（通信与信息系统专业论文）分层蜂窝小区系统无线资源管理及相关问题的研究.pdf

韭塞銮亟太堂墁圭堂焦j 金窑虫塞揸墨 中文摘要 摘要：为移动用户提供多种信息业务是未来无线通信网络的主要发展方向。 本论文从提供业务的角度出发，通过无线多业务网络的资源管理问题的研究，给 出了相应的算法及解决方案，包括单层蜂窝网的接入控制、带宽分配等，和双层 蜂窝网的业务建模、动态资源分配策略及其层选策略等问题，主要的工作及创新 点在于： 针对无线网络的多媒体业务，提出了一种呼叫接入控制优化算法( c a c - r a ) ， 此算法通过采用马尔科夫方法，排队论和非线性规划模型，同时解决呼叫允 许控制和资源优化分配问题。提出的利益函数考虑了最大利用资源，同时满 足无线网络各类用户的q o s 要求。引用等效带宽的思想得出c d m a 系统容 量，将提出的c a c - r a 算法应用于c d m a 系统。 针对单业务分层蜂窝网，提出一种层间联合的业务模型( l a y e r - u n i t e d ) 和一种 用户分类建模分析方法( u s e r - c l a s s i f i e d ) ，研究双向溢出策略的双层蜂窝网结 构，用户根据其移动速度进行接入层选择。两种模型将宏小区和微小区相互 结合，考虑上下层的相关性，因此提高了准确度。 研究一种支持多种业务( 语音对话业务和数据流业务) 的分层蜂窝网，在动 态资源分配策略下的网络性能。此动态资源分配策略根据当前的业务负载情 况动态分配数据流业务带宽，并通过双阈值带宽预留( d t b r ) 来保证不同业 务的质量要求( q o s ) 分析网络性能时使用用户分类分析思想生成两个二维 马尔可夫调制的泊松过程( m m p p ) 来描述快速用户业务模型和慢速用户业 务模型。 研究应用动态资源分配策略的多业务分层蜂窝网，在信道共享和信道分割两 种资源分配策略下的网络性能。微小区层作为“热点”小区层嵌入宏小区层 中。使用用户分类分析思想分析多业务蜂窝网的网络性能，生成0 类用户模 型和1 类用户模型。 提出了两种分层小区系统的多业务公平速率分配和层选策略。两种速率分配 策略( 公平速率分配和比例公平速率分配) 综合考虑了信道质量和传输功率 条件和接收台的最小信噪比等。两种速率分配策略考虑到与基站不同距离的 移动台间的公平性的同时最大利用系统资源，提高吞吐量。基于对上下链路 的速率分配策略，相应的提出了前向链路和反向链路的层选策略，使分层小 区的总吞吐量达到最大。除用户速度外，层选策略考虑的因素还有宏小区和 微小区的资源情况。 在蜂窝a dh o e 网络的基础上，提出一种分层蜂窝a dh o e 网结构( h c a ) ，它 融合了分层蜂窝网络( h c s ) 和移动a dh o e 网络( m a n e t ) 两种网络结构。通过 马尔科夫模型对此网络业务量进行分析基础上提出用户的选择策略，满足用 户需求的前提下提高网络容量并达到网络资源的合理利用。 关键词：呼叫接入控制；分层蜂窝网业务建模；动态带宽分配；接入层选择； 马尔可夫过程( m m p p ) ；速度阈值：移动a dh o e 网络( m a n e t ) 。 分类号：t n 9 1 4 a b s t r a c r f u t u r ew i r e l e s sc o n r m u u l c a t i o ns y s t o m s 仃dt op r o v i d e m u l t i s e r v i c e st om o b i l eu s e r 8 n 地d i s s e r t a t i o ns t u d i e so nt h ep r o b l e m so fr 鹤o u r c e m a n a g e m e n to fw i r e l e s sm u l t i - s e r v i c e sn e t w o r k s 。w h i c hi n c l u d ea d m i s s i o nc o n t r o la n d o p t i m a lb a n d 、】l r i d t ha l l o c a t i o no fm u l t i s e r v i c e si no n e - l a y e rc e l l u l a rn e t w o r k s ，r e s o u r c e m a n a g e m e n ta n dl a y e rs e l e c t i o no fm u l t i s e r v i c oh i e r a r c h i c a lw i r e l e s sn e t w o r k s n 坞 m a j o ra c h i e v e m e n t si nt h ed i s s e r t a t i o na r eo u t l i n e da sf o l l o w s m u l t i m e d i at r a f f i ci sc l a s s i 丘e di n t ot w oc l a s s e s ：r e a l t