毕业设计（论文）-无线移动通信系统中基于预留信道的呼叫接入控制.doc

目 录摘 要IIIAbstractV第一章 绪论11.1 移动通信的发展史11.2 第三代移动通信简介31.2.1 我国3G现状31.2.2 第三代移动通信系统结构41.2.3 3G的QOS特点分析51.2.4 电路域业务的QOS特点及数学模型61.3 无线资源管理技术概述71.4 基于预留信道的呼叫接入控制的研究背景71.5 本文的主要研究方向及章节安排8第二章 呼叫接入控制机制的研究112.1 呼叫接入控制的含义112.2 传统预留信道机制122.2.1 新呼叫限制机制132.2.2 截止优先机制132.2.3 严格信道划分机制132.2.4 新呼叫压缩机制142.3 其它呼叫接入控制机制14第三章 系统结构及CAC策略173.1 传统预留信道机制的特点和不足173.2 自适应预留信道机制183.2.1 基于统计的信道再分配机制183.2.2 基于预测的信道再分配机制21第四章 仿真结果比较274.1 基于统计的信道再分配机制274.1.1 小区结构模型274.1.2 呼叫模型274.1.3 仿真结果284.1.4 结论294.2 基于预测的信道再分配机制304.2.1 呼叫模型304.2.2 仿真结果304.3 结论32第五章 总结35参考文献37致谢39附录A 主要符号表41附录B 移动用户切换时间均值的计算43附录C 小区大小的选择45附录D 预留信道机制仿真代码47无线移动通信系统中基于预留信道的呼叫接入控制摘 要随着移动通信业务所涵盖范围的不断扩大和用户数的快速增长，对通信质量和系统容量提出了更高的要求，这使得移动通信系统中有限的无线资源和巨大的使用需求之间的矛盾日渐突出。因此，移动通信系统中的无线资源管理技术备受重视，本文主要对其中的呼叫接入控制CAC技术进行研究分析。本文通过对各种常见的呼叫接入控制机制的简单介绍，针对传统预留信道机制不够灵活，依赖统计数据的缺点提出了改进。文中分别对两种自适应机制的呼叫接入控制进行分析，主要研究系统参数与系统性能的关系。最后通过仿真验证这两种CAC机制可以在对切换呼叫掉话率影响不大的情况下降低新呼叫阻塞率，提高信道利用率。关键词：移动通信，呼叫接入控制，服务质量，阻塞率，预留信道。A New Call Admission Control Scheme in Mobile Networks and Its Performance AnalysisAbstract As mobile communication services covered by the scope of the constantly expanding number of users and the rapid growth of the communications system capacity and quality of a higher demand, which makes mobile communication systems in wireless limited resources and huge demand for the use of the conflict between Increasingly prominent. Therefore, the mobile communication systems in wireless technology much attention to resource management, this paper, which calls on the CAC access control technology for the research and analysis. Based on all the common call of simple access control mechanisms, the channel reserved for the existing mechanisms flexible enough to rely on statistical data to improve the shortcomings. In each of the two access control mechanisms call for analysis, research systems and system performance parameters of the relationship. Finally, digital simulation of these two new CAC mechanism can switch to call Diaohua little effect on the rate of new cases to reduce call blocking rate and improve channel utilization.Key Words-Mobile communication，call admission control，quality of service,，blocking probability,resource allocation.