基于保护信道和信道侵占的切换策略研究

姚文贵

（湖北职业技术学院，孝感 432100）

基于保护信道和信道侵占的切换策略研究

姚文贵

（湖北职业技术学院，孝感 432100）

0 引言

在异构分层无线网络中，呼叫双向溢出方案可以在一定程度上降低呼叫的阻塞概率和掉线概率[1,2]。但是这些方案只考虑速度而没有区分呼叫业务类型，因此各种快速、慢速实时和非实时切换业务的QoS在一定程度上就没有得到保证。

在异构分层无线网络中，当小区负载较重时，应该考虑如何尽可能保证切换业务不被中断。Wei 等人提出采用信道侵占技术来保证实时切换业务的QoS[3]，但是在分析和仿真时采用了单一网络。而Song则针对异构分层无线系统提出了一种基于保护信道的切换技术[4]，保护信道为实时切换呼叫所用，而非实时数据切换则和所有新呼叫共享其它剩余信道，这样必然导致数据切换的掉线率比较高。Al-Akaidi和Alani针对异构分层无线网络提出了一种呼叫接入控制技术[5]，采用保护信道和队列缓冲来保证实时切换和非实时切换业务的QoS，但是却没有充分利用层间呼叫溢出功能。

本文重点研究了异构分层无线网络中如何保证各类切换业务的QoS。在充分利用层间呼叫双向溢出的基础上，提出了一种综合应用保护信道、队列和信道资源侵占的切换策略。该切换策略的主要原理是，为实时切换业务设置保护信道，为非实时切换业务设置缓冲队列，侵占技术主要是实时业务切换若无信道可用就可以侵占正被非实时业务呼叫使用的信道，被侵占的非实时业务呼叫则进入队列等待空闲信道。由于正确的移动模型对网络设计的评估和实施是很重要的，对位置更新、域更新、寻呼、用户登记注册、切换决策等也有很大的影响[6]。所以，在仿真实验中使用了比较符合实际市区的移动模型[7]，结果表明该方法可以大大降低快速和慢速实时切换呼叫的掉线率，同时非实时切换呼叫的QoS也能得到保证。

1 系统模型

采用两层小区系统，上层为宏小区，下层为微小区。一个宏小区重叠覆盖N个微小区。每个宏小区固定分配CM个信道，微小区固定分配Cm个信道。为了保证切换业务的QoS，在宏小区和微小区中为实时切换业务设置保护信道，宏小区中保护信道有CG个，微小区中保护信道有Cg个；为非实时切换业务设置缓冲队列，其中宏小区队列长度为QM，微小区队列长度为Qm。

系统中有实时语音业务和非实时数据业务。为了简化，假设后面分析中每个语音业务和数据业务只占用一个信道。综合呼叫业务类型和速度将业务共分为4类，分别是快速语音业务、快速数据业务、慢速语音业务和慢速数据业务。

为了提高整个异构系统的信道利用率，采用呼叫双向溢出接入控制技术[2]。但略有不同的是，在本文策略中快速语音和数据业务新呼叫不允许下溢到微小区，这样可以尽量减少微小区中的快速呼叫数量，从而减少异构系统中的切换频率和切换信令开销。

微小区和宏小区的具体呼叫接入如图1、图2所示。

图1 微小区呼叫接入示意图

图2 宏小区呼叫接入示意图

2 性能分析

2.1 参数设置

2.2 微小区

由于呼叫可以在上层宏小区和下层微小区中上下溢出，所以对微小区而言，到达的呼叫流量将由以下几部分构成：

定义微小区的状态为(i，j，x，y，k)，其中i、j、x、y分别表示微小区中慢速语音呼叫、快速语音呼叫、慢速数据呼叫、快速数据呼叫占用的信道数量，k表示队列中慢速数据切换呼叫的数量。微小区的稳态概率为P(i，j，x，y，k)，利用马尔可夫状态转移模型和第2节介绍的呼叫接入控制方法，可以列出处于不同状态下的稳态平衡方程。基于文章篇幅限制，稳态平衡方程不在次赘述。

微小区中慢速语音和慢速数据新呼叫在相同的条件下发生阻塞，所以概率相同，为

当所有的微小区信道被占用且数据队列缓冲区使用完后，慢速语音业务切换发生掉线，概率为

当所有的微小区信道被占用后，快速语音切换呼叫发生掉线，概率为

2.3 宏小区

对宏小区而言，到达的呼叫流量不仅有快速语音和数据新呼叫、宏小区之间的快速语音和数据切换呼叫，而且还有宏小区之间的慢速语音和数据切换呼叫，以及在微小区中被阻塞上溢到宏小区的各种呼叫流量，具体为：

定义宏小区的状态为(i，j，x，y，k)，其中i、j、x、y分别表示宏小区中快速语音呼叫、慢速语音呼叫、快速数据呼叫、慢速数据呼叫占用信道的数量，k表示队列中快速数据切换呼叫的数量。宏小区稳态概率为P(i，j，x，y，k)，为节省篇幅，稳态平衡方程在此从略。