i m et r a f f i ca n dn o nr e a l - t i m e t r a f f i c a no p t i m a lc a ua d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h m ( c a c r a ) i sp r o p o s e dw h i c h m a n a g ec a l la d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) a n do p t i m i z er e s o u r c ea l l o c a t i o n ( r a ) t o g e t h e rb ya d o p t i n gm a r k o vd e c i s i o np r o c e s sa p p r o a c h , q u e u i n gt h e o r ya n d f o r m u l a t i n gan o n l i n e a rp r o g r m m n i n gm o d e l n 坞c a c r as c h e m ei se m p l o y e d i nam u l t i - s e r v i c ec d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nw h i c ht h ec o n c e p to f u l v a l e n tb a n d 们d t hi si n t r o d u c e d 。 an e wg a n e r a lb i d i r e c t i o n a lc a l l - o v e r f l o ws c h e m ef o rat w o - t i o rh c $ w h i c h a l l o w sc a l l st oo v e r f l o wb e t w e e nt h em a c r o c e l l sa n dm i e r o e e i l sa n dl a y e rs e l e c t i o n i nh i e r a r c h i c a la r c h i t e c t u r eb a s e do nt h ev e l o c i t yo f t h em o b i l em a k i n gt h ec a l l s ，i s c o n s i d e r e d i no r d e rt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fs u c hh i e r a r c h i c a ls y s t e m s ，a n l a y e r - u n i t e dm i c r o c c l l ( m a e r o c e l l ) m o d e l a r e d e v e l o p e d c o n s i d e r i n g t h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nm i c r o c e l ll a y e ra n dm a c r o c e l ll a y e r , t h em o d e l si sm o r e p r a c t i c a la n da c c u r a t e ah i e m r c h i c a lc e l l u l a rn e t w o r kc a r r y i n gm u l t i p l es e r v i c ec l a s s e si sc o n s i d e r e d , w h e r ed y n a m i cc h a n n e la s s i g n m e n ti s i m p l e m e n t e d i nt h ed y n a m i cc h a n n e l a s s i g n m e n ts c h e m e , t h eb a n d w i d t ho fd a t as t r e a m i n gs e r v i c e s 啪b ed y n a m i c a l l y a l l o c a t e da c c o r d i n gt ot h eg t r r e n tt r a 伍cl o a d i n gi nt h es y s t e m a n dt h ed i f f e r e n t q u a i i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n tf m md i v e r s ea p p l i c a t i o n si sg u a r a n t e e d t h r o u g hd u a lt h r e s h o l db a n d 诵d t hr