（Background）。在本文中,我們按照業(yè)務(wù)的緊急程度將3G下的業(yè)務(wù)分為4類(lèi),其具體特性分別如表1所示。

2.2 系統(tǒng)模型

設(shè)N h、Nn、N d、Nv分別是在第n個(gè)時(shí)期小區(qū)中話(huà)音切換用戶(hù)、話(huà)音新呼用戶(hù)、數(shù)據(jù)用戶(hù)、視頻用戶(hù)的數(shù)目,χh、χn、χd、χv分別是上述用戶(hù)的激活因子。在理想功率控制情況下,基站接收到各移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)具有相同的功率電平S。則對(duì)于小區(qū)的四種業(yè)務(wù)的用戶(hù)移動(dòng)臺(tái)來(lái)講,來(lái)自本小區(qū)的干擾功率分別為[7]:

基站接收到的本小區(qū)總功率和總干擾功率為:

其中NOW為背景噪聲功率,如果忽略NOW,且令PO/P1=π,π表示接收到其他小區(qū)的總功率與接收到本小區(qū)的總功率之比。則

由以上可以得出第k個(gè)用戶(hù)的信噪比為:

其中Rk為用戶(hù)的傳輸速率,χk為其激活因子,W為系統(tǒng)帶寬。

則根據(jù)可得到這四種業(yè)務(wù)的信噪比分別是:

如果定義小區(qū)中某種業(yè)務(wù)的剩余容量是基站在保證小區(qū)內(nèi)用戶(hù)通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上還能接受新用戶(hù)的數(shù)目[8],因此,當(dāng)一個(gè)小區(qū)某一個(gè)時(shí)刻可以接受切換業(yè)務(wù)的移動(dòng)臺(tái)的數(shù)目為Ch,而其上行鏈路信噪比的門(mén)限為V h,則必須保證:

聯(lián)立式（3-9）和式（3-13）可以解得能夠接入切換用戶(hù)的信道容量為:

同理可得接入剩余三種業(yè)務(wù)的信道容量分別為:

其中,Ch、Cn、Cv、Cd的取值分別向下取整。在以往的切換算法中,往往在選擇切換的最佳小區(qū)時(shí)以傳播損耗作為標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行切換。在本切換算法中,綜合考慮小區(qū)的剩余容量和傳播路徑損耗,因此軟切換時(shí)的目標(biāo)小區(qū)為:

圖5 新舊算法比較

其中假設(shè)本文中的視頻源N=1,參考實(shí)際3G系統(tǒng)參數(shù),M的取值為7～14,本文取M=8[9]。

本文使用MA TLAB作為仿真軟件,在仿真中,我們假設(shè)四種業(yè)務(wù)均勻分布并且各業(yè)務(wù)按同樣的到達(dá)率到達(dá),結(jié)果如圖5。從圖5中我們可以看出在假設(shè)的情況下,話(huà)音、視頻、數(shù)據(jù)用戶(hù)的切換中斷率隨著用戶(hù)到達(dá)率的增加而上升,這是由于到達(dá)的用戶(hù)越多,產(chǎn)生的干擾越大,用戶(hù)的切換成功率越低。而對(duì)每一種業(yè)務(wù)而言,優(yōu)化算法的切換中斷率明顯要低于傳統(tǒng)算法,這是由于優(yōu)化算法考慮了小區(qū)負(fù)載,使得業(yè)務(wù)盡可能均勻分配,系統(tǒng)資源分配更加合理,從而提升了網(wǎng)絡(luò)性能。

3 仿真參數(shù)設(shè)定及結(jié)果分析

表2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定[7]

4 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有CDMA系統(tǒng)中多業(yè)務(wù)情況下的軟切換算法的不足,提出了一種新的算法,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明新算法較以往的傳統(tǒng)軟切換算法在多業(yè)務(wù)的情況下有了較大的改進(jìn)。

當(dāng)前,本系統(tǒng)還只是對(duì)幾種業(yè)務(wù)進(jìn)行建模仿真,今后,還要針對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)種類(lèi),加入更多的業(yè)務(wù)模型,以期系統(tǒng)能夠更好地對(duì)實(shí)際CDMA系統(tǒng)進(jìn)行仿真,發(fā)揮更大的作用。

[1]楊大成.Cdma2000技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2000.

[2]彭林,等.第三代移動(dòng)通信技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[3]Tekinay S.,Jabbbari B.Handover and Channel Assignment in Mobile Cellular Networks[J].IEEE Commun Magzine,1991,29（11）:42-46.

[4]Tekinay S.,Jabbari B.A Measurement-based Prioritization Scheme for Handovers in Mobile Cellular Networks [J].IEEE Jounal on Select Areas in Commun,1992,10 （8）:1343-1350.

[5]Hong,D.,and Rappaport S.S.Traffic Model and Performance Analysis for Cellular Mobile Radiotelephone Systems with Prioritized and Non-prioritized Handoff Procedures [J].IEEE Trans.On Vehicular Technology,1986,35（1）: 77-92.

[6]Ebersman Howard G,Tonguz Ozan K.Handoff Ordering Using Signal Prediction Priority Queuing in Personal Communication System[J].IEEE Trans.Veh Tech,1999,48 （1）:20-35.

[7]朱立冬,吳詩(shī)其.多業(yè)務(wù)CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的軟切換研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2002,24（12）:43-46.

[8]肖琨,吳詩(shī)其.一種新的CDMA軟切換算法及其對(duì)軟切換性能的改善[J].通信學(xué)報(bào),2003,24（11）:66-72.

[9]張丹丹,方旭明,朱龍杰.一種新的對(duì)稱(chēng)CDMA系統(tǒng)中非對(duì)稱(chēng)業(yè)務(wù)下的呼叫允許控制策略[J].電子學(xué)報(bào),2006,34 （10）:1745-1751.

Soft Handoff Optimized Algorithm Based on Multi-traffic

NIE Yao1,WU Huan2,WANG De-ru1

（1.Department of Computer Science and Technology,West Anhui University,Lu’an237012,China;2.Department of Communication Engineering,Kunming University of Science and Technology, Kunming650051,China）

This paper focus on soft handoff algorithm optimization for multi-traffic.This algorithm identify the priority by the different types of traffic and could achieve load balance and reasonable use of resources.The simulation results indicate that the optimized algorithm could reduce the transition interruption and imp rove system performance significantly.The algorithm has some theoretical value and significance of engineering practice.

3G;soft-switching;multi-service

TP391.41

A

1009-9735（2010）02-0039-04

2010-03-06

聶堯（1982-）,男,安徽六安人,碩士,助教,研究方向:數(shù)字圖像處理、無(wú)線通信;吳歡（1983-）,女,陜西咸陽(yáng)人,碩士生,研究方向:無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)融合;汪德如（1962-）,男,安徽六安人,皖西學(xué)院副教授,研究方向:信號(hào)處理。