基于TD-SCDMA集群专网的切换新算法研究*

唐 宏，吴财生，何春燕

（重庆邮电大学 移动通信重点实验室，重庆 400065）

1 引言

相比于公众移动通信系统，在集群通信中，下行采用高效的共享信道广播发射方式，可以支持更多的群组用户，提高了通信效率。而TD-SCDMA系统由于采用时分双工的模式，在3G制式中有最高的频谱利用率。因此基于集群和TD－SCDMA这两种技术的TD-SCDMA集群通信系统的频谱利用率会更高，这对缓解频率日益紧张的问题非常重要。

集群通信系统在许多的领域都有重要应用，例如用于政府部门事业单位工作的指挥调度，用于公路、铁路、地铁、轻轨、航运、石油天然气的输油输气管道等的指挥调度。采用TD－SCDMA标准的下一代集群通信技术对于实现国内集群通信的安全性、保密性以及集群产业的发展等具有重要意义[1]。

TD-SCDMA集群可以利用现有的网络进行建设，在现有业务模型的基础上增加集群业务。笔者讨论的是TD-SCDMA集群用于专网的情况。

2 TD-SCDMA集群业务分析

2.1 TD-SCDMA集群的话音业务分类

TD-SCDMA集群通信用户的业务可以大致分为：紧急调度呼叫业务和其他各种优先级呼叫业务[2]。紧急调度呼叫是一种特殊的通话组呼叫，具有最高优先权，在信道繁忙时可以中断正在进行的其他呼叫及呼叫请求，使得紧急呼叫能够得到迅速处理。其他优先级呼叫在信道资源忙时可以进行排队，等资源空闲时再接入呼叫，彼此之间不能中断正在进行的通话，因此将这些呼叫统称为一般呼叫[2]。本文中只考虑TD-SCDMA集群话音业务的情况，按照呼叫是新接入呼叫还是切换呼叫，TD-SCDMA集群可以分为4种业务，即新呼叫紧急业务、切换紧急业务、新呼叫一般业务和切换一般业务。

2.2 TD-SCDMA集群的业务模型

TD-SCDMA集群的业务模型与其他移动通信的业务模型基本相似，但也有特殊的地方。这里设新呼叫紧急业务到达率为λOE，新呼叫一般业务到达率为λOC，切换紧急业务到达率为λHE，切换一般业务到达率为λHC。紧急呼叫的原服务小区信道释放率为μES，一般呼叫的信道释放率为μCS。

TD-SCDMA集群通信分为组呼和单呼业务，对于单呼，移动台切换到相邻小区时需要重新分配资源，而对于组呼业务，如果针对用户，切换到相邻小区时也需要重新分配资源。但组呼听用户由于共享下行广播信道，如果相邻小区有该组呼的听用户，则不需要重新分配业务资源，因此需要定义两个概率事件，假设p1为新到达的一个用户是组呼听用户的概率，p2为用户到达该小区存在该组呼听用户的概率，那么p1×p2即为小区不需要考虑为新到达用户分配信道资源的概率。

3 TD-SCDMA集群的切换算法

3.1 TD-SCDMA集群切换的固定信道数方案[3]

假设小区中共有N=（NE+NC）个信道用于语音业务，其中NE个信道用于紧急呼叫，NC个信道用于一般呼叫，一般呼叫的队列长为LQ。信道模型如图1所示[4]。

用 S=（i，j，k）表示小区当前的信道状态，其中 i代表NE中紧急呼叫的数量，j代表NC中紧急呼叫的数量，k代表 NC和 LQ中一般呼叫的总数量。 P（i，j，k）表示小区当前的信道处于状态（i，j，k）的概率。采用马尔可夫过程来分析小区信道的状态转移，当系统模型达到稳定状态后，则得到状态转移的平衡方程。

利用状态转移平衡方程，再加上概率和为1的条件，通过编程计算出各个稳定状态的概率，进而得到相关性能指标[5-6]。

3.2 TD-SCDMA集群切换的动态调整信道数方案

紧急呼叫由于可以采用强占信道的方法，因此可能导致一般呼叫切换的中断。为了保证一般切换业务的进行，小区信道数量的设置需要依据小区一般呼叫的负荷情况来调整，采用的算法如下：

假设某小区一般呼叫的负荷是ρC，变化量为ΔρC，其相邻小区的一般呼叫的总负荷为ρCA，变化量为ΔρCA。变化的一般呼叫业务信道数ΔNC满足

式中：NC0-NR≤ΔNC≤NC，ΔNC取不小于 NC0-NR的最小整数，NR是为该小区一般呼叫保留的最小信道数量，NC0是一般呼叫的初始信道数，NC=N-NC0-ΔNC；w1与w2是两个比例因子，w1+w2＝1，由于一般呼叫切换业务比一般新呼叫业务优先级更高，所以设置w2>w1。

4 仿真及分析

4.1 仿真参数

假设信道总数为18，为紧急呼叫预留的信道数为6，为紧急呼叫保留的最小信道数为2，为一般呼叫预留的信道数为12，队列长度为8，紧急呼叫平均通话时间为60 s，一般呼叫平均通话时间为180 s，初始负荷p为0.6，紧急新呼叫达到率为0.02×p，紧急呼叫切换达到率为0.01×p，一般新呼叫达到率为0.2×p，一般切换呼叫达到率为0.1×p。因为集群通信主要用于组呼业务，所以设新到达用户是组呼听用户的概率为p1＝0.8，用户到达的该小区存在该组呼听用户的概率为p2=0.6，比例因子w1=0.4，w2＝0.6，NC0=12。

4.2 仿真分析

图2是用固定信道数方案和动态调整信道数方案的对比，反映了小区负荷与一般呼叫切换中断概率间关系的仿真结果[7]。

从图2中可以看到，在负荷较小时，两种方案的切换中断概率都接近于0，当负荷增大时，切换中断概率也随着增大，但动态调整信道数方案的切换中断概率的增加明显慢于固定信道数方案。

在动态调整信道数方案中，一般呼叫切换中断概率保持在2%以下，而固定信道数方案的切换中断概率最大时超过了7%。为了使一般呼叫切换中断概率保持在较小范围，固定信道数方案需要预留较大的信道数以降低高负荷时的中断概率，但在负荷较小时会造成信道利用率降低。动态调整信道数方案克服了以上缺点，依据负荷情况通过自适应地改变信道数来保证中断概率在一定范围的同时又提高了信道利用率。

5 小结

采用新的切换算法可以较好地满足TD-SCDMA集群通信切换的要求，通过动态地调整信道数既保证了切换中断概率在一个较小的范围，同时又提高了资源利用率。数值计算表明，在负荷较小时，动态信道数调整方案的切换中断概率与固定信道数方案很接近，在负荷较高时，动态信道数调整方案的中断概率远远低于固定信道数方案的切换中断概率。

[1]郑祖辉，陆锦华，丁锐，等.数字集群移动通信系统 [M].3版.北京：电子工业出版社，2008.

[2]王芳.数字集群通信系统的构成及功能[J].电信网技术，2005（2）：9-12.

[3]李金山，唐宏.移动通信系统的切换技术[J].无线电技术与信息，2005（12）：34-39.

[4]马莉，宋俊德.基于传输负载的动态软切换算法的讨论[J].四川通信技术，2000，30（3）：1-5.

[5]杨长兴,吕祯恒.一种统一的资源预留策略[J].计算机工程与应用，2005，41（24）：144-146.

[6]唐丽娟，何丰.移动切换资源预留技术研究[J].信息安全与通信保密，2006（7）：148-150.

[7]张志涌，杨祖樱.MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.