- 55 -第一章 绪论1.1 移动通信的发展史移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1897年，M.G马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里。现代移动通信技术的发展始于本世纪20年代，大致经历了五个发展阶段。第一阶段从本世纪20年代至40年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率为2MHz，到40年代提高到3040MHz可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。 第二阶段从40年代中期至60年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。当时使用三个频道，间隔为120kHz，通信方式为单工，随后，西德(1950年)、法国(1956年)、英国(1959年)等国相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网的容量较小。 第三阶段从60年代中期至70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统(IMTS)，使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具有相同技术水平的B网。可以说，这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频与自动接续。 第四阶段从70年代中期至80年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。1978年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统(AMPS)，建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1983年，首次在芝加哥投入商用。同年12月，在华盛顿也开始启用。之后，服务区域在美国逐渐扩大。到1985年3月已扩展到47个地区，约10万移动用户。其它工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于1979年推出800MHz汽车电话系统(HAMTS)，在东京、大胶、神户等地投入商用。西德于1984年完成C网，频段为450MHz。英国在1985年开发出全地址通信系统(TACS)，首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国，频段为900MHz。法国开发出450系统。加拿大推出450MHz移动电话系统MTS。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT450移动通信网，并投入使用，频段为450MHz。 56210743891111213141516171819 图1.1无线蜂窝网络结构图这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。移动通信大发展的原因，除了用户要求迅猛增加这一主要推动力之外，还有几方面技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，这使得通信设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便电台被不断地推出。其次，提出并形成了移动通信新体制。随着用户数量增加，大区制所能提供的容量很快饱和，这就必须探索新体制。在这方面最重要的突破是贝尔试验室在70年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。可以说，蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。 第五阶段从80年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟时期。 以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等兼容。实际上，早在70年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家就着手数字蜂窝移动通信系统的研究。到80年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网(GSM)的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。