e s e r v a t i o n ( 0 3 8 r 、t w ot w o s t a t em a r k o v m o d u l a t e dp o i s s o np r o c e s s ( m m p p ) a r ed e v e l o p e dt oa p p r o x i m a t ef a s tn s o l - s t r a f f i ca n ds l o wn s e i st r a f f i cr e s p e c t i v e l yt h r o u 幽t h ec o n c e p to fu s e r - c l a s s i f l e d ( f a s tu s e ra n ds l o wu s e r ) a n a l y t i e a lm e t h o d t h ep e r f o r m a n c eo fah i e r a r c b i c a lc e l l u l a rn e t w o r kc a r r y i n gm u l t i p i es o r v i c o c l a s s e su n d e rc h a r m e ls h a r i n ga n dc h a n n e lp a r t i t i o n i n g , w h e r ed y n a m i cc h i n e l a s s i g n m e n ti si m p l e m e n t c d ，i sr e s e a r c h e d a m i c r o c e l l 谢t hh i 曲t r a f f i cd e n s i t yi s l o c a t e da tt h ec e n t e ro f t h eh o s tm a c r o c e l l 。t h en s e l - d a s s i f i e da n a l y t i c a lm e t h o d i nw h i c h1 1 8 0 1 8i sc l a s s i f l e dt ou s e r0a n du s e r1 i sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h e s y s t e mp e r f o r m a n c e t w or a t ea l l o c a t i o ns c h e m e s ( f a i rr a t ea l l o c a t i o na n dp r o p o r t i o n a lf a i rr a t e a l l o c a t i o n1a n dl a y e rs e l c c t i o ns o l u t i o n so ft h ef o r w a r da n dr e v e l - s el i n kf o r a d a p t i v em u l t i m e d i as e r v i c e si nh i e r a r c h i c a le e l l u l a rn e t w o r ka r ed e v e l o p e d t w o r a t ea l l o c a t i o ns c h e m e sp r o p o s e di o i n t l ya d a p t st h et r a n s m i t t e dp o w e r , t h e q u a l i t y o fc h a r m e la s s i g n e dt oe a c hm hf o rr e c e i v i n g t r a n s m i t t i n gi t sd a t ab i t s ，a n d t r a n s m i t t e dp o w e rf o rab a s es t a t i o na n dm h s b a s e do nt h et w or a t ea l l o c a t i o n s c h e m e so f f o r w a r da n dr e v e r s el i n ka n dv e l o c i t yo f m h ，l a y e rs e l e c t i o ns o l u t i o n s o ff o r w a r da n dr e v e r s el i n ki n h i e r a r c h i c a lc e l l u l a rn e t w o r ka r ed e v e l o p e d a c c o r d i n g t yt oa c h i e v e 也em a x i m u mo ft h et o t a lt h r o u g h p u ti nh i e r a r c h i c a i c d l u l a rs t r u c t u r e s ( h c s ) ah i e