一种TD-SCDMA 集群中的动态信道分配算法

唐 宏，张 艳

（重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065）

0 引言

随着 TD－SCDMA移动通信系统的商用，基于TD－SCDMA的第三代数字集群系统成为了研究热点。TD－SCDMA的数字集群是属于3G移动通信的专业数字集群系统。它结合蜂窝技术，通过对TDSCDMA技术的优化与融合，提供专业用户所需的高性能、大容量的集群业务和功能，可持续发展能力强。政府、公安、大型事业部门甚至军队都是集群系统重要的应用领域。传统的集群通信系统容量一般比较小，信道分配方法采用的是固定信道分配，信道利用率较低。我们研究的基于TD－SCDMA的第三代数字集群通信系统将采用动态信道分配（dynamic channel allocation，DCA）算法，这样能够使系统的信道利用率得到有效地提高［1－2］。

TD－SCDMA集群系统的通信方式采用点对多点的半双工的通信方式，下行使用广播方式通信，将不采用智能天线，下行听信道没有功率控制。在集群系统中，一个下行信道可以被多个用户所共享，一般来说同一群组采用同一个下行信道，这种点对多点的通信方式极大地提高了信道利用率。另外，同一个群组里，每个时刻只有一个说用户，其余都是听用户。当通信中的说用户停止说话时，各小区广播消息告知所有该群组的用户可以抢占该群组的说话权，如果多个小区有用户需要抢占说话权时，系统分配此说话权给优先级最高的用户。

1 可移动边界信道DCA算法

可移动边界（movable boundary，MB）动态信道分配算法是蜂窝系统中的一种比较成熟的基于业务分类的快速信道分配算法，其最大优点是提高了系统资源的利用率。在MB_DCA算法中，信道分为语音业务信道和数据业务信道。在业务实施过程中，如果语音业务信道空闲且数据业务缓冲器队列不空时，数据业务可以借用空闲语音业务信道进行数据传输;当语音呼叫到来时，可以强占被数据业务借用的信道，进行语音通信，数据业务继续排队等等空闲信道资源。MB_DCA方案如图1所示。

图1 可移动边界信道分配算法Fig.1 Movable boundary dynamic channel allocation

图1中基本资源单位（basic resource unit，BRU）代表扩频因子为16的信道。12.2 kbit/s的语音业务需要占用2个BRU，64 kbit/s数据业务需要占用8个BRU，144 kbit/s数据业务需要占用16个BRU。图1显示的是对称时隙模式下的MB_DCA方案，单条链路上3个时隙中的2个时隙分配给语音业务，1个时隙分配给数据业务。对于数据业务，如果缓存器队列不为空时，首先检查数据时隙是否空闲。如果空闲，将队列的第一个数据包取出，进行传输。否则，检查语音时隙是否存在16个以上的空闲BRU，如果存在，借用语音空闲信道进行数据业务传输;如果语音时隙的空闲BRU不足16个，但是大于8个，可以借用来传输64 kbit/s数据业务。如果空闲BRU不足8个，数据业务继续排队，等待空闲信道。当语音业务到达，检查语音信道是否有2个以上空闲BRU，如果有就可以进行通信。否则，检查是否存在数据业务借用信道，有的话直接抢占借用信道进行通信。数据业务则继续排队等待空闲信道［3－4］。

2 TD-SCDMA集群系统中的可移动边界算法改进

2.1 集群业务特点

在集群业务中，业务分成不同的优先级，高优先级呼叫将比低优先级呼叫优先获得系统资源。按接入类型来看，最高优先级为集群紧急呼叫，其次是抢占优先级呼叫，优先级最低的是普通集群呼叫。

其中，紧急调度业务是集群系统最重要也是最具特色的业务，当紧急业务到来时，如果没有可用空闲信道，它可以抢占其他非紧急业务的各优先级业务信道。对于抢占优先级呼叫，无空闲信道可用时根据系统的设置抢占比自身优先级更低的普通集群业务的信道。

由于集群业务的等级制和可抢断的特殊性，在信道资源紧张的情况下，特别是高优先级爆发的时候，高优先级业务不断的抢占信道必然导致系统中低优先级业务掉话率的增高，甚至一直无法获得服务，造成系统性能下降。为了减小低优先级业务的掉话率，提高系统的性能，必须对现有的信道分配算法进行相应的改进，才能适应集群系统的应用。

2.2 排队式MB_DCA

不管是蜂窝系统还是集群系统中，通话的突然中断远比推迟短时间接入更让人难以接受。综合考虑集群信道和优先级的特点，本文中我们提出一种排队式的MB_DCA（QMB_DCA）算法，基本思想是非紧急调度业务以稍微推迟接入时间为代价，来换取中断率和阻塞率的降低，以提高整个系统性能［5－6］。

1）当有语音业务到达时，按以下流程进行信道分配，如图2所示。

普通语音业务和抢占优先级业务有空闲信道时直接接入，没有可用信道时，分别设置FIFO排队缓冲器，普通语音业务超时时间为Tc，抢占优先级业务的超时时间为Tp，并且有Tc＞Tp。另外，当语音信道空闲时，数据业务可以借用进行数据传输，一旦有语音呼叫请求到来，且发现可用语音信道集合为空，数据业务应立即释放借用的语音信道，停止在语音信道中的传输，继续在数据缓冲器中排队等待。

