（通信与信息系统专业论文）多层蜂窝小区综合择层与资源动态调度控制研究.pdf

摘要 摘要 多层蜂窝小区的提出是为了适应不同速率的移动用户接入，速率快的用户接入宏小 区，速率慢的用户接入微小区，这样区分用户速率而达到减少切换的目的。择层是多层 小区特有的无线资源管理技术之一。论文首先建立了一个两层蜂窝小区模型，研究了不 同的微小区和宏小区速率门限对系统性能的影响，证明了在给定某层速率门限的时候， 系统的切换频率和另外一层速率门限成正比，阻塞率及中断率和另一层速率门限成反 比。论文首次提出了综合择层的思想，结合不同的择层因素来判断层选，这些因素包括 信道占用率、带宽申请以及速率等等，并提出了两个算法，分别结合信道占用率和速率 来择层，以及结合带宽申请和速率来择层。前者算法在考虑用户速率大小的同时充分利 用了各层的信道资源，倾向把用户接入信道占用率低的小区，使得各层平均分担了业务 量，从而降低了阻塞和中断率。后者算法运用于一个多业务系统中，各类业务对带宽申 请不同，算法区分速率的同时也区分业务，使得宽带业务接入资源丰富的微小区，窄带 业务接入资源匮乏的宏小区。论文对两种算法进行了仿真，并和残余小区逗留时间算法 以及模糊择层算法进行了比较，得出了基于综合择层思想的两种算法降低了系统的阻塞 和中断率，提高了系统容量。 关键词 多层蜂窝小区、综合择层、信道占用率、带宽申请、逗留时间 a b s t r a e t a b s t r a c t l t i e r a r e h i c a lc e l l u l a rs y s t e m sm p r o p o s e dt oa c c o m m o d a t em o b i l eu s c l mo fd i f f e r e n ts p e e d s 1 3 c e a u s e b i g hs p e e du s e e l la 地s e v e r e db ym a r c o e e l l s a n dl o ws p c e du s e l la 球s e v e r e db ym i e r o e e l i s ，t h eh a n d o f fc a n b cr e d u c e d c e l ls e l e c t i o nt e e l m o l o g yi so o fr e s o u r c em a n a g e m e n ti nl t i e r a r e l a i e a lc e l l u l a rs y s t e m s t h i st h e s i ss e t su pat w o - c e l l sc e l l u l a rs y s t e m , a n da n a l y s e st h ei n f l u e n c eo fv e l o e i t yt h r e s h o l d t h et h e s i s p r o v e st h a tw i t hd i f f e r e n tw l o e i t yt h r e s h o l di nt w oc e l l sa n do c e i l sv e l o c i t yi sf i x e d s w i t c hf r e q u e n c yi s d i r e c tr a t i oo ft h eo t h e rc e l l sv e l o c i t yt h r e s h o l d 。w h i l eb l o c kr a t i oa l i df o r c er a t i oi si n v e r s er a t i oo ft h e t h r e s h o l d t h et h e s i sf i r s tb r i n g sf o r w a r dt h ei d e a o fi n t e g r a t el a y e rs e l e c t i o n , w h i c hc o m b i n e sm a n y f a c t o r st od oc e l ls e l e c t i o n t h ef a c t o r sc o n c l u d e sc h a n n e lo c c u p a t i o n b a n d w i d t hr e q u e s ta n du s “v e l o c i t y a n ds oo n t h et h e s i sp u t sf o r w a r dt w oa r i t h m e t i c ，o n ec o m b i n e sv e l o c i t yw i t hc h a n n e lo c c u p a t i o na n dt h e o t h e rc o m b i n e sv e l o c i t yw i t hb a n d w i d t hr e q u e s t t h el i r s ta r i t h m e t i cm a k e st w oc e i l st a k