泛欧网GSM已于1991年7月开始投入商用，预计1995年将覆盖欧洲主要城市、机场和公路。可以说，在未来十多年内数字蜂窝移动通信将处于一个大发展时期，及有可能成为陆地公用移动通信的主要系统。 未来移动通信系统将提供全球性优质服务，真正实现在任何时间、任何地点、向任何人提供通信服务这一移动通信的最高目标。1.2 第三代移动通信简介3第三代移动通信是为了满足当今社会各行各业的需求应运而生的, 而且现在移动通信的第三代标准(3G)也成为了全世界关注的热点，目前我国的3G也是日渐成熟而且有着非常广阔的市场。1.2.1 我国3G现状3G的实现，任重而道远，尤其要结合我国国情，走我国自己的3G路。选择通用分组无线交换技术(GPRS)过渡到3G是较好的方案。GPRS可以利用现有的全球移动通信系统(GSM)网络，一举在全国推出数据乃至多媒体通信服务，延长GSM的生存周期，充当3G的开路先锋，拓展增值业务。GPRS手机的特点在于永远在线，不用像传统手机一样拨号上网，而且电信部门的收费将不依照用户的上网时间，而是用户每月传输的数据量。比如，你在网上定制了股票信息，电信部门只收你股票信息钱，不管你花多少时间看股票信息。而这些信息的获得是在移动中进行，无论在路上、车上、在GSM网覆盖的范围内部可在移动中收到。GPRS技术是一种经济高效的分组数据技术，它在目前普通GSM网络的传统电路交换中增加了分组交换数据功能，数据被分割成数据包而不是以稳定的数据流进行运输。按每数据比特的发送和接收来收费，这样会大大降低使用费用，得到用户的支持。GPRS技术为3G开路，为它的发展起到了开路和奠基的作用。首先可以满足用户对数据的需求，并为3G打下了坚实的基础，这包括获得了用户，开拓了3G的市场。随着3G技术的日渐成熟与完善，我国3G市场的发展也是非常迅速的，同时，我国信息产业部还积极开展了3G业务、市场、政策和管制等方面的研究工作。3G市场在我国的发展非常的迅速。 目前，我国手机市场上，第三代手机(3G)决策的关键时刻，虎视眈眈的各大跨国巨头都在紧张部署,包括诺基亚、摩托罗拉、索爱、西门子等巨头纷纷加大在中国的3G投资，争相亮出自己的3G产品，诺基亚是其中的积极分子，他们甚至第一次把3G研讨会挪到了中国香港举行。而我国的大唐电信、中兴通讯、华为等也不甘示弱，它们也向理想中的中国3G押上大注。我国政府一直以来在积极务实地推动3G业务发展。3G对我国通信企业无疑是一次发展的良好机遇，但我们也必须清醒地认识到，由于3G技术各方面的复杂性，3G产业发展还存在着诸多不确定因素，对企业而言这又是一次严峻的挑战。只有在技术、网络、业务、服务、营销等各方面准备充分，勇于迎接挑战的企业，才能抓住3G机遇，成为新的市场领导者。1.2.2 第三代移动通信系统结构3IMT-2000是国际电信联盟(ITU)提出的第三代移动通信系统，最早称为未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)。其目的在于全球使用统一的频率、统一的标准、实现全球漫游和提供多种业务。按ITU总目标，第三代移动通信系统有如下特点：(1)提供高速率和多种速率支持多种业务，能支持从话音到分组数据到多媒体业务，特别是Internet，应能根据需要来提供必要的带宽。其无线传输要求是:快速移动环境：最高速率114kb/s；步行环境：最高速率384kb/s；室内环境：最高速率2mb/s。(2)全球覆盖及全球无缝漫游、全球使用共用频段(1885-2025MHz,2110-2200MHz )。不要求各系统在无线传输设备及网络内部技术完全一致，只要求在网络接口、互通及业务能力方面的统一或协调。(3)高频谱效率。(4)高服务质量：具有长话的话音质量，比特错误率小于的数据业务。(5)低成本、低功耗、小体积、高保密等良好的商业特性。由于ITU要求第三代移动通信的实现应易于从第二代系统逐步演进，而第二代系统又存在GSM和CDMA两个不兼容的通信体制。所以IMT-2000标准化研究买际上出现了两种不同的演进趋势:一种是由欧洲ETSI、日本ARIB/TCC、美国T1、韩国TTA和中国CWTS为核心发起的3GPP组织，专门研究如何从GSM系统向IMT-2000演进。另一个是以美国TIA、日本ARIB/TCC、韩国TTA和中国CWTS为核心发起的3GPP2组织，专门研究如何从CDMA系统向IMT-2000演进。目前IMT-2000总共包括了五个大的标准体系，其中TD-SCDMA、WCDMA (UMTS)和CDMA2000三个标准是最有优势的标准，都有可能成为未来第三代移动通信系统的主流标准，主宰未来的移动市场。IMT-2000系统构成如图1.2所示。图中UIM为用户识别模块(相当于GSM中SIM卡)与移动台之间的接口；UNI为移动台与基站之间的无线接口； RAN-CN为无线接入网与核心网（相当于GSM交换系统)之间的接口；NNI为核心网与其它IMT-2000家族核心网之间接口；以上四个接口标准由ITU完成定义。用户识别模块移动台无线接入网核心网其他IMT-2000核心网图1.2.0 INIT-2000系统结构图接入网完成用户接入业务全部功能，包括所有空中接口相关功能。