一種新的基于多業(yè)務(wù)的移動通信系統(tǒng)切換策略＊

劉成剛，賈振紅，覃錫忠，盛 磊，陳 麗

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

一種新的基于多業(yè)務(wù)的移動通信系統(tǒng)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(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.中國移動通信集團(tuán)新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 830063)

針對目前移動通信系統(tǒng)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(jī)會。該策略同時考慮了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之間的優(yōu)先級，只有當(dāng)高優(yōu)先級數(shù)據(jù)隊列中的數(shù)據(jù)包為空時，低優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包掉包率的理論公式。與預(yù)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(jìn)入系統(tǒng)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(yōu)先級數(shù)據(jù)的掉包率。

排隊理論；切換；多業(yè)務(wù)；優(yōu)先級；馬爾科夫過程

1 引言

隨著移動通信語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增長，提高系統(tǒng)容量和有限頻譜資源利用率、設(shè)計適合語音和數(shù)據(jù)等多業(yè)務(wù)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(biāo)是切換策略的重要目標(biāo)。

在處理切換呼叫的問題上，很多策略根據(jù)自己的側(cè)重點提出了方法，考慮到實時業(yè)務(wù)比非實時的業(yè)務(wù)擁有更高的優(yōu)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(yōu)先級的策略，采用了保護(hù)信道策略［5］。為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用預(yù)留保護(hù)信道策略［6］。為切換呼叫采用動態(tài)的預(yù)留保護(hù)信道策略［7］。考慮兩種優(yōu)先級，采用可移動邊界保護(hù)策略［8］。

在多業(yè)務(wù)移動通信的切換策略中，不僅要考慮語音業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，考慮切換呼叫的優(yōu)先級，還要考慮不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之間的優(yōu)先級。很多策略［9～12］僅考慮了一種優(yōu)先級或者兩種優(yōu)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(tǒng)承載業(yè)務(wù)量的角度考慮，只有減少新呼叫的阻塞，才能夠提高系統(tǒng)實際承載的業(yè)務(wù)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?；谶@種情況，在多業(yè)務(wù)條件下針對新呼叫阻塞率和切換呼叫掉話率與系統(tǒng)容量的關(guān)系，本文提出了一種新的切換策略，不僅考慮了語音業(yè)務(wù)之間優(yōu)先級，還考慮了不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之間的優(yōu)先級，并制定了相應(yīng)的策略。

本文對新的切換策略進(jìn)行了理論分析，并與可移動邊界策略［4］和預(yù)留信道策略［5］進(jìn)行了對比，給出了數(shù)值分析和仿真結(jié)果。

2 策略描述

系統(tǒng)模型如圖1所示。設(shè)某小區(qū)總信道數(shù)為C，分配給語音呼叫的信道數(shù)為N，分配給數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信道數(shù)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(yōu)先級。為保證切換呼叫的優(yōu)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(yōu)先級，當(dāng)信道中只有第N個信道空閑時，如果此時切換呼叫到達(dá)，切換呼叫可以直接占用該信道；如果此時新呼叫到達(dá)，新呼叫不能夠直接占用該信道，新呼叫將在D這個狀態(tài)延遲，當(dāng)前第N個信道處于空閑狀態(tài)，前N－1個信道均被占用。在延遲時間內(nèi)，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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，根據(jù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)重要性的不同考慮兩種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，分別為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包。當(dāng)一個數(shù)據(jù)包到達(dá)時，如果是高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，存儲在隊列Q2中，如果是低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，存儲在隊列Q1中，當(dāng)數(shù)據(jù)包被傳送后，數(shù)據(jù)包從隊列中刪除，只有當(dāng)隊列Q2中的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包隊列為空時，才能傳輸隊列Q1中的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道（C－N)全忙時，分配給語音業(yè)務(wù)的信道在空閑的時候也可以被數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用。