ec h a r g eo ft h e t r a f f i ca n dg i v e sas u t f i e i e n tm i n go fc h a n n e l s t h es e c o n da r i t l m a e t i ei su s e di nam u l t i - o p e r a t i o ns y s t e m , d i f f e r e n to p e r a t i o n sr e q u e s td i f f e r e n tb a n d w i d t h , b r o a db a n d w i d t ho p e r a t i o n smc o n n e c t e dt om i c r o e e l l s a n dn a t l t o wb a n d w i d t ho p e r a t i o n sa ”c o n n e c t e dt om a e r o c e l l s a sm i e r o e e i lh a si n o r cp l e n t i f u le h a r m e l s t h a nm a e r o e e l ld o s e t h et h e s i sc o m p a r e st h ei n t e g r a t el a y e rs e l e c t i o na r i t h m e t i c ( i t s ) w i t hr e s i d u a l d w e l lt i m ea p p r o a e l aa n df u z z yl a y e rs e l e c t i o na p p r o a e h ( f l s ) ，i t sa r i t h m e t i cg i v c sal o w e rb l o c ki a l e a n df o r c er a t e ，a n dm a k e sah i g h e re a p a e i t yo f s y s t e m k e y w o r d s l t i e r a r e h i e a lc e l l u l a rs y s t e m , i n t e g r a t el a y e rs e l e c t i o n , c h a n n e lo c c u p a t i o n , b a n d w i d t hr e q u e s t ， r e s i d u a ld w e l l r i m c 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：遍日期：塑i ：2 立! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：诬5 鼋虽 导师签名： 东南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 移动通信发展史 第一章绪论 蜂窝概念是在2 0 世纪4 0 年代末由贝尔实验室构想出来的，2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，随着集 成电路技术、微型计算机和微处理器的快速发展，蜂窝系统逐渐被应用于商用无线通信领域各个 国家都纷纷研制出自己的陆地移动电话系统，包括美国的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 系统，英国的t a c s 系统，北欧( 丹麦、挪威、瑞典、芬兰) 的n m t 系统等等，这一阶段诞生的 移动通信系统一般被当作是第一代移动通信系统第一代蜂窝移动通信系统的主要缺点有：频率利 用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等等随着模拟通信技术的局限性以及通信业务的日益增长， 第一代蜂窝通信系统逐渐退出历史舞台。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统逐渐成熟，欧洲首先推出了全球移动通信系统 ( g s m ) 。随后美国和日本也相继制定了各自的数字移动通信系统。2 0 世纪9 0 年代初，美国q u a l c o m m 公司推出了窄带码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统，这是移动通信发展中具有重要意义的事件。 从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。除此之外，还有 欧洲的d c s 一1 9 0 0 ，美国的i s 5 4 等。这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通 信系统。目前g s m 是我国占据市场分额最大的通信技术，移动通信在我国迅猛发展，在1 9 8 7 年至 今的十多余年间以年均1 0 0 增长速率发展，目前已拥有近4 亿用户。 