使核心网受无线接口影响很小，接入网与核心网之间有清晰的分界，更易于它们分别独立的演化。核心网分为电路域和分组域，电路域由于安全性和QOS比较有保障，主要用来处理QOS要求比较严格的业务，例如语音通话。而分组交换是未来的发展方向，只是目前由于技术还不完善，主要用来处理一些实时性要求不高的业务。本文研究的呼叫主要属于电路域业务。电路域设备包括:移动交换中心(MSC Server)、拜访位置寄存器(VLR)、归属位置寄存器(HLR)、媒体网关(MGW)、信令网关(SGW )及各种应用服务器等所有完成移动通信业务所需要的设备组成，另外还有R4所定义的鉴权中心(AuC)和移动设备识别寄存器(EIR)。第三代移动通信系统分层结构如下：(1)物理层：由一系列下行物理信道和上行物理信道组成。(2)链路层：由媒体接入控制(MAC)子层和链路接入控制(LAC)子层组成，分别完成对物理层资源的管理以及业务质量控制。(3)高层：负责完成各种业务呼叫信令的处理以及对各种业务的控制和处理，相当于OSI模型中网络层以上各层的集合。1.2.3 3G的QOS特点分析服务质量(QOS)是所有通信系统设计时都必须考虑的一个重要指标。第三代移动通信系统可以为用户提供多种服务，除了传统的语音业务以外，还能提供高带宽的服务用以传输高质量的图像和视频信息以及高速接入Internet服务，正因为第三代移动通信系统所能提供的业务较多，不同的业务又有不同的QOS要求，所以有必要对UMTS所承载业务的QOS进行分类定义。考虑到无线接口的限制和QOS机制的健壮性要求,对QOS级别的定义不宜过于复杂，因此，在3GPP规范中将承载业务分成了四个QOS级别，按照实时性要求从高到低分为会话类(conversational class)、流类(streaming class)、交互类(interactive class)和背景类 (background class)。这四类业务的基本特征和典型应用如图1.2.1所示:业务分类会话类流类交互类背景类基本特征保持信息流实体间的时间关系。会话方式，严格低时延。保持数据流信息实体间的时间关系。请求响应模式，保持净荷内容。不要求数据在一定时间内到达，保持净荷内容。类型应用话音，视频电话单向视频流Web浏览文件下载，email图1.2.1 UMTS中QOS的分类及其特征1.2.4 电路域业务的QOS特点及数学模型UMTS电路域业务主要包括会话类和流类业务，会话类与流类业务以实时连接方式传送，其QOS要求表现为对时延相当敏感，但可以容忍一定程度的误码。语音呼叫到达的过程可以用泊松过程来模拟10，11，12，呼叫时长的分布是指数分布的近似。在这里首先介绍指数分布的一个重要特性：无记忆性。无记忆性的定义如下：如果一个随机变量X当且仅当对任意的，0满足条件： （1.1）时，则称X的分布是无记忆的，对无记忆性的直观理解是：一个物体的使用寿命是指被使用的时间，它是一个随机变量，如果该物体不论被住用了多久，其剩余寿命的分布与总寿命的分布完全相同，那么这种寿命分布是无记忆的。 按条件概率定义可得： （1.2）如果随机变量是无记忆的，那么由(1.1)式及(1.2)式可得： （1.3）反之，如果随机变量的分布满足(1.3)式，则该分布是无记忆的。因为指数分布满足上述条件，所以指数分布是无记忆性的。在3GPP协议中对端用户所期待的会话类业务的QOS做出的规定如图1.2.2所示：媒体应用对称性速率关键性能参数及其目标值单向延时延时变化范围丢失率音频语音通话双向4-25kb/s最好150毫秒，至少400毫秒1%毫秒3%FER视频可视电话双向32-384 kb/s最好150毫秒，至少400毫秒，唇音同步100毫秒1%FER数据遥测双向控制双向28.8 kb/s250毫秒无0数据交互式游戏双向1 kb250毫秒无0数据Telnet双向（不对称）1 kb250毫秒无0图1.2.2 端用户期待的会话/实时业务性能1.3 无线资源管理技术概述第三代移动通信系统虽然采取了CDMA多址技术、语音激活、功率控制等技术，使其容量增至2G的4-6倍。但随着无线用户的快速增长和多媒体业务的大量需求，未来移动通信系统将走向高速宽带化，并向全IP过渡，支持视频、话音和数据等多媒体业务。这就需要对无线资源进行合理配置和管理，使无线资源管理(RM，RadioResource Management)在3G系统的研究中备受重视。无线资源主要包括频率、码字、功率等。 第三代移动通信系统中的无线资源管理负责空中接口资源的管理和利用。它的核心问题是保障各类业务满足服务质量(QOS)的前提下，尽可能地提高系统容量和资源利用率。但由于3G系统中所提供的语音、数据、多媒体等业务特征的复杂性，以及移动通信网络中存在的用户的移动性、无线带宽资源的稀缺性、多径衰落和阴影衰落等多种不利因素，使得移动环境下保证用户的QOS将比有线网络中要复杂得多。3G系统中采用的无线资源管理主要包括功率控制、切换控制、呼叫接入控制、负载控制和分组调度等内容。1.4 基于预留信道的呼叫接入控制的研究背景9当用户从一个小区漫游到另外一个小区时，若目标小区中的资源不足就会发生通话强制中断。