r a r c h i c a ic e l l u a ra dh o ch y b r i dn e t w o r k ( h c a ) i sp r o p o s e d w h i c h i n t e g r a t en e t w o r ka c h i t e c t u r eb o t l lh i e r a r c h i e a ic d i n a rs t r u c t u r e s 珊c s ) a n d m o b i l ea dh 0 0n e t w o r k ( m a n e t ) am a r k o vm o d u l a t e dp o i s s o np r o c e s s ( m m p p ) m o d e li sd e v e l o p e dt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fs u c hh y b r i dn e t w o r k t h ec a p a b i l i t yo ft h en e t w o r ki se n h a n c e da n dt r a f f i co fc o l l u l a xi sb a l a n c e d , t h e r e b ye a l l sb l o c k i n gp r o b a b i l i t ya n df o r c e dt e r m i n a t i o np r o b d b i l i t ya r ed e c l i n e d k e y w o r d s ：c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ；h i e r a r c h i c a lc e l l u l a rs t r u c t u r e s ( h c s ) t r a f f i cm o d e l i n g ；d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ；m a r k o vm o d u l a t e dp o i s s o np r o c e s s ( m m p p ) ；v e l o c i t yt h r e s h o l d ；m o b i l ea dh o en e t w o r k ( m a n e t ) c l a s s n o ：t n 9 1 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名亩1 韵 签字日期：p 年i i b 为1 3 导师签名：；垒0 ；泓 签字日期：y 司年1 1 月；乡日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 萄1 写阮签字日期：切- 7 年f 1 月司日 1 4 l 1 引言 随着无线通信的广泛应用和成本的不断降低，使其由单一的语音业务扩充为 速率不断提高的多种数据业务。随着宽带网络中多业务的开展，业务建模及接入 允许控制、带宽管理、流量控制、资源分配等诸多网络资源管理技术，都是其所 包含的关键问题，解决方案的性能优劣在很大程度上，对网络资源是否能够得到 合理的利用和优化，从而保证呼叫请求的服务质量( q o s ) 有着重要的影响。 为了在c d m a 通信系统中达到提高系统容量的目的，最通用的方法就是采用 小区分裂和小区分区的方法，但在带来系统容量提高的同时会导致快速移动用户 的频繁切换。采用分层小区的结构则可以克服小区分裂和小区分区方法所带来的 这种缺陷在分层小区结构下，快速移动用户在地理覆盖区域较大的上层宏小区 接受服务，以减少快速移动用户在频繁穿越微小区边界时所带来的多次切换分 层蜂窝系统饵c s ) 很好地平衡了增大系统容量与减小切换率两者之间的矛盾；同 时，也可用于解决不同系统之间相互融合的问题，因而h c s 被普遍认为是未来的 一种很有竞争力的蜂窝规划方案。对分层蜂窝系统的层间接入方式及其各种关键 技术的研究，如层间信道分配、层间切换等，必将成为今后技术研究的热点。 本文主要针对无线系统，从传统蜂窝的呼叫接纳控制和带宽分配，分层小区 业务建模及资源分配策略性能等方面进行了研究，并对一种分层蜂窝a dh o e 网结 构( h c a ) 进行描述。 1 1无线资源管理概述 无线资源管理技术是无线移动通信系统中的关键技术之一，它直接关系到通 信系统的性能和移动用户的服务质量，涉及到以下概括介绍的众多相关领域：无线 资源分配、呼叫接纳控制、层选技术、切换技术、功率控制、容量分析、负荷控 制、小区设计、无线传播环境等。目前对于h c s 系统在第三代系统中的研究尚处 于起步阶段，因此迸行分层小区系统的研究是十分有意义和有价值的。 1 1 1 呼叫接纳控制 c d m a 系统能容纳的用户数没有绝对的限制。用户数是由所有上行链路信号 与传播条件( 包含距离和阴影等) 在基站处产生的多址干扰决定的。一个资源有限 的系统，如t d m a 系统和f d m a 系统，提供的信道数是固定的。