随着移动通信用户的增长，对频谱资源提出了更大的需求，在第二代通信系统商业运营的同时， 各国家都在探索和研究第三代通信系统。进入9 0 年代中期，世界各移动通信设备制造商和运营商已 从对第三代移动通信系统的概念认同阶段进入到具体的设计、规划和实施阶段。在开发第三代系统 的进程中，到2 l 世纪初，形成的包括中国自行研制的t d s c d m a 在内的全球三大3 g 标准已经成 熟并期待商业运营。与前两代系统相比，第三代的主要特征是可提供移动多媒体业务，其中高速移 动环境支持1 1 4 k b s ，步行慢速移动环境支持3 8 4 k b s ，室内支持2 m s 的数据传输。其设计目标是为 了提供比第二代系统更大的系统容量，而且能在全球范围内更好实现无缝漫游及为用户提供包括语 音、数据及多媒体等在内的多种业务。 尽管为高速业务和多媒体业务设计的第三代移动通信系统在通信的容量与质量上较第二代移动 通信有明显提高，但由于核心技术未能发生革命性的变革，因此无法解决在有限的无线频率资源上 广泛覆盖且速率达到1 0 0 m b i t s 以上的宽带乃至广带移动多媒体业务的突出矛盾。经历了l o 余年发 掌演进的蜂窝通信技术已经取得了全新突破，采用全新得网络结构以及全新得无线传输理论与技术 解决上述矛盾已经成为可能。目前，世界各国在推动第三代移动通信系统产业化得同时，已经把研 究重点转入后三代移动通信技术的先期研究上，力争在概念和技术上寻求创新和突破，从而使无线 通信的频谱效率。容量和速率有十倍甚至百倍的提高。在i t u ( 国际电信联盟) 有关b e y o n d i m t - 2 0 0 0 ( 后三代或称4 g ) 的概念和需求的研究已于1 9 9 9 年被首次列入议事日程，2 0 0 1 年1 0 月在东京进 行的i t u rw p 8 f 会议上，已收到较多有关b e y o n di m t - 2 0 0 0 的研究提案，并初步明确了b e y o n d l 东南大学硕士学位论文第一章绪论 i m t - 2 0 0 0 研究的基本框架。b c y o n di m t - 2 0 0 0 是指广泛用于各种电信环境的无线系统的总和，包括 蜂窝、固定无线接入、游牧接入系统等。b e y o n di m t - 2 0 0 0 的能力将涵盖并远远超过i m t - 2 0 0 0 系统 以及与其进行互连的无线系统的能力。根据i t u 的研究计划，后三代移动通信的目标及远景在2 0 0 2 年6 月初步制定完成，在2 0 0 5 2 0 0 6 年进行频谱规划，2 0 1 0 年左右完成全球统一的标准化工作，2 0 1 2 年之后商用。 1 2 多层蜂窝系统 用户的分布以及业务的分布与城市的建设以及经济的发展有密切的关系。在整个蜂窝系统服务 区域内，用户的分布以及业务的分布是不均匀的。有些地方的用户密度很大( 我们称之为热点地区) 。 其他地方则相对要小得多；有些地方得话音业务要高而有些地方的数据业务可能高许多；或者在 整个系统建设完毕之后，某些原来偏僻的地方现在变成商业中心或者旅游景点等。 最初蜂窝移动通信系统的设计是以均匀业务分布出发来考虑系统的步站。早期的基站多设置在 高大建筑物上，使用塔式( 或伞形) 天线，天线的高度可达几十米，覆盖范围可达3 0 k i n 以上，发 射功率很大( o 6 - l o w ) 。然而，这种结构很难满足上述情况的要求，而规划不合理的话，加入新的 基站会对其他小区产生极大的干扰，同时投资太大。另外从成本、电磁辐射以及步站的便利性等方 面考虑，一个合乎逻辑的解决方案就是引入微蜂窝。也就是说，在不影响整个网络的性能的前提下， 人们越来越倾向于使用功率较小、覆盖范围较小的基站来随时随地满足用户的需求。这种基站的高 度一般放置在电线杆的高度上，体积非常小。但这并不是意味着大型基站就失去其存在意义。它在 业务较少的乡村、城郊仍然是性能价格比较高的解决方案，同时它在我们后面将要提及的多层小区 结构的蜂窝系统中扮演着重要的角色。 微蜂窝的采用使得系统的配嚣更具有灵活性，服务区域内的各个点的服务质量也更容易得到保 证。微蜂窝的分布地区主要包含：热点地区( 相对孤立的娱乐场所、公共场所、电影院、机场) 、盲 点地区( 无线传输困难、衰落较大的地区、大型建筑群中的某些地区) 、大型商业地区( 连续成片分 布的商业区) ，微蜂窝和上面提到的传统的蜂窝构成了一个地区的重复覆盖，以保证服务质量。 另外微蜂窝和宏蜂窝的共存，满足了不同移动速率用户的接入。覆盖范围大的宏蜂窝小区接入 移动速率快的用户，覆盖范围小的微蜂窝小区接入移动速率慢的用户。 我们把传统的覆盖范围在1 - 1 0 k i n 以上、拥有设置在高大建筑物上的基站蜂窝称为宏蜂窝 ( m a c r o c e l l ) ：而把这种拥有放置在几米到几十米高度上的基站、服务区域在几百米到一公里的小区 称为微蜂窝( m i c r o c c l l ) ：此外，还有提供室内移动通信、服务区域在几十米范围内的微微蜂窝 ( p i c o c e l l ) ；以及由卫星作为收发信机、能提供更大范围覆盖的大蜂窝( m c g a c e u ) ，它可以为陆地 上无法部署蜂窝系统的地方，或者海洋运输提供服务。