一般对于用户来说，通话过程中出现强制中断比通话请求被阻塞更加难以忍受。因而在设计蜂窝网中的CAC算法时，必须保证切换时的越区呼叫阻塞率Ph尽可能小或者在一定的门限值以下。无线蜂窝网络中出现了很多种CAC策略控制，基于预留信道的CAC就是其中的一种。最早出现的是一种适于单业务的预留信道机制。在该机制中，为越区呼叫预留了一部分信道。当新呼叫到达时，如果除去预留信道还有其他空闲信道，则被接入；反之，则拒绝该新呼叫。当越区呼叫到来时，只要有空闲信道就接入。这样，越区呼叫比新呼叫具有更高的优先权。这种方案降低了越区呼叫的阻塞率Ph，却以新呼叫阻塞率Ph的提高为代价。后来出现一种新的预留信道策略：比例预留信道FOCP(Fractional Guard Channel Policy)，即根据当前信道占用情况，以一定概率接收新呼叫，从而为越区呼叫保留信道。与上一种相比，这种策略明显提高了资源利用率。 第三代移动通信系统的主要目标是要在蜂窝小区范围内实现有限的多业务支持，即移动通信业务从单一、低速的话音业务逐步转向话音与多媒体、高速数据业务共存，并且不同业务需要的带宽也不一样。 近来又出现一种预留信道和信道再分配相结合的策略。在该策略下，每个小区建立一张表，记录自己和相邻小区的信道占用情况，并及时更新。当新呼叫到达时，如果目标小区没有空闲信道，有空闲信道的邻居小区会将本小区的业务转交给空闲信道处理，释放出来的信道供目标小区使用，这个过程称为信道再分配。信道再分配增加了系统的利用率，但给用户带来不便，并导致小区之间通信，并且信道再分配也暗示了小区处于拥塞状况。从上面提到的几种策略可以看出，基于预留信道的CAC算法越来越复杂，也更加符合实际的要求。1.5 本文的主要研究方向及章节安排语音呼叫可以被分为两类：新发起的语音呼叫和从相邻小区发出切换请求的语音呼叫。本文研究的是在3G系统中多个小区内的新呼叫和切换呼叫的接入控制。如何适当的设置预留资源，在阻塞率和掉话率之间更合理的建立平衡是本文将要研究的问题。本文分为五个章节，其主要内容如下;第一章是绪论，主要介绍了移动通信系统的发展概况，第三代移动通信，无线资源管理技术，以及本课题的研究背景等。第二章是对呼叫接入控制机制的研究，主要对当前几种主要的接入控制机制进行介绍。第三章研究两种呼叫接入控制机制，分别采用基于统计数据和基于预测话务量的方法来自适应于网络状况。 第四章是对第三章研究的两种新的基于预留信道的呼叫接入控制机制进行的模拟仿真，并与传统的呼叫接入控制机制进行对比，分析其可行性，通过仿真结果证明了两种机制都能够达到预期的效果。第五章是对全文的总结以及对本课题后续工作的展望。第二章 呼叫接入控制机制的研究2.1 呼叫接入控制的含义2，4，5呼叫接入控制(Call Admission Control, CAC)在无线资源管理中占有重要地位，是无线网络服务质量 (Quality of Service, QOS)机制的重要组成部分。呼叫接入控制的含义是指小区在特定接入控制准则的条件下，判断是否允许一个新到来的呼叫接入系统，并为其分配无线信道资源。由于系统中频率、码字、带宽等无线资源的稀缺性，不可能无限制的接入用户呼叫，系统所能够提供的服务是有限的。如果空中接口的负荷过度增长，那么小区的覆盖面积就会减少到预计的数值以下，而且己有连接的呼叫服务质量恶化，甚至导致呼叫链接中断。因此在允许一个新的呼叫连接建立之前，接入控制需要检查该接入是否会牺牲预定的覆盖面积或己有连接的通信质量。接入控制负责判断接受或拒绝在无线接入网络中建立一个新的呼叫业务(包括数据业务)连接。当一个连接被建立或修改时，就执行接入控制算法，接入控制功能是由基站控制的。只有满足一定的接入控制准则，该呼叫才被允许接入，否则它就会由于其在网络中产生的过度干扰而被拒绝。进行呼叫接入控制时所依据的准则，即各种CAC算法。制定CAC算法时所遵循的基本原则是：在保证已有连接的服务质量的前提下，最大限度地提高无线资源的利用率，并使呼叫阻塞率、呼叫掉线率等系统性能参数达到指定的要求。呼叫接入控制的一般原理是:(1)系统必须有足够的资源支持呼叫用户的请求；(2)新用户的加入不能影响己存在用户的QOS2。移动通信网络中衡量呼叫接入控制算法的指标主要体现在以下三个方面:(l)呼叫阻塞率(call Bloking probability，CBP)，表示新呼叫连接请求被拒绝接入网络的概率。(2)呼叫掉线率(call Dropping probability，CDP)，指由于用户在两个小区间切换时，目标小区不能满足现有呼叫连接所需资源而使其被迫强行终止的概率。(3)带宽利用率(Bandwidth Utilizatio,BU)，表示接入进入网络的各种应用带宽总和与系统所能提供的总带宽之比。如何使呼叫阻塞率和呼叫掉线率均很低的同时获得很高的带宽利用率是进行接入控制算法设计所面临的关键问题，然而这三个指标彼此之间相互制约，一个(或两个)指标的满足往往以牺牲另外两个(或一个)指标为代价。