Figure 1 System model圖1 系統(tǒng)模型

3 系統(tǒng)分析建模

假設(shè)語音呼叫和數(shù)據(jù)包的到達(dá)都服從泊松（Poisson)分布，它們的服務(wù)時間都服從負(fù)指數(shù)分布［13］，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包和高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的等待隊列的最大長度分別為Q1和Q2（Q1＞Q2)，排列規(guī)則為先進(jìn)先出。語音呼叫的到達(dá)率為λ＝λo＋λh，平均服務(wù)時間1/μ＝1/μo＋1/μh，其中λo和μo分別為新呼叫的到達(dá)率和服務(wù)到達(dá)率，λh和μh分別為切換呼叫的到達(dá)率和服務(wù)到達(dá)率。低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的到達(dá)率和高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的到達(dá)率分別為λd1和λd2，分組包長都為均值Ld比特的負(fù)指數(shù)分布。再假設(shè)數(shù)據(jù)包傳輸使用同一種編碼方式，在該編碼方式下每信道的數(shù)據(jù)包傳輸速率都為VdKbit/s，則低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包和高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包分組平均傳輸時長都為1/μd＝Ld/Vd。以狀態(tài)向量（i，j，l，g)表示系統(tǒng)的狀態(tài)，其中i為系統(tǒng)中的切換呼叫數(shù)，j為系統(tǒng)中的新呼叫數(shù)，l為等待隊列Q2中高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包數(shù)，g為系統(tǒng)中總的數(shù)據(jù)包數(shù)。同時，Q1和Q2也表示低優(yōu)先級和高優(yōu)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(tài)的集合，則全部狀態(tài)集為：

由于多維的連續(xù)時間馬爾科夫過程的穩(wěn)態(tài)分布不易求解，并且實際系統(tǒng)中有μd/（μo＋μh)?1，將四維的連續(xù)時間馬爾科夫過程分解為兩個連續(xù)的二維連續(xù)時間馬爾科夫過程［13］，分別為語音呼叫部分和數(shù)據(jù)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(yōu)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(dá)時可以直接占用，新呼叫到達(dá)時，新呼叫需要延遲后再占用信道，系統(tǒng)啟動進(jìn)入D狀態(tài)。在D狀態(tài)時，系統(tǒng)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(tǒng)處于（N－1)狀態(tài)的時間得到了延長，從而降低了系統(tǒng)的切換呼叫掉話率和新呼叫的阻塞率。語音呼叫的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示，狀態(tài)（i，j)中的i和j分別為系統(tǒng)中的切換呼叫數(shù)和新呼叫數(shù)，圖中δ－1＝d，d為新呼叫延遲的時間，狀態(tài)D表示新呼叫處于延遲狀態(tài)，并以到達(dá)率δ到達(dá)狀態(tài)N。如果只考慮新呼叫的情況（圖2中的每一列)，根據(jù)“流入速率＝流出速率”可以寫出穩(wěn)態(tài)時的平衡方程為：

其中，π（x，y)表示系統(tǒng)處于圖2中每一列狀態(tài)（x，y)的穩(wěn)態(tài)概率。

Figure 2 State transition diagram of voice call圖2 語音呼叫的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

令ρo＝λo/μo，ρo為新呼叫的呼叫強(qiáng)度，那么我們可以認(rèn)為新呼叫到達(dá)分別服從ρo的Poisson分布，服務(wù)時間為1的負(fù)指數(shù)分布［14］。每一列前N個狀態(tài)（x，y)的穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)時的平衡方程，令ρh＝λh/μh，ρh為切換呼叫的呼叫強(qiáng)度，那么我們可以認(rèn)為切換呼叫到達(dá)分別服從ρh的Poisson分布，服務(wù)時間為1的負(fù)指數(shù)分布［14］。每一行（N＋1)個狀態(tài)（x，y)的穩(wěn)態(tài)概率為：

當(dāng)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(tài)和切換呼叫（N＋1)個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率：

為獲得狀態(tài)D與狀態(tài)N的穩(wěn)態(tài)概率，列出狀態(tài)D與狀態(tài)N的平衡方程如下：

結(jié)合式（7)可得狀態(tài)D與狀態(tài)N的穩(wěn)態(tài)概率為：

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

3.2 數(shù)據(jù)呼叫部分

當(dāng)系統(tǒng)中語音呼叫占用w（w＝i＋j)個信道時，系統(tǒng)最多可以同時服務(wù)k（k＝C－w)個數(shù)據(jù)呼叫，狀態(tài)（l，g)中的l為等待隊列Q2中高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包數(shù)，g為系統(tǒng)中總的數(shù)據(jù)包數(shù)。數(shù)據(jù)呼叫的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