这4 种蜂窝构成了一个多层结构的蜂窝系统 h c s ( h i e r a r c h i c a lc e l l u l a rs y s t e m ) ，如图1 - i 所示。 2 东南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 1 多层蜂窝系统 一般h c s 多层蜂窝结构可以由两个或多个小区类型组成“1 1 9 1 。分层中的最低层由最小的小区类 型组成，它们可能形成微微蜂窝层为室内环境用户服务和微蜂窝层为室内室外环境用户提供服务。 两者都有可能被宏蜂窝层重叠在上面，宏蜂窝层用来满足城市或者农村地区室外用户的要求。最后， 最高的分层级可能有通信卫星波束重叠在所有上面提到的地球上的小区类型或它们的一些混和小区 类型上。 在分层结构中，宏小区和微小区共同服务于移动用户，移动速率高的接入宏小区，移动速率低 的接入微小区，这样可以减少用户的切换频率。如果同层的用户呼叫阻塞，可以h a n d o v e r ( 从低层 切换至高层) 至上层。降低了呼叫阻塞的概率，也提高了系统的容量。文献【7 】理论证明了在相同信 道下，随着层数的提高，用户容量将会提高。同时也指出，从一层系统到二层系统的性能改善将会 比较大。而从二层到三层或者三层到四层的时候。性能的改善将会比较小。并且层数提高的同时， 由于存在不同层之间的切换，会大大增加系统信令负荷。综合以上特点，所以本文认为，二层的多 层蜂窝系统( 包括微蜂窝和宏蜂窝) 是比较理想和容易实现的，本文以下的研究将也建立在= 层的 基础上。 二层蜂窝系统的频率规划一般采用两种方案：一种是宏蜂窝与微蜂窝采用不同的频段，并且这 两个频段是正交的。避免了邻频的干扰。这样频率规划较容易，网络扩容也较灵活。另一种方案是 宏微蜂窝共用同一频段，比第一方案的频率利用率高，但进行频率规划较复杂，不仅要考虑同层的 同邻频干扰，还要考虑不同层次间的干扰，但频率利用率较高，适用于频率资源较紧张的情况。 在二层蜂窝系统中，从微蜂窝的分布看，可以分为孤岛式微蜂窝和连续分布微蜂窝。孤岛式微 蜂窝系统提供连续覆盖的宏蜂窝，但是不提供连续覆盖的微蜂窝，微蜂窝的存在主要解决热点地区 的扩容和盲点地区的信号覆盖，用户仅在某些地区可以实现宏蜂窝和微蜂窝之间的切换，大部分地 区还是和传统的单层蜂窝系统一样。【8 】对孤岛式微蜂窝结构的系统进行了详细的阐述，篇幅有限不 在这里展开讨论。 另外的一种二层蜂窝结构称为同心圆技术，就是将一个普通的小区分为两层，即顶层( o v e r l a y ) 和底层( u n d e r l a y ) ，在同一区域实行重叠覆盖。顶层和底层共站址，共用一套天线系统。顶层同一般 宏小区，进行连续覆盖。主要服务小区边界的移动台；另一层是底层。采用较低的发射功率，不连 续覆盖，服务处于基站附近的移动台。顶层和底层的频率复用系数不同，小区内所有载波频率相应 被分为两组。一组称为常规组，用于顶层：另一组称为超级组，用于底层。底层的频率复用程度更 3 东南大学硕士学位论文第一章绪论 高，因此对同频干扰更加敏感，底层的覆盖半径的设置受同频干扰的影响。同心圆技术是由n o k i a 公司提出并在其设备系统上采用的，通过提高一部分频率的复用度，增加每个小区的信道数，从而 提高全网容量。话务越集中于基站附近，效果越明显。但该技术对话务均匀分布情况容量的提高很 少，甚至会降低。同时。由于双层覆盖仅能在同一个小区使用，具一定的局限性，对高移动性用户 的话务量不能有效吸收，因此只能作为一种辅助性技术解决一些网络局部的容量问题。 本论文只研究连续微蜂窝和连续宏蜂窝覆盖的系统，其结构模型见第三章。 1 3 内容安排及论文结构 本文研究多层蜂窝小区系统的无线资源管理，重点研究多层蜂窝小区系统的择层技术 h c s 结构的出发点有两个。一个是用户的移动性，一个是业务在城市公路环境，用户的移动 速率有快有慢，有快速移动的汽车，有步行的行人。利用宏小区的范围广来接纳移动速率快的用户， 微小区范围小来接纳移动速率慢的用户，这样根据速率来分层可以减少用户的切换，降低系统的信 令负荷。另外由于未来移动通信多业务的存在，不同业务适合接入的层也不同。微小区范围小，信 道复用距离小，有较大的信道资源，比较适合接入宽带业务；而宏小区资源有限，所以适合接入窄 带业务，并且宏小区还为所在的多个微小区提供资源预留，在微小区中阻塞或者中断用户可以切换 至宏小区。另外一点，由于微小区半径小，在其内通话存在频繁的切换，切换会造成时延，所以比 较适合时延要求低的数据业务；而宏小区切换少，比较适合对时延要求高的话音业务。 本文研究多层小区下的择层技术： 1 研究传统的速率择层策略，研究速率门限对择层的影响。 2 研究综合择层，结合速率和信道占用率两个因素来择层。提高信道利用率，体高系统容量 3 研究综合择层，结合速率和业务带宽申请两个因素来择层，满足不同业务的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 要求，提高系统容量。 论文的结构如下： 第一章介绍了移动通信历史，提出了多层蜂窝通信系统。 第二章概述了无线资源管理的相关内容，详细描述了多层蜂窝小区下的择层技术和信道分配技 术。 