基于优先级信道预留的快速动态信道分配算法.doc

第7期石文孝等：基于优先级信道预留的快速动态信道分配算法67基于优先级信道预留的快速动态信道分配算法石文孝，赵俊，迟学芬，李娜（吉林大学 通信工程学院，吉林 长春 130012）摘 要：针对TD-SCDMA系统现有快速动态信道分配算法的不足，提出了一种基于优先级信道预留的快速动态信道分配算法。该算法根据接力切换用户的移动台属性设定不同的优先级，为接力切换呼叫预留信道，结合小分组借用算法，增加了可移动边界动态信道分配（MB DCA）策略的灵活性。仿真结果表明，此算法相对于混合数据速率、小分组借用（MRG，mixed-data rate grouping borrowed）MB DCA算法，实现了VIP和快速移动切换用户的优先接入，有效地降低了切换呼叫的阻塞率，提高了数据业务性能和系统的信道利用率。关键词：TD-SCDMA；动态信道分配；接力切换；MB策略；优先级中图分类号：TN929.53 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2009)07-0059-08Fast dynamic channel allocation algorithm based on priority channel reservationSHI Wen-xiao, ZHAO Jun, CHI Xue-fen, LI Na(College of Communication Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China)Abstract: Aiming at overcoming the shortages of the current fast dynamic channel allocation algorithm in TD-SCDMA system, a novel fast dynamic channel allocation algorithm based on priority channel reservation was proposed. This algorithm defined call priority by equipment attribution of baton handover user, reserved channels for baton handover calls. Combining with grouping borrowed algorithm, the algorithm made MB DCA strategy more flexible. Simulation results show that, comparing to the mixed-data rate grouping borrowed algorithm, the proposed algorithm achieves the preferential access of VIP and high rate mobile user, reduces the call failure probability resulted from the baton handover, improves the performance of data service, and increases the channel utilization efficiency.Key words: TD-SCDMA; dynamic channel allocation; baton handover; movable boundary strategy; priority1 引言收稿日期：2009-02-13；修回日期：2009-06-06基金项目：吉林省科技发展计划基金资助项目（20070526）Foundation Item: The Science-Technology Plan of Jilin Province (20070526)TD-SCDMA(time division synchronous code division multiple access)是由我国提出的拥有自主知识产权的第三代移动通信标准，是国际电信联盟（ITU，international telecommunication union）认可的三大主流标准之一。TD-LTE（TD-SCDMA long term evolution）是TD-SCDMA的长期演进。TD-SCDMA采用的TDD双工技术，适合动态信道分配（DCA，dynamic channel allocation）技术的使用，TD-SCDMA特有的接力切换能够为有切换呼叫请求的用户在2个相邻基站间提供更加高效和可靠的切换服务，从而提高系统通信质量和系统容量14。