一种新的基于多业务的移动通信系统切换策略＊

刘成刚，贾振红，覃锡忠，盛 磊，陈 丽

（1.新疆大学信息科学与工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.中国移动通信集团新疆有限公司，新疆 乌鲁木齐 830063)

一种新的基于多业务的移动通信系统切换策略＊

刘成刚1，贾振红1，覃锡忠1，盛 磊2，陈 丽2

（1.新疆大学信息科学与工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.中国移动通信集团新疆有限公司，新疆 乌鲁木齐 830063)

针对目前移动通信系统大部分信道切换策略中新呼叫阻塞率高的问题，提出了一种新的呼叫延迟切换策略，该策略是让即将占用最后一个空闲信道的新呼叫短暂延迟后再占用空闲信道，切换呼叫则直接占用空闲信道，缩短了信道被全部占用的时间，增加了新呼叫和切换呼叫占用信道的机会。该策略同时考虑了数据业务之间的优先级，只有当高优先级数据队列中的数据包为空时，低优先级队列中的数据包才能够占用信道。给出了切换呼叫掉话率、新呼叫阻塞率及数据包掉包率的理论公式。与预留信道策略和可移动边界策略的对比表明，新策略既提高了新呼叫进入系统的概率，又有效降低了切换呼叫的掉话率，同时也减少了高优先级数据的掉包率。

排队理论；切换；多业务；优先级；马尔科夫过程

1 引言

随着移动通信语音和数据业务的快速增长，提高系统容量和有限频谱资源利用率、设计适合语音和数据等多业务的切换策略一直是研究的热点［1～3］。改善移动通信的切换呼叫的掉话率和新呼叫的阻塞率这两个指标是切换策略的重要目标。

在处理切换呼叫的问题上，很多策略根据自己的侧重点提出了方法，考虑到实时业务比非实时的业务拥有更高的优先级，采用可移动边界法［4］。赋予切换呼叫比新呼叫更高的优先级的策略，采用了保护信道策略［5］。为数据业务采用预留保护信道策略［6］。为切换呼叫采用动态的预留保护信道策略［7］。考虑两种优先级，采用可移动边界保护策略［8］。

在多业务移动通信的切换策略中，不仅要考虑语音业务的优先级，考虑切换呼叫的优先级，还要考虑不同数据业务之间的优先级。很多策略［9～12］仅考虑了一种优先级或者两种优先级，并且各种策略都是以新呼叫阻塞率的增加为代价换取切换呼叫掉话率的降低的。但是，从系统承载业务量的角度考虑，只有减少新呼叫的阻塞，才能够提高系统实际承载的业务量。因此，需要在降低切换呼叫掉话率的同时尽可能地降低新呼叫的阻塞率。基于这种情况，在多业务条件下针对新呼叫阻塞率和切换呼叫掉话率与系统容量的关系，本文提出了一种新的切换策略，不仅考虑了语音业务之间优先级，还考虑了不同数据业务之间的优先级，并制定了相应的策略。

本文对新的切换策略进行了理论分析，并与可移动边界策略［4］和预留信道策略［5］进行了对比，给出了数值分析和仿真结果。

2 策略描述

系统模型如图1所示。设某小区总信道数为C，分配给语音呼叫的信道数为N，分配给数据业务的信道数为（C－N)，本文提出的策略中将语音呼叫分为切换呼叫和新呼叫，语音呼叫只能占用信道中前N个信道，同时切换呼叫和新呼叫在前（N－1)个空闲信道中具有相同的优先级。为保证切换呼叫的优先级，切换呼叫在占用第N个空闲信道时比新呼叫具有更高的优先级，当信道中只有第N个信道空闲时，如果此时切换呼叫到达，切换呼叫可以直接占用该信道；如果此时新呼叫到达，新呼叫不能够直接占用该信道，新呼叫将在D这个状态延迟，当前第N个信道处于空闲状态，前N－1个信道均被占用。在延迟时间内，如果前（N－1)个信道中有用户离开，则新呼叫占用前（N－1)个信道中空闲出来的信道，如果延迟时间到仍然没有空闲的信道，则新呼叫占用第N个空闲信道。

