一種TD-SCDMA 集群中的動(dòng)態(tài)信道分配算法

唐 宏，張 艷

（重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

0 引言

隨著 TD－SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的商用，基于TD－SCDMA的第三代數(shù)字集群系統(tǒng)成為了研究熱點(diǎn)。TD－SCDMA的數(shù)字集群是屬于3G移動(dòng)通信的專業(yè)數(shù)字集群系統(tǒng)。它結(jié)合蜂窩技術(shù)，通過對(duì)TDSCDMA技術(shù)的優(yōu)化與融合，提供專業(yè)用戶所需的高性能、大容量的集群業(yè)務(wù)和功能，可持續(xù)發(fā)展能力強(qiáng)。政府、公安、大型事業(yè)部門甚至軍隊(duì)都是集群系統(tǒng)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的集群通信系統(tǒng)容量一般比較小，信道分配方法采用的是固定信道分配，信道利用率較低。我們研究的基于TD－SCDMA的第三代數(shù)字集群通信系統(tǒng)將采用動(dòng)態(tài)信道分配（dynamic channel allocation，DCA）算法，這樣能夠使系統(tǒng)的信道利用率得到有效地提高［1－2］。

TD－SCDMA集群系統(tǒng)的通信方式采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的半雙工的通信方式，下行使用廣播方式通信，將不采用智能天線，下行聽信道沒有功率控制。在集群系統(tǒng)中，一個(gè)下行信道可以被多個(gè)用戶所共享，一般來說同一群組采用同一個(gè)下行信道，這種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式極大地提高了信道利用率。另外，同一個(gè)群組里，每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)說用戶，其余都是聽用戶。當(dāng)通信中的說用戶停止說話時(shí)，各小區(qū)廣播消息告知所有該群組的用戶可以搶占該群組的說話權(quán)，如果多個(gè)小區(qū)有用戶需要搶占說話權(quán)時(shí)，系統(tǒng)分配此說話權(quán)給優(yōu)先級(jí)最高的用戶。

1 可移動(dòng)邊界信道DCA算法

可移動(dòng)邊界（movable boundary，MB）動(dòng)態(tài)信道分配算法是蜂窩系統(tǒng)中的一種比較成熟的基于業(yè)務(wù)分類的快速信道分配算法，其最大優(yōu)點(diǎn)是提高了系統(tǒng)資源的利用率。在MB_DCA算法中，信道分為語音業(yè)務(wù)信道和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道。在業(yè)務(wù)實(shí)施過程中，如果語音業(yè)務(wù)信道空閑且數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)緩沖器隊(duì)列不空時(shí)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以借用空閑語音業(yè)務(wù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;當(dāng)語音呼叫到來時(shí)，可以強(qiáng)占被數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)借用的信道，進(jìn)行語音通信，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)繼續(xù)排隊(duì)等等空閑信道資源。MB_DCA方案如圖1所示。

圖1 可移動(dòng)邊界信道分配算法Fig.1 Movable boundary dynamic channel allocation

圖1中基本資源單位（basic resource unit，BRU）代表擴(kuò)頻因子為16的信道。12.2 kbit/s的語音業(yè)務(wù)需要占用2個(gè)BRU，64 kbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要占用8個(gè)BRU，144 kbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要占用16個(gè)BRU。圖1顯示的是對(duì)稱時(shí)隙模式下的MB_DCA方案，單條鏈路上3個(gè)時(shí)隙中的2個(gè)時(shí)隙分配給語音業(yè)務(wù)，1個(gè)時(shí)隙分配給數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如果緩存器隊(duì)列不為空時(shí)，首先檢查數(shù)據(jù)時(shí)隙是否空閑。如果空閑，將隊(duì)列的第一個(gè)數(shù)據(jù)包取出，進(jìn)行傳輸。否則，檢查語音時(shí)隙是否存在16個(gè)以上的空閑BRU，如果存在，借用語音空閑信道進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸;如果語音時(shí)隙的空閑BRU不足16個(gè)，但是大于8個(gè)，可以借用來傳輸64 kbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。如果空閑BRU不足8個(gè)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)繼續(xù)排隊(duì)，等待空閑信道。當(dāng)語音業(yè)務(wù)到達(dá)，檢查語音信道是否有2個(gè)以上空閑BRU，如果有就可以進(jìn)行通信。否則，檢查是否存在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)借用信道，有的話直接搶占借用信道進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則繼續(xù)排隊(duì)等待空閑信道［3－4］。

2 TD-SCDMA集群系統(tǒng)中的可移動(dòng)邊界算法改進(jìn)

2.1 集群業(yè)務(wù)特點(diǎn)

在集群業(yè)務(wù)中，業(yè)務(wù)分成不同的優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)呼叫將比低優(yōu)先級(jí)呼叫優(yōu)先獲得系統(tǒng)資源。按接入類型來看，最高優(yōu)先級(jí)為集群緊急呼叫，其次是搶占優(yōu)先級(jí)呼叫，優(yōu)先級(jí)最低的是普通集群呼叫。