因此一个好的接入控制算法必须权衡以上三个方面的参数，使系统性能达到整体最优，既满足不同移动用户的服务质量要求，又能达到系统提供者的利益最大化。对于用户来说，正在进行中的呼叫被强行终止所带来的不满比新呼叫不能接入要强的多，即用户对呼叫中断比呼叫阻塞要敏感的多。因此，在制定接入控制算法时，更注重保证较低的呼叫掉线率，赋予切换呼叫比新呼叫更高的优先级。通常采取的措施是信道预留机制，即在小区中为切换呼叫预留一定的专用资源，同时，由于CDMA系统软容量等特性，制定呼叫接入算法时，还要充分考虑到其对周围小区的干扰影响，保证周围小区内已有连接用户的服务质量。无线蜂窝网络中出现了很多种CAC策略控制Ph，基于预留信道的CAC就是其中的一种。2.2 传统预留信道机制5，6，7，11目前呼叫接入控制机制主要分为两大类12:预留信道机制和队列机制，前者为切换呼叫设置专用的信道(静态的或动态的)，当系统到达一定负荷后，就会立即拒绝一部分或者全部新呼叫接入请求，以此来预留部分资源给切换呼叫；后者当呼叫到来时若发现无空闲信道11，不是立即阻塞呼叫而是先进入队列等待，一旦有呼叫结束，队列中的呼叫就可以得到服务10。等待队列机制由于需要排队，更加适合非实时的数据业务，例如交互类和背景类业务，而在传统的GSM系统中，一般认为实时性要求较高的会话类业务只能采用预留信道机制。本文我们主要介绍预留信道机制。预留信道机制(Guard Channel Schemes)的原则是切换呼叫和新呼叫有不同的优先级，切换呼叫的优先级更高，为了保证切换呼叫的成功率，系统在信道将要耗尽却还未耗尽时就开始拒绝部分或全部新呼叫请求，将剩下的信道预留给切换呼叫使用。预留信道机制最早是在1986年由美国加州理工大学的R.A.Guerin博士在其博士学位论文“Queuing And Trafic In Cellular Radio”中提出的。最简单的预留信道机制是在本小区接入一个呼叫的同时在所有相邻小区都为这个呼叫预留信道，这样无论将来此呼叫切换到哪个小区，都可以保证一定会切换成功。这样做虽然能保证切换成功率，但是如果采用这种方法.根据蜂窝小区的六边形结构，每一个进行中的呼叫需要本小区和相邻小区共7条信道，信道利用率过低，运营商的利润无法保证，显然没有实用价值。于是，世界各国的专家学者研究了许多算法来更为合理的预留信道。目前预留信道机制主要分为四大类12，分别是新呼叫限制机制、截止优先机制、信道划分机制、新呼叫压缩机制。另外，切换又细分为新呼叫切换(hand of probability for a new call，NHOP)和切换呼叫切换(hand of probability for a handoff call，HHOP)两种情况。这两种情况分别有不同的呼叫到达率，而且其持续时间也服从不同参数的分布。在本文中，不考虑这种情况，将所有的切换请求同等对待。这里，对后面要用到的QOS参数作如下定义:新呼叫阻塞率=切换呼叫阻塞率=信道利用率=2.2.1 新呼叫限制机制新呼叫限制机制(New Call Bounding Scheme)是最早提出的一种基于预留信道的呼叫接入控制机制。它的原理是当新呼叫到来时，如果系统内存在的新呼叫总数超过某个确定值K(KC)时，新呼叫被拒绝；否则，新呼叫将被接入。对于切换呼叫，只要系统中还有可用资源，就可以接入。显然，当K=C时整个系统将会变成一个无优先级的系统，切换掉话率和新呼叫阻塞率相同。2.2.2 截止优先机制为了克服新呼叫限制机制信道利用率低的缺点，DeahYoungHong和S.S.Rapport等人提出了截止优先机制(cutoff priority scheme)机制。截止优先机制比新呼叫限制机制更加灵活，信道利用率更高，也是一种最为典型和常见的预留信道机制，其原理是并不限制小区内存在的新呼叫的总数，只限制小区所有进行中呼叫的总数。假设小区总共可以接纳 C 个呼叫，当新呼叫到来时，如果系统内的信道占用总数超过某个确定值C-M(MC)时，新呼叫被拒绝；否则新呼叫将被接入。对于切换呼叫，只要系统中还有可用的信道就可以接入。2.2.3 严格信道划分机制严格信道划分机制(Rigid Division-based CAC Scheme)的原理是将小区内所有信道分为两类，一类是切换专用信道(Guard Channel Group)，另一类是切换呼叫和新呼叫都可使用的通用信道(Common Channel Group)。当新呼叫到来时，只有当通用信道还有空闲时呼叫才可以被接入，而当切换呼叫达到时，有3种常用的方案：方案A:(1)首先看有没有空闲的切换专用信道，如果有，就分配，否则(2)看有没有空闲的通用信道，如果有，就分配，否则(3）切换呼叫阻塞率。方案B:(1)首先看有没有空闲的通用信道，如果有，就分配，否则(2)看有没有空闲的切换专用信道，如果有，就分配，否则(3)切换呼叫被阻塞。方案C:(1)系统随机选择方案A或者方案B当有呼叫结束，信道被释放时，从哪一类信道中申请的信道就归还到哪一类信道中去。信道划分机制的本质与前面介绍的两种预留信道机制比较相似，相比较而言，前面介绍的新呼叫限制机制和截止优先机制都类似于将所有释放的信道都放入通用信道中在进行接入控制时，都只强调信道的数量，并不限定某些信道只能用于切换呼叫。