第三章介绍了h c s 系统的数学模型和仿真平台，并对传统择层技术中的速率门限进行了研究。 第四章提出了综合择层策略思想，介绍了结合速率和信道占用率的i l s v c 算法，以及结合速 率和带宽申请的i l s v b 算法，并对算法进行了仿真比较。 第五章对全文进行了总结和展望。 4 东南大学硕士学位论文第二章多层蜂窝系统的择层策略和信道分配 第二章多层蜂窝系统的择层策略和信道分配 择层技术是多层蜂窝系统特有的无线资源管理内容，在一个有多层蜂窝重复覆盖的区域，选择 哪个层接入是择层的研究重点。从多层结构的蜂窝提出来看，它是为了满足不同速率用户的接入， 避免快速移动用户频繁在微小区内切换。随着移动通信的发展，小区业务量在不断提高，并且也不 仅仅是简单的语音业务。业务种类在不断增加，这给多层架构的蜂窝带来机遇和挑战，给择层技术 带来的新的内容。本章首先介绍了多层蜂窝系统下的无线资源管理，其中绝大多数管理内容和单层 蜂窝的研究内容是一致的；其次重点介绍了目前的几种择层技术，并在自己的仿真平台上比较了它 们之间的差别以及它们的不足；最后概括叙述了信道分配的内容和多层小区下的r o d ( r e p a c k i n g0 1 1 d e m a n d ) 技术 2 1 多层蜂窝下的无线资源管理 近年来无线移动通信发展迅猛，无线移动用户数目急剧增加，在当前乃至将来的无线移动通信 系统中须为用户提供更多的数据、图像和视频等多媒体业务信息，这些均导致更多的无线资源将被 占用。但这一需求同无线资源的稀缺性构成矛盾，使得应该以怎样的方式来更加合理有效地分配和 利用有限的无线资源，支持尽量多的用户而又保证多种业务运行质量等问题成为一个重要的研究课 题。这就是无线资源管理要解决的问题。 图2 - 1 给出了位于基站中的无线资源管理算法的基本模型，资源估计器( r e s o u r c ee s t i m a t o r ) 控 制着整个无线资源管理算法的实现。接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 裁决用户连接请求是否能被接纳。 对于电路交换类型业务，若被接纳则经功率控制后就可以直接发送出去。对于分组交换类型业务， 若被接纳则根据其业务类型送到相应的队列中：而后，队列调度器进行发送调度，若采用的是时间 调度器( t i m es c h e d u l e r ) ，则是进行时隙的分配。图中的功率及速率调度器( p o w e r a n d r a t es c h e d u l e r ) 完成对发射功率分配及发送速率的指定 图2 - 1 无线资源管理模型 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，它直接关系到移动用户的服务质量 和通信系统的性能，无线资源管理主要包括：无线资源分配、呼叫接纳控制、层选技术、切换技术、 5 一 东南大学硕士学位论文第- - 章多层蜂窝系统的择层第略和信道分配 功率控制、容量分析、负荷控制、小区设计、无线传播环境等。h c s 系统较早就已经提出，在g s m 网络优化上起到了不少作用，未来移动通信需要一个网络结构来支撑运营，h c s 将会是比较合理的 一个，研究h c s 下无线资源管理也是十分必要和紧迫的。以下概述各种无线资源管理技术： 接纳控制 无线通信系统容量的限制直接导致了接纳控制( c a c ) 的研究。接纳控制是在有限系统容量的 基础上，以不牺牲已有连接的服务质量为代价，尽可能多地对新近到达的( 新发起的或以切换方式 到达的) 连接请求予以接纳的决策问题。 在一个资源有限并指明了的系统如t d m a 系统f d m a 系统，每个小区或者扇区提供的信道数是 固定的，呼叫接纳控制包括了对这些受硬性限制的信道的管理，或者小区之间信道的合理分配在 c d m a 系统中，上行链路被认为是容量受限的主要因素。因此很多的接纳算法主要考虑的是上行链 路的情况。就上行链路控制而言，其接纳控制准则是基于干扰的，由于从干扰可以估算出系统可容 纳的最大用户数，因此准则也可以基于用户数的，前者可以根据基站处总干扰功率与背景噪声的比 值是否高于某一预定门限来判决，或者是根据接纳新连接后各类业务连接的信干比是否能够达到特 定的目标门限来决定接纳新请求与否。后者根据系统的最大用户数n 作为接纳准则当已有连接数 小于n 的时候，则接纳新请求。相对而言，前者准确性较高，后者更容易实现。就下行链路而言， 接纳控制则较简单，一般采用基于功率的方法，计算本小区的发射功率，若低于预定门限，则接纳 新请求。 综合众多的接纳控制策略，可以把它们分为基于有效带宽的接纳控制技术、基于用户终端发射 功率的接纳控制技术、基于能干比( s i r ) 的接纳控制技术、基于s i r 和基站总接收功率的接纳控制 技术等等。 层选技术 层选技术处理让不同移动速率的终端接入不同的层，移动速率快的用户接入高层，移动速率慢 的接入底层。通过用户在小区逗留时间来判断移动速率，从而进行择层。 研究的主要方向一是对速率精确性判断，减少因为误判( 比如高速用户接入了底层、而低速用 户接入了高层) 而带来的额外系统负荷。二是结合不同因素来进行择层，比如f l s 算法结合了信道 占用率这个因素。