其中，緊急調(diào)度業(yè)務(wù)是集群系統(tǒng)最重要也是最具特色的業(yè)務(wù)，當(dāng)緊急業(yè)務(wù)到來時(shí)，如果沒有可用空閑信道，它可以搶占其他非緊急業(yè)務(wù)的各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)信道。對(duì)于搶占優(yōu)先級(jí)呼叫，無空閑信道可用時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置搶占比自身優(yōu)先級(jí)更低的普通集群業(yè)務(wù)的信道。

由于集群業(yè)務(wù)的等級(jí)制和可搶斷的特殊性，在信道資源緊張的情況下，特別是高優(yōu)先級(jí)爆發(fā)的時(shí)候，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)不斷的搶占信道必然導(dǎo)致系統(tǒng)中低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)掉話率的增高，甚至一直無法獲得服務(wù)，造成系統(tǒng)性能下降。為了減小低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的掉話率，提高系統(tǒng)的性能，必須對(duì)現(xiàn)有的信道分配算法進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，才能適應(yīng)集群系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.2 排隊(duì)式MB_DCA

不管是蜂窩系統(tǒng)還是集群系統(tǒng)中，通話的突然中斷遠(yuǎn)比推遲短時(shí)間接入更讓人難以接受。綜合考慮集群信道和優(yōu)先級(jí)的特點(diǎn)，本文中我們提出一種排隊(duì)式的MB_DCA（QMB_DCA）算法，基本思想是非緊急調(diào)度業(yè)務(wù)以稍微推遲接入時(shí)間為代價(jià)，來換取中斷率和阻塞率的降低，以提高整個(gè)系統(tǒng)性能［5－6］。

1）當(dāng)有語音業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，按以下流程進(jìn)行信道分配，如圖2所示。

普通語音業(yè)務(wù)和搶占優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)有空閑信道時(shí)直接接入，沒有可用信道時(shí)，分別設(shè)置FIFO排隊(duì)緩沖器，普通語音業(yè)務(wù)超時(shí)時(shí)間為Tc，搶占優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的超時(shí)時(shí)間為Tp，并且有Tc＞Tp。另外，當(dāng)語音信道空閑時(shí)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以借用進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一旦有語音呼叫請(qǐng)求到來，且發(fā)現(xiàn)可用語音信道集合為空，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)立即釋放借用的語音信道，停止在語音信道中的傳輸，繼續(xù)在數(shù)據(jù)緩沖器中排隊(duì)等待。

圖2 新業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)的信道分配流程圖Fig.2 Processing flow of channel allocation when new service arrived

2）在沒有新的業(yè)務(wù)來的時(shí)候，按以下流程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整，如圖3所示。

沒有新業(yè)務(wù)到來時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)檢測是否有空閑信道可以使用，如果有空閑信道，首先讓隊(duì)首的業(yè)務(wù)獲得信道使用權(quán)優(yōu)先滿足高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)。如果沒有空閑信道可以使用，且業(yè)務(wù)排隊(duì)超時(shí)，則按照超時(shí)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)來檢測系統(tǒng)中是否存在比自身優(yōu)先級(jí)更低的業(yè)務(wù)正在使用的信道，如果有就搶占信道。

圖3 無新業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)循環(huán)檢測兩個(gè)語音隊(duì)列Fig.3 Check the two voice queue circularly when no new service arrived

3 仿真與分析

MB_DCA算法與QMB_DCA算法都采用了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可借用空閑語音業(yè)務(wù)的機(jī)制，在語音信道不夠用時(shí)，語音業(yè)務(wù)隨時(shí)可搶占被數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用的語音信道，故2種算法在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸性能上差距不大，為了節(jié)省篇幅，本文只對(duì)語音業(yè)務(wù)性能做仿真分析。此外，緊急呼叫在2個(gè)算法當(dāng)中都有最高優(yōu)先權(quán)，不進(jìn)入隊(duì)列，隨時(shí)可以搶占低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)信道，因此，緊急呼叫的性能也不會(huì)有太大改變。

以上下行時(shí)隙比例為3∶3的對(duì)稱模型的上行鏈路為分析對(duì)象。在上行鏈路為語音業(yè)務(wù)分配2個(gè)時(shí)隙，為語音業(yè)務(wù)固定分配一個(gè)時(shí)隙。語音新呼叫和數(shù)據(jù)分組到達(dá)分布服從Possion分布，語音呼叫持續(xù)時(shí)間和數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)間均服從負(fù)指數(shù)分布。