本文针对TD-SCDMA系统中现有的快速动态信道分配算法的不足，提出了一种可移动边界（MB，movable boundary）DCA的改进算法，称为基于优先级信道预留（PCR，priority channel reservation）的MB DCA算法。仿真结果表明，提出的算法较文献5,6在切换呼叫阻塞率和数据业务性能上有明显改善，信道借用方式更灵活。图1 TD-SCDMA系统帧结构2 TD-SCDMA系统帧结构TD-SCDMA系统的一个10ms的无线帧由2个5ms的子帧组成，每个子帧由7个常规时隙和3个特殊时隙组成。在这7个常规时隙中，TS0固定分配给下行链路，用作广播通信信道，其余6个为业务时隙，承载上下行业务，上下行时隙之间由转换点分开。3个特殊时隙分别是下行导频时隙（DwPTS，downlink pilot time slot）、上行导频时隙（UpPTS，uplink pilot time slot）和保护间隔（GP，guard period），如图1所示1。TD-SCDMA系统由于采用了智能天线和上行同步技术，可以较为容易地获得移动台（UE，user equipment）的位置信息。TD-SCDMA系统的基站不断采集切换请求之前的各UE相关信息，将切换前和切换时多次测量的导频强度、移动速度、方向、距离、加速度、是否为VIP用户等属性按照一定的比例加以调整。UE的移动方向（D）是不断变化的，根据UE切换前的移动规律定义UE的移动方向如下7,8。(1)UE的速度为(2)加速度为(3)移动通信中的VIP用户能够创造比普通用户更多的价值1，因此，移动通信运营商非常重视对VIP用户的服务质量。本文在研究接力切换过程中给予VIP用户更高的优先级，使得VIP用户的业务性能得到提高。3 PCR MB DCA算法在相同的频点和时隙内，假定扩频因子(SF，spreading factor)为16的一个信道为一个基本资源单元（BRU，basic resource unit），即一个时隙中有16个BRU。传输12.2kbit/s的语音业务需要2个BRU，传输数据速率64kbit/s的流类业务需要7个BRU，传输数据速率144kbit/s的浏览类业务需要16个BRU9。将下行链路4个业务时隙中的2个分配给语音业务，2个分配给数据业务。业务服务过程中，数据业务可以借用空闲语音业务信道服务，语音呼叫到来时，可以强占被数据业务借用的信道。MRG MB DCA算法的模型如图2所示5,6,10。在MRG MB DCA算法中，语音呼叫到达时，如果语音业务时隙中有2个或2个以上的空闲BRU（包括被数据业务借用的BRU）就可以进行语音通信，否则该语音呼叫就会发生阻塞。在数据业务借用空闲语音业务信道时，将语音业务信道分成较小的分组，每个分组包含8个BRU。当数据缓存器中队列不空时，如果Group1空闲，可以被借用来传输数据速率为64kbit/s的数据业务；如果Group1和图2 MRG MB DCA算法Group2空闲，可以被借用来传输数据速率为144kbit/s的数据业务或者2路数据速率为64kbit/s的数据业务。如果语音业务时隙内有8个以上的BRU空闲，并且这些BRU不在一个时隙内时，则需要进行信道调整，将这些空闲BRU调整到一个时隙内，然后被借用来进行数据传输5。MRG MB DCA算法只考虑了语音呼叫和数据业务，对于接力切换呼叫只是作为普通的语音呼叫来考虑，并没有为接力切换呼叫设定较高的优先级。后续的改进算法中有提出双门限带宽预留的动态信道分配策略11，但该算法只是建立在MB DCA算法的基础上为接力切换呼叫设置门限，并没有考虑混合数据速率、小分组借用MB DCA算法，而且也没有根据TD-SCDMA系统的特点按照切换用户的速度、方向、距离、加速度、是否为VIP用户等属性来区分接力切换呼叫的优先级，不能为VIP用户提供特殊保障。为了更好地利用系统资源，降低接力切换呼叫的阻塞率，保障VIP用户的业务性能，提高数据业务的性能，本文提出了一种PCR MB DCA算法。3.1 PCR MB DCA算法设计思路考虑到切换会给小区性能带来很大负面影响，如果降低切换的阻塞率，则能够减少切换给小区性能带来的负面影响。根据排队论的理论，要降低某用户的阻塞率，可以通过提高该用户的接入优先级来实现12；考虑到VIP用户能够创造普通用户几倍甚至十几倍的价值，靠近目标基站高速移动的用户切换的急迫性最高，在切换呼叫中优先接入VIP用户和高速移动用户。根据移动终端的属性，把一个小区中的接力切换连接分为4类，同时为了保证VIP用户优先切换，又将这4类赋予4个优先级：普通低速用户切换呼叫最低，普通高速用户切换呼叫次之，VIP低速用户切换呼叫次高，VIP高速用户切换呼叫最高8。在PCR MB DCA算法中，给接力切换呼叫预留一定数量的保护信道，优先级越高的切换呼叫预留的保护信道越多，接入的门限值越低。