宏小区中快速语音、快速数据、慢速语音、慢速数据新呼叫在相同的条件下发生阻塞，阻塞概率相等，为

当宏小区无空闲信道且队列无空间时，快速语音业务切换发生掉线，概率为

当所有宏小区信道被占用后，慢速语音切换呼叫发生掉线，概率为

3 仿真实验

3.1 仿真模型

假设异构分层系统由宏小区网和微小区网构成，宏小区网由7*7个宏小区构成，小区半径为900m；微小区网由21*21个微小区构成，半径为300m。每个宏小区和微小区固定分配20个信道，为语音切换预留1个保护信道，队列长度为3。宏小区中快速新呼叫平均到达率为3～30呼叫/分钟，微小区中慢速新呼叫平均到达率也为3～30呼叫/分钟。其中，语音呼叫和数据呼叫产生的概率都为0.5，且每个呼叫只占用一个信道。快速呼叫和慢速呼叫的持续时间服从指数分布，均值为1/μ=120s。采用符合市区环境的移动模型[12]，呼叫可在十字路口左右拐弯行驶，遇到红灯要停止等待，有加减速过程。

仿真实验共有3个方案。第1个方案只采用保护信道技术，第2个方案同时采用了保护信道和缓冲队列技术，第3个方案在第2个方案的基础上增加了信道侵占技术。

评价算法的主要性能参数为切换呼叫的掉线率（CDP）和整个异构系统的信道利用率。

3.2 实验结果分析

图3和图4反映出，方案3的快速和慢速语音切换呼叫CDP最低，而且和方案1、方案2相差达到一个数量级。这是因为，方案3中增加了信道资源侵占技术，语音切换在没有信道可用的情况下，若数据切换队列中有空间就可以让正被服务的数据业务进入到队列中，而空出来的信道可供语音切换使用，这就相当于增加了语音切换的预留保护信道数。方案1和方案2比较可看出，方案2在新呼叫到达率较低时，语音切换呼叫的CDP比方案1要高，一旦呼叫到达率比较大时，方案2的快速和慢速语音切换反而比方案1要低一些。

由于方案1中数据切换呼叫和新呼叫共用一部分信道，所以方案1中的数据切换呼叫CDP和新呼叫CBP在同一个量级上；而方案2和方案3中设置了数据切换队列，所以数据切换呼叫的CDP将比方案1低很多，为了从图中看出方案2和方案3的差别，所以在此就不显示方案1中的数据切换呼叫CDP。从图5和图6可看出，在方案2的基础上增加语音切换业务侵占数据业务使用的信道后，数据切换呼叫使用的队列空间将减少，所以方案3的快速和慢速数据切换呼叫CDP比方案2要高，这也正是换取语音切换呼叫CDP显著降低的代价。

图7反映出，使用方案1和方案2时，整个异构系统的信道利用率基本相等，方案3的整个异构系统的信道利用率要略高于方案1和方案2。

4 结论

本文针对异构分层无线网络提出一种基于业务QoS保证的切换控制策略，采用保护信道和信道资源侵占技术以保证实时语音切换业务的QoS，设置的缓冲队列则可以保证非实时数据切换业务的QoS。仿真实验结果表明，该切换策略可以大大降低语音切换和数据切换的掉线概率，而且整个异构系统的信道利用率也得到提高。

[1]K.R.Lo,C.J.Chang,C.Chang and C.B.Shung.A QoS-guaranteed fuzzy channel allocation controller for hierarchical cellular systems.IEEE Trans.Veh.Technol.,2000,49(5):1588-1597.

[2]W.Shan,P.Z.Fan,Y.Pan.Performance evaluation of a hierarchical cellular system with mobile velocity-based bidirectional call-overflow scheme.IEEE Trans. on Parallel and distributed system,2003,14(1):72-83.

[3]L.Wei,C.Hang,D.P.Agrawal.Performance analysis of handoff schemes with preemptive and nonpreemptive channel borrowing in integrated wireless cellular networks.IEEE Trans. On Wireless Communications,2005,4(3):1222-1233.[4]W.Song,H.Jiang,W.H.Zhuang,X.Shen. Resource management for QoS support in cellular/WLAN interworking.IEEE Network,2005,19(5):12-18.

[5]M.Al-Akaidi,O.Alani. Efficient call admission control procedure for integrated services in hierarchical cell. in Proc.5th IEEE 3G Mobile Communication Technologies,2004:649-653.

[6]K.H.Chiang,N.Shenoy.A 2-D random-walk mobility model for location management studies in wireless networks.IEEE Trans.Veh.Technol.,2004,53(2):413-424.

[7]J.Harri,F. Filali,C.Bonnet.A framework for mobility models generation and its application to inter-vehicular networks.in Proc.IEEE Wireless Networks,Communications and Mobile Computing,2005,1:42-47.

Research on handoff strategy

YAO Wen-gui

针对异构分层无线网络提出了一种保证业务QoS的切换策略。该策略在层间呼叫双向溢出基础上，为实时业务切换设置了保护信道，为非实时业务切换设置了缓冲队列。为了进一步降低实时业务切换的掉线率，还使用了信道侵占技术，原理是实时业务切换呼叫可以侵占数据业务正在使用的信道资源。仿真结果表明，提出的切换方法能够显著降低各类切换业务的掉线率，同时整个异构分层系统的信道利用率也略有提高。

异构分层无线网络；切换；服务质量；保护信道；信道侵占

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.56

2010-03-19

姚文贵（1974－），男，讲师，硕士，研究方向为计算机信息技术。

TN915

A

1009-0134(2010)06-0172-04