以话音为主的 g s m 蜂窝系统是一个信道受限系统，所以在g s m 系统中，用以决定是否接受新 呼叫请求的呼叫接纳控制燕略相对比较简单，根据当前可用的信道数来决定接纳 与否。而c d m a 系统，是一个干扰受限系统，它的系统容量是非固定的，有很大 弹性，通常称之为“软容量”；所以每增加一个新呼叫都会增大对系统中现有呼叫的 干扰，从而可能影响到整个系统的容量及已有连接的业务质量。一种好的呼叫控 制策略应该尽量实现两个目标： i 保障已有连接的业务质量，使中断概率保持在既定目标以下。 在保证用户q o s 要求的同时，尽可能多地接纳新呼叫请求，充分利 用无线资源，使小区容量最大化。 因为对空中接口的负荷估计分为上行链路负荷估计和下行链路负荷估计，所 以接纳控制同样分为上行链路和下行链路两种情况。基于不同的负荷估计准则， 上行链路的呼叫接纳控制可以分为以下几类： l基于功率的接纳控制算法z 这又可继续分成两类： a 基于移动台发射功率的上行链路接纳控制算法f i 】( t p c a c ；t r a n s m i t t e d p o w e rb a s e dc a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) = 当新呼叫请求接入时，基站通过一 定功率控制算法迭代计算出包括新呼叫在内的所有呼叫所需要的发射功 率，如果至少有一个移动台需要的发射功率超出限定的最大发射功率，那 么拒绝该呼叫接入。该策略性能与系统所采用的功率控制算法关系紧密， 慎重选择功率控制算法中的迭代次数是至关重要的，如果n 值很大，有助 于对新呼叫接纳后的负荷做出更准确估计，从而可以对n 新呼叫的接纳与 否做出更准确的判断；但较大的值将造成更大的算法延时，增加了实现的 复杂性，所以必须平衡两方面的利益来选择合适的n 值。 b 基于接收功率的上行链路接纳控制算法【i 嗣( r p c a c ：r e c e i v e dp o w e r b a s e dc a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ：如果接入新呼叫，不致使基站天线接收到 的总干扰( 包括热噪声) 超出限定的最大接收功率门限民，( 对增加功 率的估计可以采用导数法或积分法) 那么允许接入新呼叫；否则拒绝新呼 叫接入。r p c a c 通过基站天线接收到的总功率来预测小区的拥塞程度， 1 2 同时可以为切换呼叫预留资源。相比t p c a c ，r p c a c 能改善系统性能， 而且更易于扩展应用到多业务环境。 c基于吞吐量的接纳控制算法嘲：基站估计接纳新呼叫所带来的上行负载因 子增量，如果增量不足以使上行总负载因子超过限定的负载因子门限 ，) ；。，那么请求的新呼叫允许被接纳；否则拒绝新呼叫接入。 1 = 杀一 ( 1 1 ) 1 + ! 峨l ；v 0 r 6 矽为码片速率，r 为新呼叫的比特速率，毛n 0 是新连接要求的业务信干比， ，是新连接的激活因子。 基于上行链路信于比( s i r ：s i g n a l t o i n t e r f e r e n c er a t i o ) 的按纳控 制算法根据s i r 的测量范围不同又分成两种： a 本地策略：系统周期性的测量本地小区的s i r ，对小区预留容量r 进行计 算更新，如果r 0 ，接纳新呼叫请求；否则，拒绝新呼叫请求。 b全局策略：系统不仅需要周期性的测量本小区的s i r ，而且需要周期性地 获取其附近小区( 指对本地小区干扰影响不能忽略的所有外小区) 的s i r 信号( - - 以通过基站间周期性的请求应答方式完成) ；利用获得的小区s i r 信息，计算更新本地小区及附近小区的预留容量r ；如果r 0 ，接纳新 呼叫请求；否则，拒绝新呼叫请求。 针对附近小区预留容量的计算，有两种方式：l 、采用固定小区干扰因子来 计算预留容量，固定干扰因子通过前期仿真获得，使用该方法估计小区间干扰， 不够准确，但方法最简单、快捷。2 、采用小区干扰预测。新呼叫请求不仅要向接 入基站发送接收到的本小区基站的功率，而且需要发送接收到的附近小区基站的 功率，所以利用接收到的新呼叫请求的报告信息以及预先知道的附近基站的额定 发射功率，接入基站能够对增加的额外干扰做出准确的估计，从而计算出更准确 的附近小区预留容量值。 就以上三类呼叫接纳控制策略，基于s i r 的接纳控制算法能对链路负荷提供 最准确的估计，所以该算法性能一般s i r 的接纳控制算法需要更多的参数，尤其 在全局策略下，因此系统的信令交互多于其他两类算法在实际系统中，为保证 移动呼叫通话的持续性，还需要考虑切换呼叫的接纳优先；此外，还需考虑不同 等级业务的接纳等级所以在接纳控制中增添了一些机制以完成此项功能，包括： 信道预留、设置不同接纳概率、为不同种类接入设定不同门限值、或者引入优先 级排队机制。 1 1 。2 信道分配策略 信道分配策略的基本思想和基本目标就是使系统的干扰电平达到最小。根据 不同特点和应用方式，信道分配策略可以分为许多不同种类。