这也就是严格信道划分机制名字中“严格”二字的来历。2.2.4 新呼叫压缩机制新呼叫压缩机制(new call thinning scheme)是由R.Ramjee,D.Towsly等人在1997年最先提出的。其原理是根据当前系统的负载情况按照一定比例拒绝新呼叫，系统负载越高拒绝的比例越高。例如当系统负载达到60%时拒绝50%的新呼叫，负载达到70%时拒绝70%的新呼叫，达到80%时拒绝90%的新呼叫。对于切换呼叫，只要系统中还有可用信道就可以接入。新呼叫压缩机制提出了一种重要的观点：预留资源的数量可以根据当前系统负载的情况动态调节，或者可以根据统计数据来自动调节系统呼叫模型的参数，使预留资源自适应于系统负载。新呼叫压缩机制的优点在于可以使被拒绝的新呼叫均匀的分布在新呼叫请求中，而不是在某些时段拒绝掉所有的新呼叫。使用新呼叫压缩机制的另一个优点是可以将接入请求划分成多个不同的优先级，不同的优先级在相同的系统负载下有不同的通过率，这样对于未来移动通信网络提供丰富的业务有很大的帮助。2.3 其它呼叫接入控制机制10除了以上介绍的呼叫接入控制机制外，还可以利用队列机制。目前常见的队列机制分为两种：先进先出机制(FIFO,First In First Out Scheme)和优先级队列机制(QP,Queuing Priority Scheme)。队列机制是对切换呼叫的请求采用FIFO的方式进行排队，描述如下：在一个切换请求无法得到空闲的信道时，呼叫不是立即被拒绝，而是放进一个等待队列中；当小区内有一个呼叫结束，信道可以被释放时，系统首先检查等待队列是否为空，如果为空，则该信道被释放，否则该信道将被立即按照FIFO的原则分配给等待队列中排第一的呼叫。还有利用用户的移动性信息预留信道的方法，例如使用GPS系统来定位用户。系统利用GPS系统预测用户的移动趋势，可以做到动态调整保护信道数。但是这样的方法需要在用户终端设备和基站两端增加设备，实现起来成木过高，目前不宜采用。JiongkuanHou和JieYan等提出的根据网络当前的负载设置不同的费率在小区内广播，小区负载越高，新接入的呼叫的费率越高，系统负载越低，新接入的呼叫费率越低。通过费率的变化来控制新用户的接入请求，使某些不愿意接受当前费率的用户自己放弃接入请求，而能够接受当前费率的用户也可能会因为当前费率较高而缩短通话时间。这种方式类似于目前的夜间通话半价，只是费率的变化更加灵活和频繁。通过这种方法可以使话务量的分布更加均匀，但是这也必须要对网络和用户终端都要做一定修改，同时因为费率在RNC产生，而计费话单在MSC产生，所以若要采取这种方法，还需要左RNC和MSC两个设备间增加相应的交互，而且涉及到的计费信息也比较复杂。在目前的网络结构下，这种方式暂时无法使用，但是也是未来发展的方向之一。如果将小区内的用户分为两大类：快速移动用户和慢速移动用户，那么利用两类用户小区驻留时间的不同，通过历史数据得到在所有的呼叫中快速移动用户和慢速移动用户分别所占的比例以及用户向各个相邻小区切换的概率，然后通过这些数据来预测用户的移动性，通过预测结果在周围小区为本小区用户预留信道。这种方法可以提高信道的利用率和切换成功率，但是它在一定程度上也增加了系统的负担。考虑到在进行多媒体业务时空中接口中上行和下行信道所需带宽的不对称性，各种不同的无线多媒体业务有不同的带宽要求和优先级，分析接入一个呼叫上行和下行两方面对未来接入新呼叫产生的影响，只有当两方面都允许呼叫接入时，新呼叫才被接入。这是一种针对无线多媒体业务的呼叫接纳控制机制。前面介绍的新呼叫限制机制，截止优先级机制，严格信道划分机制都是静态设置预留信道，也就是静态信道分配机制(Fixed Channel Assignment,FCA)，其设置预留信道的基础都是基于历史统计数据和小区对于切换掉话率的要求，这些方法都失之灵活，后来提出的各种各样的自适应算法，这些算法可以根据网络状况的变化而自动调节预留信道数，从而比FCA机制更能适应网络状况的变化，这也就是动态信道分配机制(Dynamic Channel Assignment,DCA)。DCA机制都是由前面介绍的预留信道机制派生而来的，也应归类到预留信道机制中。综上所述，在目前提出的各种呼叫接入控制机制中，静态预留信道机制虽然可以广泛适用于各种移动通信网络中，并且可以有效降低系统的切换呼叫掉话率，但是这种性能改善是以提高系统的新呼叫阻塞率和总体呼叫阻塞率为代价的，更加之不能自动调节预留资源，信道利用率不高等缺点，其研究价值高于实用价值。未来的呼叫接入控制是各种接入控制机制的融合，以动态预留信道机制为基础，根据网络特点选用队列机制，再辅以其它机制，以求能达到用户QOS和运营商利益的最高程度的统一。第三章 系统结构及CAC策略在本文中，对GOS的定义如下7：GOS=这样定义的GOS的特点是：(1)当小区中没有任何阻塞发生时，不管信道利用率是多少，GOS值均等于0；(2)当所有的新呼叫和切换呼叫都被阻塞时，说明小区所有的信道都被使用，几乎等于1，GOS的值为1。