為了驗(yàn)證本文中我們提出的QMB_DCA算法的性能，將在不同的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達(dá)率下，分別對(duì)MB_DCA算法和QMB_DCA算法進(jìn)行仿真對(duì)比。對(duì)2種算法分別從普通語音業(yè)務(wù)阻塞率、掉話率，搶占優(yōu)先級(jí)語音業(yè)務(wù)阻塞率、掉話率等方面進(jìn)行分析比較。假設(shè)緊急呼叫、搶占優(yōu)先級(jí)呼叫和普通集群用戶呼叫的比例設(shè)定為1∶4∶5（這個(gè)比例根據(jù)不同應(yīng)用場合可能有所不同）。語音業(yè)務(wù)總到達(dá)率取值:0～600 call/h。仿真時(shí)間500 h。搶占優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)排隊(duì)超時(shí)時(shí)間為5 s，普通語音業(yè)務(wù)超時(shí)時(shí)間為10 s。相應(yīng)的仿真圖如圖4所示。

圖4 2種策略的普通語音業(yè)務(wù)掉話率Fig.4 Comparison of drop rate of ordinary service:MB_DCA and QMB_DCA

圖4中，在語音業(yè)務(wù)到達(dá)率超過300 call/h，可以看到QMB_DCA策略的普通語音業(yè)務(wù)的掉話率明顯降低。此時(shí)信道越來越趨于擁擠，如果采用MB_DCA策略新加入的搶占優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)會(huì)隨時(shí)搶占正在通話中的普通語音業(yè)務(wù)的信道，故掉話率大幅度增加。而采用QMB_DCA策略時(shí)，當(dāng)有搶占優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)時(shí)，先進(jìn)入隊(duì)列，等待空閑信道，直到等待超時(shí)才會(huì)去搶占普通語音業(yè)務(wù)信道，所以，QMB_DCA策略的普通語音業(yè)務(wù)的掉話率明顯降低。

圖5中，當(dāng)語音業(yè)務(wù)到達(dá)率超過250 call/h，MB_DCA策略的普通語音業(yè)務(wù)阻塞率明顯升高，這是因?yàn)榇藭r(shí)語音信道已趨于飽和，新到達(dá)的普通語音業(yè)務(wù)無法及時(shí)接入信道，從而造成阻塞，而采用QMB_DCA時(shí)，新到達(dá)的普通語音業(yè)務(wù)會(huì)行進(jìn)行隊(duì)列等待空閑信道，直到超時(shí)才阻塞。

圖5 2種策略的普通語音業(yè)務(wù)的阻塞率Fig.5 Comparison of block rate of ordinary service:MB_DCA and QMB_DCA

采用QMB_DCA時(shí)，緊急業(yè)務(wù)不參與排隊(duì)，而搶占優(yōu)先業(yè)務(wù)掉話只可能是由于緊急業(yè)務(wù)的搶占，QMB_DCA業(yè)務(wù)在搶占優(yōu)先業(yè)務(wù)的掉話率上沒有太大改善，如圖6所示。

圖6 2種策略的搶占優(yōu)先級(jí)語音業(yè)務(wù)的掉話率Fig.6 Comparison of drop rate of preemptive Priority service:MB_DCA and QMB_DCA

從圖7中可以看出，搶占優(yōu)先業(yè)務(wù)的阻塞率有明顯改善，搶占優(yōu)先業(yè)務(wù)阻塞只可能是在信道中全是搶占優(yōu)先業(yè)務(wù)及緊急業(yè)務(wù)的情況下產(chǎn)生。這種情況下如果采用MB_DCA，搶占優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)立即阻塞，而采用QMB_DCA時(shí)，搶占優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)會(huì)先進(jìn)入隊(duì)列等待，等待時(shí)間內(nèi)有概率有業(yè)務(wù)通話結(jié)束，讓出信道給新到達(dá)的業(yè)務(wù)。

圖7 2種策略的搶占優(yōu)先級(jí)語音業(yè)務(wù)的阻塞率Fig.7 Comparison of block rate of preemptive Priority service:MB_DCA and QMB_DCA

4 結(jié)論

通過以上分析和討論可以看出，集群系統(tǒng)在信道使用、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)等方面與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)存在明顯區(qū)別，如果直接采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的信道分配方案會(huì)造成系統(tǒng)的性能降低。采用新的信道分配算法可以較好的滿足TD－SCDMA集群通信的信道分配的要求。新算法采用原算法的信道借用技術(shù)保證較高的信道利用率，同時(shí)考慮集群中緊急調(diào)度業(yè)務(wù)對(duì)信道優(yōu)先占有權(quán)，為普通集群業(yè)務(wù)和搶占優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排隊(duì)處理，盡量降低低優(yōu)先級(jí)用戶的掉話率和阻塞率。仿真結(jié)果也表明，當(dāng)系統(tǒng)業(yè)務(wù)量不大的時(shí)候，由于每類業(yè)務(wù)到達(dá)都可以獲得服務(wù)，新算法和原算法性能區(qū)別不大;在信道資源緊張的情況下，新算法可以有效降低系統(tǒng)中普通集群業(yè)務(wù)的阻塞率和掉話率以及搶占優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的阻塞率。

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