下文将会对这两点进行详细介绍，并给出自己的综合择层策略( i l s ：i n t e g r a t el a y e r s e l e c t i o n ) 。 切换技术 从系统角度分，切换可以分为系统内切换和系统外切换。系统内切换指发生在一个系统内部， 如发生在第二代基于t d m a f d m a 系统内部，或发生在第三代基于c d m a 的系统内切换。系统外 切换指发生在两个系统之间，如第二代系统到第三代系统的切换。 从切换方式看，切换可以分为硬切换、软切换和更软切换，硬切换是指一个时间只有一个业务 信道可用时发生的切换。软切换是指移动台可以同时连接到多个基站的切换，更软切换是指在同一 小区的扇区间发生的软切换。 6 东南大学硕士学位论文第二章多层蜂窝系统的择层策略和信道分配 从切换的优先级来看，切换可以分为带优先级的和不带优先级的，在多业务模型中。某些业务 较另外一些业务在切换时享有更高的优先权。 另外还有基于d c a ( d y n a m i cc h a n n e l a s s i g n m c n t ) 的切换策略，包括动态预留信道切换策略， 自适应q o s 切换优先策略。 在分层系统中。切换不仅仅在同层小区之间在不同层之间，由于用户的速率的变化或者业务 的变化而引起切换。对于“嵌入”式分层小区( 较小的小区。嵌入”较大的小区) ，当移动台进入不 被同层小区覆盖的区域时候也会发生层间切换。另外还有带返回机制的切换策略：在宏小区移动速 率低的用户有可能被切换至微小区，这在后面的章节会有介绍。 功率控制 功率控制是小区无线通信中的一个重要问题。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，小区中的信道能被其他 小区重用，每个小区所要求的载干比( c i r ) 水平得到满足。一旦执行信道分配功率控制担任了控 制共信道干扰的角色。小区的传输功率一方面必须被减小来最小化在其他共信道小区中的干扰，另 一方面必须满足通信的需要，因此小区的容量能在有效的功率控制下达到最大。 在c d m a 小区系统中，所有用户可以共用相同的频带。对于某些c d m a 接入，各自的扩频码 并非理想正交，再加上移动终端所处的位置以及无线信道的衰弱等原因，导致系统中存在着多址干 扰、远近效应、角效应等问题，功率控制是克服这一系列问题的重要技术，它在所需要的服务质量 要求约束下。更加有效地分配发射功率，提高了系统容量。目前功率控制可以有不同地分类方法： 根据功率控制方法中接收端是否会向发送端发送功控指令，可将功率控制分为开环和闭环两类。开 环功率控制可以说是功率粗调，但不能很好地适应非对称链路；闭环功率控制可在开环地基础上克 服非对称地多经衰弱。根据功率控制是否在网络中央控制器部分完成，可将功率控制分为集中式与 分布式两类。前者需要知道所有链路的传输增益，通过较大的计算量，实现最优功控；后者不需要 所有链路的传输增益，利用分布式算法近似地实现最佳功控。在具体地功率控制实现算法中，可以 基于最小化总发射功率、基于恒定接收功率和基于信干比( s i r ) 平衡这三类准则第一类准则主要 针对的是下行链路，将调整发射功率与基站的分配问题综合考虑使达到所需信千比时用户的总发 射功率最下，后两类主要针对的是上行链路。其中，第二类准则对于各类业务分配某一固定的接收 功率，这使得系统用户数变化时不需要调整所有用户的接收功率，简化了功率分配的过程。第三类 准则是平衡所有连接的信干比，同时使系统达到最大信干比。由于后者能够达到更好的系统性能而 得到了较多采用。此外，系统中得许多业务是自适应得，其发送速率可以在一定范围内变化，这样， 在信息发送过程中，功率调整可用速率改变去替代完成。因此，功率控制算法得研究方向应该是基 于信干比平衡的能够自适应调整的分布式算法。 另外，将来的系统中可能存在大量非实时分组业务，利用下层传输技术进行重传可以补偿无线 链路所导致的突发错误，以及系统可以采用新的物理层传输技术。这些都对原来基于实时连接的功 率控制算法提出了新要求。在这样的系统中，如何实现功率控制以保证质量并提高系统容量还值得 研究。 7 东南大学硕士学位论文第二章多层蜂窝系统的择层策略和信道分配 2 2 择层策略概述 择层策略主要解决根据用户的移动性来选择接入不同的层小区，移动速率高的用户接入宏小区， 移动速率低的用户接入微小区，从而可以减小用户的频繁切换问题，降低系统信令负荷。如何判断 用户的移动速率是早期择层研究的关键，由于速率不能直接获得，研究通过测量移动用户在小区的 逗留时间来反映速率，用一个门限时问来和测量值比较，低于门限时间的判断为高速移动用户，高 于门限的判断为低速移动用户，这些方法也称为门限法，比如残余小区逗留时间策略、功率电平偏 置策略、指数平均的逗留时间策略、时间奖励策略等等。 2 2 1 残余小区的逗留时间策略 残余小区逗留时问策略【t 1 ( r e m a i n i n gs o j o u r nt i m ei nt h ec a l li n i t i a t e dc o n ) 是最早的择层镱略，也 称为经典的择层策略。该策略假设系统分为微小区和宏小区两层，微小区和宏小区在物理位置上都 是连续分布。