也就是说，正常情况下GOS的值是一个(0-1)之间的数，而且其值越小越好。通过这个GOS值的定义，可以看出一个好的CAC机制的标准是:阻塞低，信道利用率高。在后文中如果没有特别说明，所有提到的GOS都是依照该式的定义。3.1 传统预留信道机制的特点和不足8在这里将前面介绍过的预留信道机制统称为CGC(Conventional Guard Channel Scheme)。从呼叫接入控制机制的应用时机来说，在一天的大多数时间都是不会拒绝任何呼叫的，否则就应该进行网络扩容。真正使用到呼叫接入控制机制的时间是一天中的个别话务量极大的时刻(Peak Hour)或者是某些突发(例如有演唱会或者体育比赛)事件发生，请求接入的用户数量有暴发性增长的时刻。由于这些时刻所占的时间比例非常小，为了应对这些时刻专门进行网络扩容是不经济的，最好的方法就是采用一些CAC机制来更好的利用资源，保证大多数用户的服务质量。前面介绍的各种预留信道机制在设定预留信道时都是由统计数据得到用户的平均呼叫时长和平均小区驻留时间l/，根据这两个值来确定最佳预留信道数的，并且这个预留信道数是固定不改变的。但是因为在大多数时间内，网络负载都不高，网络统计数据肯定更接近于网络平时不拥塞时的情况，和偶尔的大话务量时刻的情况肯定相去甚远，这就出现了矛盾：在大话务量时刻使用的CAC机制却是使用的正常话务量时刻的统计数据得到的。例如，采用截止优先机制时，小区按照历史统计数据原来预留给切换呼叫10个信道，但是现在由于一列火车到站，大量乘客滞留在站台，同时都要打电话给本地的接站人员，这时系统的统计特性就是新呼叫到达率高，切换呼叫到达率低，平均通话时间短。而这时如果依据统计数据预留一部分信道，那么可能预留给切换呼叫的信道没有用完，但却有很多新呼叫由于分配不到信道而被拒绝。传统预留信道机制的一个弱点就是不能有效的根据当前话务量来自动调节预留资源，信道利用率不高。因此，可以对传统预留信道机制做出一些改进，提出一些不依赖统计数据而可以自适应于当前网络状况的易于工程应用的CAC机制来取代现有的传统预留信道机制。3.2 自适应预留信道机制8根据前面提出的传统CAC机制的缺点，基于第二章介绍的截止优先机制，又结合了新呼叫压缩机制对预留资源可以动态调节的优点，我们研究两种动态预留信道的呼叫接入控制机制,基于统计的信道再分配机制和基于预测的信道再分配机制。首先，为了便于后面的描述，在这里用一个二维矢量s(t)来描述t时刻网络负载情况，s(t)的定义为: S(t)=N(t),H(t)其中,N(t)表示t时刻系统中新呼叫所占用的信道数，H(t)表示t时刻系统中切换呼叫所占用的信道数。3.2.1 基于统计的信道再分配机制1CGC机制采用固定切换专用信道数，在本文研究的新的呼叫接入控制机制中，由于设置最佳预留信道时是基于以往的统计数据，因此称这种方法为基于统计的自适应信道再分配机制(Statistic-Based Handover Channel Adaptive Reassignment Scheme)，以下简称SHAR 。“再分配”是为了与话务量不大时采用截止优先级机制时的固定信道分配机制相区别，是将截止优先机制分配给切换呼叫的信道“再”加以分配。SHAR机制基于截止优先机制，但是在话务量较大时可以根据当前呼叫到达率来动态调节切换专用信道数，也就是让切换专用信道数自适应于新呼叫到达率。系统原理框图如图所示，共分为3部分：呼叫计数器，最佳预留信道表和控制模块,其中呼叫计数器对新呼队进行计数，达到一定的次数后根据计数所需时间算出当前系统的新呼叫到达率，再将此发往最佳预留信道表查询，最佳预留信道表的作用是记录在不同的呼叫到达率的情况下达到最佳GOS的预留信道数。最后，控制模块根据当前设置的预留信道数和己用信道数来决定是否接入该呼叫。呼叫计数器设置预留信道呼叫接入控制切换呼叫到达新呼叫到达 切换呼叫阻塞新呼叫阻塞允许图3.2.0 系统原理图由于假设用户的平均切换时间和平均通话时间都是固定且与当前时刻无关的，因此切换呼叫的到达率与新呼叫到达率之间的关系也是恒定的，证明如下：当用户平均通话时长服从以1/为均值的指数分布，且认为新呼叫和切换呼叫的平均小区驻留时间均服从以1/为均值的指数分布时，设为用户通话时长，为用户小区驻留时间，则用户发生切换的概率为： 以上等式的前提条件就是通话时长和小区驻留时间都服从指数分布，因为指数分布具有无记忆性的特点，因此用户进入小区以后的驻留时间以及剩余通话时间都与前面经过的时间无关。只有这样，才能用到上面的等式。则用户在一次通话中切换次的概率为,因此的数学期望为:即 ，也就是说，整个CAC系统中唯一的变量就是当前呼叫到达率。使用按次计数的呼叫计数器的主要考虑是可以使系统对呼叫到达率的变化反应更为敏感。如果采用定时上报，当系统的呼叫到达率出现增加时，有可能因为还未到系统的上报时间而在一段时间内使切换掉话率增加。而如果采用按次计时，可以利用呼叫到达率来动态调节呼叫上报时间间隔，在呼叫到达率低的时候，呼叫到达率的刷新频率也低，可以避免受到偶然因素的影响；在呼叫到达率高的时候，刷新频率也高，可以快速的反映出当前