语音呼叫到达时，先判断是否为切换呼叫，如果是切换呼叫，则根据导频强度、速度、加速度、用户属性判断切换呼叫的优先级，如果满足对应优先级切换呼叫接入门限条件，就可以进行语音通信，否则该切换呼叫就会发生阻塞；如果是语音新呼叫且满足语音新呼叫接入门限条件则进行语音通信，否则该语音新呼叫就会发生阻塞。在数据业务借用空闲语音业务信道时，将语音业务信道分成较小的分组，每个分组包含8个BRU，当数据缓存器中队列不空时，如果Group1空闲，可以被借用来传输数据速率为64kbit/s的数据业务，如果Group1和Group2空闲，可以被借用来传输数据速率为144kbit/s的数据业务或者2路数据速率为64kbit/s的数据业务。如果语音业务时隙内有8个以上的BRU空闲，并且这些BRU不在一个时隙内时，则需要进行信道调整，将这些空闲BRU调整到一个时隙内，然后被借用来进行数据传输。由于语音业务信道中一部分被预留给各优先级切换呼叫，语音新呼叫无法使用，因此数据业务借用语音业务信道的机会大大增加。PCR MB DCA算法模型如图3所示。图3 PCR MB DCA算法本文提出的PCR MB DCA算法立足点在于：通话过程中的掉话比新呼叫被阻塞更让人难以接受，为了降低切换呼叫的阻塞率，为切换呼叫预留了一定数量的保护信道。不同移动方向、不同移动速度、加速度的切换呼叫的急迫性不同，VIP用户能够创造比普通用户更多的价值，根据导频信号强度、用户移动速度、用户VIP标志等将切换呼叫分为4个优先级，给予每个优先级不同的接入门限；语音业务为实时业务，语音业务到达后，如果无法得到所需的信道，那么语音呼叫将被阻塞。数据业务为非实时业务，在没有可用的信道时，可以排队等待，直到有可用信道时再进行服务；数据业务的服务等级（QoS，quality of service）不同，要求的数据传输速率也不同，需要的BRU数也不同。语音业务时隙有8个以上BRU空闲可以被借用来传输64kbit/s的流类数据业务、16个以上BRU空闲可以被借用来传输144kbit/s的浏览类数据业务。3.2 业务性能分析图4 PCR MB DCA算法马尔柯夫排队模型TD-SCDMA系统的特点是支持上下行不对称业务，本文以上下行时隙比为2:4的下行链路为例进行分析。上下行对称时隙的业务性能分析方法与上下行不对称时隙情况相同。分配给语音业务2个时隙，每个12.2kbit/s语音业务用户需2个BRU，语音业务信道数C为16，其中语音新呼叫和语音切换呼叫共用业务信道数为C0、C1、C2、C3、C4，分别为普通低速、普通高速、VIP低速、VIP高速切换用户预留的业务信道，C0、C1、C2、C3、C4的取值可以由当前小区的语音业务的业务量决定，对于语音新呼叫业务量高或者满载的小区，可以只为VIP高速用户预留信道，不必分4个优先级预留信道；数据业务时隙d可以为2、2.5、3、3.5、4，数据缓存器队长k为100。假定语音切换呼叫、语音新呼叫和数据分组的到达均服从泊松分布，语音切换呼叫、语音新呼叫的持续时间和数据分组的传输时间均服从负指数分布。语音业务总的到达率为v，包括语音新呼叫到达率n和语音切换呼叫总的到达率h，语音新呼叫平均呼叫持续时间为1/v，话务量强度为An=n /v；普通低速、普通高速、VIP低速、VIP高速用户的切换到达率分别为1、2、3、4，平均呼叫持续时间为1/v。数据分组到达率为d，平均传输时间为1/d，数据业务量强度为Ad=d /d。根据以上条件建立的二维马尔柯夫排队模型如图4所示12,13。模型的每个节点（i,j）代表系统的一个状态，i代表缓存器中数据分组的个数，j代表系统中正在接受服务的语音新呼叫和语音切换呼叫数。图4中从横向看，语音新呼叫和各优先级切换呼叫的DCA过程都是M/M/C/C排队模型；从纵向看，数据业务的DCA过程是M/M/d/k排队模型，d值随在线语音新呼叫用户数和各优先级切换呼叫用户数变化。语音业务的总到达率为(4)系统呼叫强度为(5)通过图4描述的各个状态转移概率图可以采用的原则是流量守恒。对每个状态，令“流入速率=流出速率”，则可以写出稳态时的平衡方程12,13为(6)其中，是系统处于状态的稳态概率。步进函数在时取1，在时取0。对于式（6）的状态方程，一共有个稳态方程，再加上状态概率归一化条件(7)由式（6）和式（7）就可以通过求解线性方程组得出各个状态的稳态解。从而得到语音新呼叫、各优先级切换呼叫和数据业务的性能指标如下12。当语音呼叫信道全部被占用，语音呼叫阻塞概率为(8)当数据业务信道全部被占用且语音信道无空闲时，新的数据业务将在缓存器中排队等待，数据分组排队长度L和数据分组平均等待时间W分别为(9)(10)当数据缓存器队列长度达到最大值，新的数据业务到来，将发生分组丢失，数据业务的分组丢失率为(11)由于下行链路4个时隙分配给语音业务2个时隙，分配给数据业务2个时隙，所以下行链路总的信道利用率为(12)4 仿真结果与分析为了比较分析本文所提出的PCR MB DCA算法和文献5,6中MRG MB DCA算法的系统性能，本文对语音业务阻塞率、数据业务平均队列长度、数据分组丢失率和系统信道利用率进行了仿真。