根据信道与小区的 关系，可以把信道分配策略分为固定信道分配策略( f c a ) ，动态分配策略( d c a ) 和混合信道分配策略( h c a ) 。f c a 很简单，其不随小区业务量和用户分布的变化 而变化。为了克服的这些弱点，人们提出了d c a 策略。在d c a 中，所用信道都 被放置在信道库中，根据各个小区的需要进行分配。d c a 以高复杂的代价换取信 道分配的灵活性和对小区业务变化的自适应性。然而在较高业务承载条件下，d c a 策略的有效性低于f c a 。为了克服这个缺点，人们又提出了结合f c a 和d c a 两 种策略的h c a 技术。 1 1 3 切换控制 在切换管理中，由于信道质量的恶化和用户的移动性，必须适当地调整当前 的连接。当信道质量恶化时，可以进行蜂窝内切换，将连接转移到同一蜂窝内新 的无线信道上，也可以进行蜂窝间切换，即将移动台的连接转移到相邻蜂窝，而 用户的移动性总是导致蜂窝间切换在以上两种情况下，移动台的连接可以在不 问断与旧基站通信的情况下，连接到新基站，这种切换称为软切换。相反，如果 先间断与前基站的连接，然后再建立与新基站的连接，称为硬切换。当产生切换 时，由网络或者移动台来控制越区切换过程。当使用网络控制或移动台辅助越区 切换时，网络建立一个新连接，在进行重新路由的同时为切换分配新的资源。 1 1 4 功率控制 功率控制是小区无线通信中的一个重要的问题。在f d m a 和t d m a 小区系 统中，有限带宽的频率被划分成一定数量的信道。在这些系统中，只要共信道干 扰是可容忍的，一个小区中的信道能被其它小区重用，每个小区所要求的载干比 1 4 ( c u 水平得到满足一旦执行信道分配，功率控制担当了控制共信道干扰的角色 一个小区的传输功率一方面必须被减小来最小化在其它共信道小区中的干扰，另 一方面必须满足通信的需要。因此，小区系统的容量在有效的功率控制下能达到 最大。在c d m a 小区系统中，功率控制是最重要的问题因为c d m a 系统是仅仅 干扰受限的 1 1 5 容量分析 多址网络的容量定义为在给定质量水平( 包括对精度与可提供的服务的要求) 下，给定时间内平均有多少用户数可得到服务。对常规的频分与时分多址系统( 我 们称之指定时隙系统，因为在此系统的每个小区内，时隙或频率、或两者都是事 先规定的) ，在约一个世纪之前，爱尔兰( e d 锄g ) 对有线话务量就进行过排队论方 面的分析。 1 1 6 负荷控制 无线资源管理的一个重要任务是确保系统不过荷，保持状态稳定。作为无线 资源管理的一个重要组成部分，负荷控制可以使系统避免出现过负荷情形。当出 现过荷以后，需要采取一定的控制措施，使系统很快恢复到正常负荷范围。负荷 控制可以采取以下策略：对于非实时业务，在时隙级，结合闭环功率控制，在上行 方向降低目标信干比门限，在下行方向，基站不响应移动台发来的增加发射功率 命令。在帧级，通过分组调度以及编码方式变化，降低吞吐量，将某些用户切换 到其他的载频或系统中去。对于实时业务，降低用户的传输速率，将某些用户切 换到其他的载频或系统中去，直接释放某些用户的连接 1 1 7 分层蜂窝小区系统 现今无线业务迅速增长而无线带宽有限，人们需要增大蜂窝网的容量，最直 接的方法就是将蜂窝小区不断裂化成更小的微蜂窝小区，使频率复用距离减少， 从而提高单位面积下的网络容量。然而，蜂窝尺寸的减小将导致呼叫切换次数的 增加，尤其是高速移动用户的呼叫很可能会被迫中断。解决这种问题有效方法就 是使用分层蜂窝网络结构。分层小区系统可能包含两层或更多层小区，小区越，j 、 就位于层式结构的越底层，较大的小区用于覆盖较大的区域，同时当较小的小区 负荷过重时，大的小区可为成簇的小小区提供溢出的信道。h c s 有助于提高覆盖 面积，增大系统容量，平衡各层之间的负载，为具有不同移动特性的用户提供服 务。无线资源管理技术是提高系统容量和系统稳定性的根本技术，它主要包括多 址接入技术、呼叫溢出方案、信道分配策略、功率控制技术和切换控制技术等等。 分层蜂窝系统多址接入技术 在t d m a 宏小区微小区网络中。为了避免层闻干扰，在不同层问的频谱分配 一定要正交：微小区和覆盖其上的宏小区一定要选择不同的频率。在微小区层的 频率复用高于宏小区层，因此增大微小区的带宽将提高系统的总容量。但是为了 避免过多的切换( 过多高速用户被分配到微小区) 和过高的切换失败率，也要为 宏小区安排适当的信道，使得大于速度阈值的高速用户接入到宏小区层。 c d m a 系统可以提供更大的容量，但是如果所用小区层均使用相同的频率， 微小区用户需要较大功率来克服上层宏小区的层问干扰，这样在宏小区的覆盖范 围会产生业务盲区。但使用分层蜂窝方案仍提高了系统容量。l s w u 和j k c h u n g 对c d m a 分层蜂窝系统作了全面的性能分析【3 9 1 ，包括层间干扰、系统容量、阻塞 率、业务盲区和功率控制等，其分析结果显示：宏小区的容量由于微小区的层间 干扰而受限，但通过两层小区的功率控制，系统的总容量仍得到重大提高。 另外一种主要趋势就是在多层蜂窝网络中混合不同的接入方式。j g c l i 和 r d g i f l i n 研究了两种混合方式； a 宏小区层使用t d m a ，微小区层使用c d m a 。 