对于数据业务，根据数据业务重要性的不同考虑两种数据业务，分别为高优先级数据包和低优先级数据包。当一个数据包到达时，如果是高优先级数据包，存储在队列Q2中，如果是低优先级数据包，存储在队列Q1中，当数据包被传送后，数据包从队列中删除，只有当队列Q2中的高优先级数据包队列为空时，才能传输队列Q1中的低优先级数据包。当数据业务信道（C－N)全忙时，分配给语音业务的信道在空闲的时候也可以被数据业务占用。

Figure 1 System model图1 系统模型

3 系统分析建模

假设语音呼叫和数据包的到达都服从泊松（Poisson)分布，它们的服务时间都服从负指数分布［13］，低优先级数据包和高优先级数据包的等待队列的最大长度分别为Q1和Q2（Q1＞Q2)，排列规则为先进先出。语音呼叫的到达率为λ＝λo＋λh，平均服务时间1/μ＝1/μo＋1/μh，其中λo和μo分别为新呼叫的到达率和服务到达率，λh和μh分别为切换呼叫的到达率和服务到达率。低优先级数据包的到达率和高优先级数据包的到达率分别为λd1和λd2，分组包长都为均值Ld比特的负指数分布。再假设数据包传输使用同一种编码方式，在该编码方式下每信道的数据包传输速率都为VdKbit/s，则低优先级数据包和高优先级数据包分组平均传输时长都为1/μd＝Ld/Vd。以状态向量（i，j，l，g)表示系统的状态，其中i为系统中的切换呼叫数，j为系统中的新呼叫数，l为等待队列Q2中高优先级数据包数，g为系统中总的数据包数。同时，Q1和Q2也表示低优先级和高优先级队列的长度，u表示马尔科夫过程中满足约束条件的所有状态的集合，则全部状态集为：

由于多维的连续时间马尔科夫过程的稳态分布不易求解，并且实际系统中有μd/（μo＋μh)≫1，将四维的连续时间马尔科夫过程分解为两个连续的二维连续时间马尔科夫过程［13］，分别为语音呼叫部分和数据呼叫部分。

3.1 语音呼叫部分

将语音呼叫分为切换呼叫和新呼叫，在前（N－1)个空闲信道中，切换呼叫和新呼叫具有相同的优先级，无论是切换呼叫还是新呼叫，只要信道空闲就可以占用；对于第N个空闲信道，切换呼叫到达时可以直接占用，新呼叫到达时，新呼叫需要延迟后再占用信道，系统启动进入D状态。在D状态时，系统至少有一个信道空闲，减少了所有信道都被占用的时间，系统处于（N－1)状态的时间得到了延长，从而降低了系统的切换呼叫掉话率和新呼叫的阻塞率。语音呼叫的状态转移如图2所示，状态（i，j)中的i和j分别为系统中的切换呼叫数和新呼叫数，图中δ－1＝d，d为新呼叫延迟的时间，状态D表示新呼叫处于延迟状态，并以到达率δ到达状态N。如果只考虑新呼叫的情况（图2中的每一列)，根据“流入速率＝流出速率”可以写出稳态时的平衡方程为：

其中，π（x，y)表示系统处于图2中每一列状态（x，y)的稳态概率。

Figure 2 State transition diagram of voice call图2 语音呼叫的状态转移图

令ρo＝λo/μo，ρo为新呼叫的呼叫强度，那么我们可以认为新呼叫到达分别服从ρo的Poisson分布，服务时间为1的负指数分布［14］。每一列前N个状态（x，y)的稳态概率为：

如果只考虑切换呼叫部分（图2中每一行)，同样可写出稳态时的平衡方程，令ρh＝λh/μh，ρh为切换呼叫的呼叫强度，那么我们可以认为切换呼叫到达分别服从ρh的Poisson分布，服务时间为1的负指数分布［14］。每一行（N＋1)个状态（x，y)的稳态概率为：