语音新呼叫和切换呼叫到达率和数据分组的到达率均服从泊松分布，平均服务时间服从负指数分布，为了验证不同到达率下系统的性能，仿真时设置语音呼叫到达率分别为0、60、120、180、240、300call/h。研究表明，语音呼叫中约有40%50%为切换呼叫14，因此语音切换业务到达率分别为0、20、40、80、100、120call/h，其中普通低速用户切换、普通高速用户切换、VIP低速用户切换、VIP高速用户切换的到达率等概率分布，数据分组到达率分别为20、40、60、80、100、120packet/s15。仿真参数设置如表1所示。表1仿真参数参数值子帧业务时隙数6上/下行时隙比2:4每时隙BRU数16语音业务时隙数上下行各2语音新呼叫和切换呼叫到达分布泊松分布新呼叫和切换呼叫持续时间分布负指数分布语音业务速率12.2kbit/s语音业务所需BRU2语音呼叫到达率0300（call/h）语音切换呼叫到达率0120（call/h）语音呼叫平均持续时间120s数据业务时隙数上行0下行2数据分组到达分布泊松分布数据分组传输时间分布负指数分布数据业务到达率20120（packet/s）数据业务速率64kbit/s、144kbit/s数据业务所需BRU8、16数据分组平均传输时间0.053 4s、0.026 7s依照表1的参数，通过MATLAB仿真得到上下行时隙比为2:4模式下PCR MB DCA算法和MRG MB DCA算法仿真结果如图5图13所示。图5 MRG MB DCA算法语音新呼叫和切换呼叫阻塞率 图6 PCR MB DCA算法语音新呼叫和切换呼叫阻塞率图7 PCR MB DCA算法语音切换呼叫阻塞率由图5、图6仿真结果对比可以看出，本文提出的PCR MB DCA算法较MRG MB DCA算法的语音新呼叫和语音切换呼叫的整体阻塞率约高0.3%，但仍能保证语音呼叫阻塞率2%的要求。这主要是因为对语音切换呼叫采用了保护信道策略后牺牲了一定的语音新呼叫的性能来保障语音切换呼叫的性能；但从图7可以看出，语音切换呼叫的性能得到很大改善，普通慢速用户的切换阻塞率降低了约0.6%，VIP快速用户的切换阻塞率降低了约1.9%。这是由于采用了多优先级的保护策略后，切换呼叫尤其是高速VIP用户的切换呼叫的优先级被大大提高了，性能得到很大改善。由图8图11仿真结果对比可以看出，MRG MB DCA算法数据分组最大等待时间为0.96s，数据分组最大分组丢失率为20%；PCR MB DCA算法数据包最大等待时间为0.81s，数据分组最大分组丢失率为15%。这是由于PCR MB DCA算法给4个优先级的切换呼叫预留了保护信道，使得数据业务可借用的空闲语音业务信道的概率得到增加，因此PCR MB DCA算法的数据业务性能比MRG MB DCA算法得到改善。由图12、图13仿真结果对比可以看出，在语音业务到达率和数据业务到达率较高时，MRG MB DCA算法信道总利用率为0.95，PCR MB DCA算法信道总利用率为0.98，后者比前者提高了约3%；而在语音业务到达率较低、数据业务到达率较高时，MRG MB DCA算法信道总利用率为0.78，PCR MB DCA算法信道总利用率为0.83，后者比前者提高了约5%。这主要是PCR MB DCA算法在语音业务到达率较低时，数据业务借用空闲语音业务信道的概率更大，使得空闲语音业务信道可以更有效地被数据业务借用。本文提出的算法对于数据业务流量大的小区改进效果非常明显。上下行对称时隙情况的仿真与上下行不对称时隙的仿真方法相同；对于语音新呼叫业务量高的小区，可以考虑只为VIP高速用户预留信道，这种情况的分析方法与多优先级信道预留的分析方法相同。图8 MRG MB DCA算法数据分组平均等待时间图9 MRG PCR MB DCA算法数据分组平均等待时间图10 MRG MB DCA算法数据分组丢失率图11 PCR MB DCA算法数据分组丢失率图12 MRG MB DCA算法信道利用率图13 PCR MB DCA算法信道利用率5 结束语本文提出的PCR MB DCA算法根据接力切换用户的移动台属性区分不同的优先级，为接力切换呼叫预留信道，结合小分组借用算法，增加了MB DCA策略的灵活性。在满足语音业务性能的基础上，降低了语音切换呼叫的阻塞率，尤其是VIP高速用户改善效果非常明显；并且降低了数据分组平均等待时延和分组丢包率，改善了数据业务的性能，提高了系统资源的利用率。本文提出的PCR MB DCA算法为TD-SCDMA及TD-LTE系统DCA技术研究提供了参考。参考文献：1李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准M.北京:人民邮电出版社，2003. 33-39.LI S H. 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