b 宏小区层使用c d m a ，微小区层使用t d m a 。 结果显示第二种方案的系统容量比第一种方案大当时相比使用频率正交分 配的网络，这两种网络的层间干扰很大。gj r p o v o y 在同层小区内使用不同的接 入技术来提高系统性能【】。上层小区是频分多址( f d d ) - c d m a 蜂窝系统，下层由 时分多址( t d d ) - c d m a 蜂窝小区覆盖热点区域，因为时分多址( t d d ) - c d m a 基站 比频分多址( f d d ) - c d m a 基站的复杂度低，更能适应非对称高速业务。 1 6 分层蜂窝系统层间呼叫溢出 目前对多层蜂窝系统信道资源分配主要集中在话音业务上，最先提出的是呼 叫一旦接入某个蜂窝层就不再改变的无溢出系统为了降低操作的复杂性，例如 每层的分配资源要动态控制等，每层分配的无线带宽资源固定不变但是由于业 务量动态变化，可能发生本层没有剩余信道但其他层( 上，下层) 还有空余信道的 情况，为了优化频谱利用率，后来又提出了所有呼叫首先接入微蜂窝，当呼叫在 到达微蜂窝时，如果微蜂窝不能服务，则此呼叫可以向宏蜂窝溢出的单向溢出策 略及其类似方案，宏蜂窝此时主要作为微蜂窝的溢出池。在此基础上，又提出了 呼叫可以在宏蜂窝和微蜂窝之问相互溢出的双向溢出系统，此策略更加灵活，但 是分析的复杂性也大大增加，下面分别描述这三种方案。 无呼叫溢出方案 在较早的文献【7 】【8 】中，为每一个呼叫提供接入服务的蜂窝层( s e r v i n g l a y c r ) 不 发生任何改变，例如，快速呼叫一直接受宏蜂窝的服务，而慢速呼叫直接受微 蜂窝服务，直到该呼叫结束。在无呼叫溢出方案中，即使目标蜂窝无可用信道， 系统也不允许快、慢速呼叫在两个蜂窝层间相互溢出。无呼叫溢出方案显然不够 灵活，并且宏蜂窝与微蜂窝相对独立，没有发挥协调作用，因此随后几年又出现 了单向呼叫溢出及类似方案以改进系统性能。 单向呼叫溢出方案 s s r a p p a p o r t 和l h u 考虑了一种特殊系统( 6 2 1 ，即在微蜂窝中无可用信道 时，慢速呼叫可以溢出到宏蜂窝中，但呼叫一旦从较低级别的蜂窝层溢出到较高 级别的蜂窝层后，它将不能返回到较低级别的蜂窝层。在这种系统中，微蜂窝接 受慢速新呼叫和慢速切换呼叫；宏蜂窝在接受快速新呼叫和快速切换呼叫的同时， 还为微蜂窝中溢出的慢速呼叫提供接入服务此外，在他们的方案中，切换呼叫 与新呼叫相比具有更高的接入优先权。文献【9 】【l o 】也对类似系统进行了分析。 对于( 切换呼叫) 非优先的方案，d c a l i n 和d z e g h l a c h e 在文献 2 5 】中提出了 相应的单向呼叫溢出分析模型。c c h a n g 和k l 对采用了不同排队策略的系统 进行了性能分析【嘲，即系统中无可用信道时，新呼叫和切换呼叫在缓冲区内按照 一定规则进行捧队，等待目标蜂窝内信道的释放。同时他们还分析了如何设置缓 冲区的大小以保证系统有较好的性能。不过它们的分析结果表明该方案会在一定 1 7 程度上增加宏蜂窝呼叫流量，最终降低系统对快速呼叫的服务质量。 尽管s h w i e , j s j a n g , b c s h i n 和d h c h o 在单向呼叫溢出方案的基础 上作出了一定改进嗍，但慢速用户的呼叫阻塞概率依然没有得到改善为了避免。 己经溢出到宏蜂窝的慢速呼叫长时间占用宏蜂窝信道，i c m a h e s h w a r i 和a k t u n a r 提出了r e p a c k i n g 的概念i 嘲。它指慢速呼叫t i p 使溢出到宏蜂窝层后，如果条件允许 ( 微蜂窝中有空闲信道) ，也可以返回微蜂窝层中。他们主要对呼叫阻塞概率进行了 近似分析和仿真，而对于另外一个重要参数切换失败概率并没有讨论。事实 上对于用户而言，通话中断比新呼叫阻塞更不能接受。 通过上面的描述，可以看出单向呼叫溢出及其类似方案均存在一定的局限性： 首先没有平等对待快速呼叫和慢速呼叫。这些方案规定慢速呼叫可以占用较多的 信道资源( 包括宏蜂窝信道) ，而快速呼叫却不能使用微蜂窝的信道资源。其次，这 些方案灵活性不够。例如当h c s 中突发了大量的快速呼叫，而宏蜂窝的信道资源 又非常紧张，此时尽管微蜂窝中有空闲信道，这些快速呼叫仍然会被强制中断， 这样既降低了系统的服务质量，也降低了信道的使用效率。 双向呼叫溢出方案 为了弥补上述两种呼叫溢出方案的缺点，k l o c j c h a n g , c c h a n g 和 c b s h u n g 提出了双向呼叫溢出方梨1 1 1 2 1 在此方案中，当宏蜂窝中所有信道被 占用后，为了避免快速移动用户掉话，其通话可以溢出到相应的微蜂窝中：而慢速 呼叫同样也可以溢出到相应的宏蜂窝中。与前两种方案相比，这种方案能在一定 程度上降低呼叫的阻塞和切换失败概率。针对上述文献中对双向呼叫溢出方案主 要通过仿真进行分析，详细的理论推导并不很完善的情况。s h a h 和f a n 等【1 3 】对宏， 微二层蜂窝系统双向溢出呼叫进行了比较全面的理论分析，任何单向溢出呼叫和 双向溢出呼叫均可以作为此分析模型的特殊情况，但是，此文中使用了f c a 固定 信道分配策略，宏微蜂窝均被固定指配一定的信道，呼叫可以从宏蜂窝溢出到微 蜂窝，也可以从微蜂窝溢出到宏蜂窝。