所有新的呼叫都由微小区受理，在微小区边缘，系统测量了移动用户接入小区到离开 小区的这段逗留时间。如果用户的逗留时间超过了预先定义的时间门限f 1 ，则判断为慢速用户，并 被切换到相邻的微蜂窝，如果低于时间门限f l 则判断为快速移动用户，就被切换到宏蜂窝，另外如 果相邻微小区没有信道的时候，则把用户切换至( h a n d o v e r ) 相应宏小区，宏小区作为预留资源接 纳微小区中的阻塞用户。宏小区中的移动用户在小区边缘做切换，也同样判断在宏小区中的逗留时 间，和宏小区的时间门限做比较，低于时间门限的用户继续留在宏小区，高于时问门限的用户则切 换( h a n d d o w n ) 至相应微小区，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 残余小区逗留时间策略 8 东南大学硕士学位论文第二章多层蜂窝系统的择层策略和信道分配 在该算法中，由于用户的呼叫接入在小区中的位置是随机的，用户的移动方向也是随机的，且 并不排除用户会拐弯和改变移动速率，所以也许会产生这样的情况，一个在小区边缘接入的慢速用 户由于很快在小区边缘切换，从而产生非常短的逗留时间，这样就会把它错误择层到宏小区，也有 可能一个快速移动用户由于在小区内驻留了一段时问，而产生比较长的逗留时问，从而被错误择层 到微小区。下一节的指数平均策略针对测速精度问题对经典算法进行了修正 有文章给出了另外一种策略，称为宏小区策略唧。策略指出用户一旦择层切换至宏小区，则不 允许返回( h a n d d o w n ) 至微小区，这些用户将在剩余的服务时间内被宏小区层的基站接纳，因为这 些用户被认为是高速用户，h a n d d o w n 增加了切换，并且返回的用户以后再接入宏小区，则会引起平 凡在宏小区和微小区问的切换。称为乒乓效应。宏小区策略虽然一定程度上降低了切换，但是它是 以提高呼损率为代价的因为有可能慢速移动用户被错误切换至宏小区，从而在以后时间内一直占 用宏小区有限的资源，这样就不能给新用户分配带宽，产生阻塞或者中断。 在这些策略中，时问门限的选择对系统性能有比较大影响，提高时间门限( 即降低速率门限) 使得更多的用户接入宏小区，降低时间门限( 即提高速率门限) 使得更多用户接入微小区，这在第 三章会详细讲述。 2 2 2 功率电平偏置策略 在功率电平偏置镱略中，当移动台进入微蜂窝时，在一个门限时阀内，一个负的偏置将被加到 从微蜂窝的基站接收到的功率电平上。这样的处理强迫移动台尽量选择最近的宏蜂窝。偏置从移动 台进入微蜂窝边界开始。并持续时问足够长时间毛以使高速移动台走出微蜂窝。如果移动台在矗门 限期满前发起呼叫，用户将分配给宏蜂窝，否则就分配给其正在穿越的微蜂窝。该策略需要移动台 在闲置时段也必须探测自己的逗留时间，增加了设备复杂度。 4 图2 - 3 小区逗留时间模型 9 d 东南大学硕士学位论文第二章多层蜂窝系统的择层策略和信道分配 功率电平偏置算法和经典逗留时间算法的差别主要在逗留时间的计算上，如图2 - 3 所示，经典 算法计算用户从任意点c 接入到小区边缘切换点d 的时问，而功率电平偏置算法计算用户进入小区 点a 和在发起呼叫点b 之间的时间。由于用户呼叫到达和用户在微小区边缘穿越是两个独立事件， 故而呼叫建立后的微蜂窝逗留时间和呼叫建立前的微蜂窝逗留时间有相同的概率分布f 2 1 ，因此在相 同小区模型下，并且时间门限f l = r 的情况下，功率电平偏置算法和经典的逗留时间策略有相同的 错误概率巴。( 错误分配到宏小区) 和乞( 错误分配到微小区) ，从而它们的性能是相同的 2 2 3 指数平均策略 为了降低匕和乞，【2 】提出了指数平均策略，认为用户在移动速率保持不变的情况下，可以通 过以往的逗留时间来反映当前小区的逗留时问，它对速率的估计受到过去在其他小区逗留时问的影 响。它是用户之前小区逗留时间的指数平均，并以该平均值作为本地平均逗留时间，从而来和门限 值进行比较。假设用户进过第n 小区时的平均逗留时间是s ，是它在该小区逗留时问的测量值， 则 e = c 吒+ ( 1 一口) 只- l ( 2 1 ) 口= 2 c n - i - 1 ) ( 2 2 ) 权值因子口和窗口大小n 有关，n 表示在计算平均值时和之前的n 各小区逗留时问有关。在实 际操作中，用户只需存储前一个小区的平均逗留时间e - i 并以次来计算e 。由于模型假设用户的 移动速率基本保持不变，该方法大大提高了速率判断的精度假设有4 类速率用户，分别为 h = 2 m s ，吃= 6m s ，b = 8 r i d s 和v = 1 4r i d s ，它们的概率分别为1 1 0 ，狮2 ，5 和1 1 1 0 。 假设每个宏小区下面有l o 个微小区，微小区半径为3 0 0 m ，v o = 1 2m s 是门限值，权值因子倪为 1 3 假设新用户呼叫都被微小区接入，如表2 - 1 所示，可以看到指数平均算法有更小的匕和c 。 平且随着速率越接近门限速率，两种方法的判决精度就会下降。 