Figure 3 State transition diagram of data call圖3 數(shù)據(jù)呼叫的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

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

其中π（l，g)是系統(tǒng)處于狀態(tài)（l，g)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。步進(jìn)函數(shù)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(tài)方程，一共有（k＋（Q1＋1)×（Q2＋1))個方程，再加上狀態(tài)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(tài)的穩(wěn)態(tài)解。

低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包掉包率Pd1和高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的掉包率Pd2分別為：

4 仿真結(jié)果與分析

設(shè)小區(qū)總的信道數(shù)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(shù)據(jù)包速率Vd為9.05kbit/s，新語音呼叫到達(dá)率λo為1.34min－1～8.04min－1，切換呼叫到達(dá)率λh為1.66min－1～5.0min－1，新呼叫和切換呼叫的服務(wù)率分別為μo＝0.67min－1，μh＝0.83min－1。使用 Matlab仿真軟件，當(dāng)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(yōu)先級數(shù)據(jù)包掉包率Pd1、高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包掉包率Pd2。預(yù)留信道策略中，為切換呼叫預(yù)留信道r＝3，數(shù)據(jù)呼叫專用信道m(xù)＝4?？梢苿舆吔绮呗灾?，采取傳統(tǒng)分配策略不預(yù)留信道，在語音專用信道空閑時，數(shù)據(jù)呼叫可以占用語音信道，但當(dāng)有語音用戶到達(dá)時，數(shù)據(jù)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(hù)信道策略及可移動邊界策略中，都考慮了不同數(shù)據(jù)類型的優(yōu)先級。仿真實驗結(jié)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(tǒng)處于（N－1)狀態(tài)的時間得到了延長，切換呼叫和新呼叫進(jìn)入系統(tǒng)服務(wù)的概率增加。與僅預(yù)留三個保護(hù)信道策略和可移動邊界策略相比，隨著新呼叫到達(dá)率λo和切換呼叫的到達(dá)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(yù)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(dá)率的關(guān)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(dá)率的關(guān)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(dá)率的關(guān)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(dá)率的關(guān)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(guān)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(guān)系

圖8和圖9中新呼叫的到達(dá)率和服務(wù)率分別為λo＝5.358min－1、μo＝0.67min－1，切換呼叫的到達(dá)率和服務(wù)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(dá)時系統(tǒng)中有空閑信道的概率就會增加，切換呼叫因為有較高的優(yōu)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(dá)時不允許占用系統(tǒng)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(yōu)先級數(shù)據(jù)隊列中的數(shù)據(jù)包為空時，才能在空閑信道傳輸?shù)蛢?yōu)先級數(shù)據(jù)的策略，與低優(yōu)先級數(shù)據(jù)掉話率Pd1相比，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)掉話率Pd2得到很大的改善。

與此同時，在預(yù)留信道策略中由于新呼叫不能夠占用為切換呼叫預(yù)留的信道，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以借用預(yù)留信道，因此預(yù)留信道策略的數(shù)據(jù)包掉包率要低于新切換策略，但在切換呼叫到達(dá)率高的情況下，預(yù)留信道策略中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包掉包率與新呼叫到達(dá)率的關(guān)系

Figure 11 Dropping probability of data packet vs arrival rate of the handoff call圖11 數(shù)據(jù)包掉包率與切換呼叫到達(dá)率的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文提出了一種新的基于多業(yè)務(wù)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(dāng)?shù)难舆t后占用信道而不是直接被阻塞，該策略在允許的范圍內(nèi)讓新呼叫延遲后再占用空閑信道，增加了語音呼叫進(jìn)入系統(tǒng)的概率，降低切換呼叫掉話率的同時改善了新呼叫的服務(wù)質(zhì)量。同時，根據(jù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)重要性的不同進(jìn)行有區(qū)別的服務(wù)，降低了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的掉包率。另外還考慮了切換呼叫和新呼叫的服務(wù)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(wǎng)絡(luò)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(tuán)新疆有限公司研究發(fā)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(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)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.