此分析仅集中在宏微二层蜂窝系统模型上， 没有对多层蜂窝系统的各层( 如顶层，中间层，底层等) 进行性能分析。 现在仍然比较有许多人推崇单项溢出方案的理由主要有两个第一个原因就 是双向溢出方案操作的复杂性和占用大量资源的信号负荷。另一个原因就是，原 本应分配到高层小区的快速用户如果接入下层小区会引起大量的切换操作，提高 切换呼叫中断率 分层蜂窝系统动态信道分配策略 为了提高频谱利用率和系统服务质量( q o s ) ，在传统的单层小区系统中有用 许多资源分配技术，例如动态信道分配策略( d c a ) 和小区间重叠区域的信道充 分配策略。这些技术同样可应用到多层蜂窝系统。s m a r a n o 和c m a s n - o i a n n i 在微 小区层应用了信道分配策略，在微小区间的重叠区域根据信号强度和小区负载来 重新选择接入小区，除了改善呼叫阻塞和中断率外，还有利于使用户保持在适当 的小区层。 不同溢出方案下的信道分配也不同。例如，双向溢出方案下的用户可以灵活 接入多层小区，只要根据各层业务量简单分配信道资源即可。然而在单向溢出网 络中，带宽分配就要复杂些例如，在宏小区微小区双层蜂窝网中，用户只能从 下层向上层溢出，呼叫只有在宏小区中可能被阻塞，因此在宏小区业务量在某范 围内，适当增大宏小区带宽分配可以减少呼叫阻塞率和中断率。但是另一方面， 给宏小区分配过多的带宽必将导致微小区的带宽过少，便会产生大量的溢出呼叫， 这又将增大阻塞率和中断率另外，在微小区层的频率复用高于宏小区层，因此 减小微小区的带宽将降低系统的总容量。在文献【1 4 】中，提出了一种在单向溢出方 案下的优化带宽分配策略。在一定的业务质量( q o s ) 限制下，假设在宏小区和微 小区层的频率复用率相同，试验了多种频率分配方案。同样的方法也在【1 5 】中应用， 并且得出虽然为微小区分配更多的信道可以提高网络容量，但考虑到宏小区用户 的服务质量( q o s ) ，存在一种最优的带宽分配点。 分层蜂窝系统呼叫层选问题 目前，随着分层蜂窝系统的实际应用，需要解决的最关键问题就是无线资源 的分层管理。到一个用户到达多层蜂窝系统，首先要选择它的接入层这个过程 称为层选。层选时要考虑众多因素，其中最主要的就是用户的移动速度在实际 网络中用户根据速度估计和逗留时间和标准的比较来进行层选。一个用户也可以 在第一次层选失败后进行重新层选。 用户的移动速度决定了哪一层最适于提供服务。一旦选择了某一层用户将努 1 9 力进入那一层，而如果在合适的层缺少资源，分层小区系统的下一较高层将接受 呼叫。微微小区层服务于室内的环境，通常将在室内环境中工作的人们与微微小 区联系起来；微小区层服务于室内，室外环境，通常将步行者、慢速移动用户的车 辆和微小区联系起来；在微小区和微微小区层上还可以叠加服务于城市室外环境 或边远地区的宏小区层，将快速移动的车辆和宏小区联系起来：最后在r c s 的最顶 端，通信卫星可以覆盖所有地面设备，为由于自然或人工障碍而不能到达的地点 提供服务。因此通常将飞机、轮船与层式结构的最高层联系起来。 然而呼叫用户是属于高速移动用户或是属于低速移动用户并没有清晰的划 分。将两者区分开来的门限有赖于系统的负荷，这一负荷在一天中是可能发生变 化的。通常系统营运者为区分二者而提供的门限主要取决于移动速度的概率密度 函数、建立呼叫和切换的时间、小区的半径。以速度为参考的分层小区系统成功 的用户分类有助于减少各小区层呼叫的强迫中断和基站控制器( b s c ) 之间的信令 负载，改善各小区层的信道利用率。最常用的允许溢出的双层小区系统( 只包含微 小区层和宏小区层) 的用户分类( 通常只考虑高速用户和低速用户) 应按照运行中 的现实情况来决定，某一特定小区层内的用户类型在本质上区别于另一小区层内 的用户类型。 根据用户速度进行层选。要想确定用户速度后合适的选择接入层，分层网络 必须有一定的速度标准进行比较。高于此速度阈值的用户为高速用户，被指定接 入高层小区，否则接入下层。分层网络的速度阙值由多种因素决定，例如用户的 移动模型、系统o o s 、系统容量、层间的业务平衡情况和切换率限制等等。较大 的速度阈值可以使更多的用户接入下层小区，成就较大的系统容量，而另一方面。 稍小的速度闽值可以使更多的高速用户接入上层小区，减低切换率。 k l y e u n g 和s n a n d s 研究了双层网络的最优速度阈值【蜘。假设用户速度 分布里三角分布，在一个小区内用户速度保持恒定，同时双层间没有溢出流。基 于上述假设建立分析模型。通过收集移动用户以往的小区逗留时问得出用户速度， 并根据q o s 要求决定速度阈值，然后对两个值进行比较后决定接入层，此策略大 大减小了错误接入率并提高了系统容量。另外还研究了不同的速度阈值和频率分 配方案。并在单个宏小区覆盖多个微小区的情况下，研究了对速度阈值和频率分 配同时进行优化的策略，最大化了系统吞吐量并满足切换呼叫的限制要求 w h u a n g 和v i c b h a r g a v a 研究了保持层间平衡 6 7