表2 - l 错误择层比较 p e mp c n 速率m s 261 01 4 经典逗留时间 o 0 90 2 6 80 4 4 l0 3 9 6 指数平均o o o o 0 0 9 50 0 9 5 东南太学硕士学位论文第二章多层蜂窝系统的择层策略和信道分配 2 2 4 时间奖励策略 文献【3 】考虑了移动用户的速率变化，提出了一种时间奖励策略策略认为用户的速率变化趋势 是非常慢的，如果根据实际测量的逗留时间来判定用户的速率，有可能产生逗留时问大小不停变化 的情况，从而用户在宏小区和微小区来回切换，产生所谓p i n g - p o n g 效应这将提高系统信令。并产 生阻塞。为了避免这种情况，簧略提出了奖励时间，如果用户的逗留时问为t ，门限为f ，系统会根 据忙一f 】的大小对用户在下一个小区逗留时问加上一个奖励时间。如果t 远小于f ，则可认为用户的 速率非常快，则在下一个小区逗留时问的计算上会减去相应的奖励时问，从而秉承上一个小区的快 速移动用户，这样一来在速率偶然变化的时候不会立刻改变用户服务层，减少了不必要的切换。 具体算法如图2 - 4 所示，新的呼叫接入微小区，在小区边缘择层选择的时候，逗留时问大于时 问门限的继续留在微小区，逗留时问小于时问门限的被接入宏小区，这个时候用户被判断为高速移 动用户，并且给予1 0 0 的高速奖励当用户再次到达小区边缘的时候，实际的时问门限变为 t h r e s h o l d + b o n u s ，把逗留时问和实际门限做比较，如果用户继续留在宏小区则根据逗留时间和实际 门限的差别，来重新计算b o n u s 的值，作为下个小区实际门限的值。 该算法比较适合有红绿灯的交通公路上，因为高速汽车用户会因为红灯而停止，从而增加了某 小区的逗留时间。但不能因为此而判定为慢速用户，红灯结束以后用户还是以高速运行。时间奖励 可以减少由此产生的不必要的切换。该策略显示，切换频率随着b o n u s 的增加而增加，阻塞率和中 断率则随着b o m m 的增加而减少。b o n u s 的引入实际上使得高速移动用户有更大的几率留在宏小区， b o a u s 越大，留在宏小区的概率越大，所以切换也就越小，但是它阻塞和中断了其他用户的接入。在 有红绿灯的交通公路上，要获得系统最优性能，b o n u s 的选择应该和红灯持续时问一致，不管业务量 如何增加。 图2 - 4 时口j 奖励策略 1 1 东南大学硕士学位论文 第二章多层蜂窝系统的择层策略和信道分配 2 2 。5 模糊择层策略( f l s ) 文献睁6 l 提出模糊择层策略f l s ( f u z z yh y c rb e k c t i 蛐) 。它结合资源在层间的利用率和逗留时 问来决定择层，把速率因素和信道占用率因素结合起来综合考虑择层。策略规定，宏小区倾向接纳 移动速率高的用户、微小区倾向接纳移动速率低的用户，同时在考虑微小区和宏小区的信道占用率， 规定用户倾向接入信道占用率低的层。算法把小区的逗留时间分为4 个等级：s h o r t ，m e d i u m 、 l o n g 、h u g e 把宏小区和微小区的信道占用率分为低和高，表2 - 2 表示了不同信道占用率和逗留 时间下倾向接入的层。譬如，如果用户的逗留时间属于m e d i u m ，并且微小区占用率属于低和宏小 区占用率属于高，则倾向把用户接八微小区。 表2 - 2f l s 择层规定 微小区倍道 宏小区信 逗留时阊 占用率道占用睾 s h o r tm e d i u ml o n gh u g b 低低 宏小区宏小区宏小区微小区 低高宏小区 微小区微小区微小区 高低宏小区宏小区宏小区微小区 商高宏小区 宏小区微小区微小医 f l s 算法运用了关系函数，假设目标a ，关系函数， “) 代表和a 的关系，值域为【o ，l 】。 ) = 0 代表u 完全不属于a t ， “) = l 代表完全属于a ，处于0 和1 之问的值代表u 和a 的 关系程度。 算法输入气( 微小区信道占用率x ( 宏小区信道占用率) 、t ( 归一话逗留时间) ，分别通过 关系函数厶( 微小区信道占用率低) 、厶( 微小区信道占用率高) 、丘( 宏小区信道占用率低) 、 ( 宏小区信道占用率高) 、j - 删硼( 逗留时间为s h o r t ) 、厶舫删( 逗留时间为m e d i u m ) 、 矗。懈( 逗留时间为l o n g ) ，厶哪( 逗留时问为h u g e ) ，计算和目标4 止( 微小区信道占用率 低) 、a 硝( 微小区信道占用率高) ，4 吡( 宏小区信道占用率低) 、( 宏小区信道占用率高) a 册p 盯( 逗留时间为s h o r t ) 、a 州肋，叫( 逗留时间为m e d l u m ) 、a d 腮( 逗留时间为l o n g ) 、 a 讲哪( 逗留时问为h u g e ) 的关系。假设上表选择微小区的的集合称为a 、选择宏小区的集合为 b ，集合中的每个元素代表和所对应目标的关系程度每个元素的值通过式子 4 = m i n i f , l ( c 。) 2 ( ) ，正，( f ) 】获得。a l 、a 2 、a 3 分别代表上表行列所对应的目标比如第一 行第一列的元素就等于m i n 丘( 气) ，厶l ( 气) ，正m ( 明最后计算 东南大学硕士学位论文 第二章多层蜂窝系统的择层策略和信道分配 s c o r e ( m i c r o ) - - x m i n i a i ( c 。) 厶2 ( ) ，厶3 ( f ) 】