当式（6)中的y ＝0时，则可以获得π（x，0)，将π（x，0)代入式（5)得新呼叫前N个状态和切换呼叫（N＋1)个状态的稳态概率：

为获得状态D与状态N的稳态概率，列出状态D与状态N的平衡方程如下：

结合式（7)可得状态D与状态N的稳态概率为：

通过求解线性方程得出各个状态的稳态概率，切换呼叫的掉话率Pd和新呼叫的阻塞率Pb为：

3.2 数据呼叫部分

当系统中语音呼叫占用w（w＝i＋j)个信道时，系统最多可以同时服务k（k＝C－w)个数据呼叫，状态（l，g)中的l为等待队列Q2中高优先级数据包数，g为系统中总的数据包数。数据呼叫的状态转移图如图3所示。

Figure 3 State transition diagram of data call图3 数据呼叫的状态转移图

通过图3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为：

其中π（l，g)是系统处于状态（l，g)的状态转移概率。步进函数u（x)在x≥0时为1，在x＜0时为0；δ（x)在x＝0时为1，其它值为0。

对于式（15)和式（16)的状态方程，一共有（k＋（Q1＋1)×（Q2＋1))个方程，再加上状态概率的归一化条件，就可以通过求解线性方程得出各个状态的稳态解。

低优先级数据包掉包率Pd1和高优先级数据包的掉包率Pd2分别为：

4 仿真结果与分析

设小区总的信道数C＝14，N＝10，Q1＝200，Q2＝10，分组平均包长Ld＝12 000bit，假定采用单一信道编码方案，数据包速率Vd为9.05kbit/s，新语音呼叫到达率λo为1.34min－1～8.04min－1，切换呼叫到达率λh为1.66min－1～5.0min－1，新呼叫和切换呼叫的服务率分别为μo＝0.67min－1，μh＝0.83min－1。使用 Matlab仿真软件，当改变λo、λh时，仿真可得新呼叫阻塞率Pb、切换呼叫掉话率Pd与低优先级数据包掉包率Pd1、高优先级数据包掉包率Pd2。预留信道策略中，为切换呼叫预留信道r＝3，数据呼叫专用信道m＝4。可移动边界策略中，采取传统分配策略不预留信道，在语音专用信道空闲时，数据呼叫可以占用语音信道，但当有语音用户到达时，数据呼叫必须立即释放信道。为方便比较，本文提出的新切换策略和保护信道策略及可移动边界策略中，都考虑了不同数据类型的优先级。仿真实验结果如图4～图11所示。

从图4和图5可以看出，由于本文提出的新切换策略让新呼叫延迟后再占用空闲信道，缩短了所有信道都被占用的时间，系统处于（N－1)状态的时间得到了延长，切换呼叫和新呼叫进入系统服务的概率增加。与仅预留三个保护信道策略和可移动边界策略相比，随着新呼叫到达率λo和切换呼叫的到达率λh的增加，切换呼叫的掉话率Pd得到很大的改善。

从图6和图7可以看出，由于本文提出的新切换策略和可移动边界策略未预留信道，对新呼叫影响较小，这两种策略具有较小的阻塞率，新切换策略中新呼叫延迟后获得空闲信道的概率要大于可移动边界策略，因此呼叫阻塞率要比可移动边界策略有所改善。

Figure 4 Dropping probability of handoff call vs arrival rate of the new call图4 切换呼叫掉话率与新呼叫到达率的关系

Figure 5 Dropping probability of handoff call vs arrival rate of the handoff call图5 切换呼叫掉话率与切换呼叫到达率的关系

Figure 6 Blocking probability of new call vs arrival rate of the new call图6 新呼叫阻塞率与新呼叫到达率的关系

Figure 7 Blocking probability of new call vs arrival rate of the handoff call图7 新呼叫阻塞率与切换呼叫到达率的关系