图2 新业务到达时的信道分配流程图Fig.2 Processing flow of channel allocation when new service arrived

2）在没有新的业务来的时候，按以下流程进行系统调整，如图3所示。

没有新业务到来时，系统循环检测是否有空闲信道可以使用，如果有空闲信道，首先让队首的业务获得信道使用权优先满足高优先级的业务。如果没有空闲信道可以使用，且业务排队超时，则按照超时业务的优先级来检测系统中是否存在比自身优先级更低的业务正在使用的信道，如果有就抢占信道。

图3 无新业务到达时循环检测两个语音队列Fig.3 Check the two voice queue circularly when no new service arrived

3 仿真与分析

MB_DCA算法与QMB_DCA算法都采用了数据业务可借用空闲语音业务的机制，在语音信道不够用时，语音业务随时可抢占被数据业务占用的语音信道，故2种算法在数据业务传输性能上差距不大，为了节省篇幅，本文只对语音业务性能做仿真分析。此外，紧急呼叫在2个算法当中都有最高优先权，不进入队列，随时可以抢占低优先级业务信道，因此，紧急呼叫的性能也不会有太大改变。

以上下行时隙比例为3∶3的对称模型的上行链路为分析对象。在上行链路为语音业务分配2个时隙，为语音业务固定分配一个时隙。语音新呼叫和数据分组到达分布服从Possion分布，语音呼叫持续时间和数据分组的传输时间均服从负指数分布。

为了验证本文中我们提出的QMB_DCA算法的性能，将在不同的语音和数据业务到达率下，分别对MB_DCA算法和QMB_DCA算法进行仿真对比。对2种算法分别从普通语音业务阻塞率、掉话率，抢占优先级语音业务阻塞率、掉话率等方面进行分析比较。假设紧急呼叫、抢占优先级呼叫和普通集群用户呼叫的比例设定为1∶4∶5（这个比例根据不同应用场合可能有所不同）。语音业务总到达率取值:0～600 call/h。仿真时间500 h。抢占优先级业务排队超时时间为5 s，普通语音业务超时时间为10 s。相应的仿真图如图4所示。

图4 2种策略的普通语音业务掉话率Fig.4 Comparison of drop rate of ordinary service:MB_DCA and QMB_DCA

图4中，在语音业务到达率超过300 call/h，可以看到QMB_DCA策略的普通语音业务的掉话率明显降低。此时信道越来越趋于拥挤，如果采用MB_DCA策略新加入的抢占优先级业务会随时抢占正在通话中的普通语音业务的信道，故掉话率大幅度增加。而采用QMB_DCA策略时，当有抢占优先级业务时，先进入队列，等待空闲信道，直到等待超时才会去抢占普通语音业务信道，所以，QMB_DCA策略的普通语音业务的掉话率明显降低。

图5中，当语音业务到达率超过250 call/h，MB_DCA策略的普通语音业务阻塞率明显升高，这是因为此时语音信道已趋于饱和，新到达的普通语音业务无法及时接入信道，从而造成阻塞，而采用QMB_DCA时，新到达的普通语音业务会行进行队列等待空闲信道，直到超时才阻塞。

图5 2种策略的普通语音业务的阻塞率Fig.5 Comparison of block rate of ordinary service:MB_DCA and QMB_DCA

采用QMB_DCA时，紧急业务不参与排队，而抢占优先业务掉话只可能是由于紧急业务的抢占，QMB_DCA业务在抢占优先业务的掉话率上没有太大改善，如图6所示。

图6 2种策略的抢占优先级语音业务的掉话率Fig.6 Comparison of drop rate of preemptive Priority service:MB_DCA and QMB_DCA

从图7中可以看出，抢占优先业务的阻塞率有明显改善，抢占优先业务阻塞只可能是在信道中全是抢占优先业务及紧急业务的情况下产生。这种情况下如果采用MB_DCA，抢占优先级业务立即阻塞，而采用QMB_DCA时，抢占优先级业务会先进入队列等待，等待时间内有概率有业务通话结束，让出信道给新到达的业务。

图7 2种策略的抢占优先级语音业务的阻塞率Fig.7 Comparison of block rate of preemptive Priority service:MB_DCA and QMB_DCA

4 结论

通过以上分析和讨论可以看出，集群系统在信道使用、业务优先级等方面与传统蜂窝网络存在明显区别，如果直接采用蜂窝网络中的信道分配方案会造成系统的性能降低。采用新的信道分配算法可以较好的满足TD－SCDMA集群通信的信道分配的要求。新算法采用原算法的信道借用技术保证较高的信道利用率，同时考虑集群中紧急调度业务对信道优先占有权，为普通集群业务和抢占优先级业务进行优先级排队处理，尽量降低低优先级用户的掉话率和阻塞率。仿真结果也表明，当系统业务量不大的时候，由于每类业务到达都可以获得服务，新算法和原算法性能区别不大;在信道资源紧张的情况下，新算法可以有效降低系统中普通集群业务的阻塞率和掉话率以及抢占优先级业务的阻塞率。

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