Figure 8 Dropping probability of handoff call vs the delay time of new call图8 切换呼叫掉话率与新呼叫延迟时间的关系

Figure 9 Blocking probability of new call vs the delay time of new call图9 新呼叫阻塞率与新呼叫延迟时间的关系

图8和图9中新呼叫的到达率和服务率分别为λo＝5.358min－1、μo＝0.67min－1，切换呼叫的到达率和服务率分别为λh＝4.14min－1、μh＝0.83 min－1。由于采用新切换策略，随着新呼叫延迟时间的增长，新呼叫和切换呼叫到达时系统中有空闲信道的概率就会增加，切换呼叫因为有较高的优先级能够立即占用空闲信道，所以切换呼叫的掉话率下降较为明显，而新呼叫到达时不允许占用系统中的第N个空闲信道，新呼叫的阻塞率随着延迟时间的增加变化不大。

从图10和图11可以看出，本文采用只有在高优先级数据队列中的数据包为空时，才能在空闲信道传输低优先级数据的策略，与低优先级数据掉话率Pd1相比，高优先级数据掉话率Pd2得到很大的改善。

与此同时，在预留信道策略中由于新呼叫不能够占用为切换呼叫预留的信道，而数据业务可以借用预留信道，因此预留信道策略的数据包掉包率要低于新切换策略，但在切换呼叫到达率高的情况下，预留信道策略中的数据包掉包率会迅速增加。

Figure 10 Dropping probability of data packet vs arrival rate of the new call图10 数据包掉包率与新呼叫到达率的关系

Figure 11 Dropping probability of data packet vs arrival rate of the handoff call图11 数据包掉包率与切换呼叫到达率的关系

5 结束语

本文提出了一种新的基于多业务的切换策略。在实际的通信过程中，由于用户更愿意接受适当的延迟后占用信道而不是直接被阻塞，该策略在允许的范围内让新呼叫延迟后再占用空闲信道，增加了语音呼叫进入系统的概率，降低切换呼叫掉话率的同时改善了新呼叫的服务质量。同时，根据数据业务重要性的不同进行有区别的服务，降低了高优先级数据的掉包率。另外还考虑了切换呼叫和新呼叫的服务时间不相同的情况，更能反映实际问题，新切换策略对改善网络性能具有一定意义。

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A novel handoff strategy based on multi-service in mobile communication systems

LIU Cheng－gang1，JIA Zhen-hong1，QIN Xi-zhong1，SHENG Lei2，CHEN Li2
（1.School of Information Science and Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830046；2.Subsidiary Company of China Mobile in Xinjiang，Urumqi 830063，China)

Aiming at the problem of high blocking probability in many handoff strategies，a novel handoff strategy is proposed to improve the performance of mobile communication systems by adopting some delay to the new calls over the handoff calls when there exists one idle channel.The time is shortened in the busy state.The opportunities of the new call and handoff call to occupy channel are increased.The strategy also takes into account the priority of different data types，and only when the data packet in high－priority data queue is empty，the data packets in general data queue can be transmitted.Expression for the dropping probability of handoff calls and the blocking probability of new calls and the dropping probability of data are derived.Through comparison with the channel reservation strategy and movable boundary strategy，it can be proved that the new handoff strategy provides much better performance improvement by reducing the dropping probability and the blocking probability.

queuing theory；handoff；multi-service；priority；Markov process

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.04.014

2012-12-29；

2013-03-07

中国移动通信集团新疆有限公司研究发展基金项目（XJM2012-01)

通讯地址：830046新疆乌鲁木齐市胜利路14号新疆大学信息科学与工程学院

Address：School of Information Science and Engineering，Xinjiang University，14Shengli Rd，Urumqi 830046，Xinjiang，P.R.China

1007-130X（2014)04-0649-06

刘成刚（1987-)，男，河南偃师人，硕士生，研究方向为移动通信。E-mail：Liuchenggang510＠126.com

LIU Cheng－gang，born in 1987，MS candidate，his research interest includes mobile communications.