張家波，馮長春，孫 威

(1.重慶郵電大學移動通信重點實驗室，重慶 400065;2.華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518129)

責任編輯:魏雨博

在TD－SCDMA系統(tǒng)中采用了接力切換技術(shù)。如果TD系統(tǒng)仍采用在GSM系統(tǒng)中常用的幾種基本切換算法(如先進先出(FIFO)、排隊算法等)，則系統(tǒng)在為呼叫分配信道的時候，只是一成不變地按照某一規(guī)則(如切換請求時序)機械地分配可用信道，而沒有考慮到一些特殊情況的發(fā)生，容易導致掉話頻頻發(fā)生，因此需要考慮到UE在等待分配信道時的運動情況。

另外，目前的3G移動通信系統(tǒng)能提供種類繁多的業(yè)務，例如語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務。這些不同的業(yè)務項目，對于系統(tǒng)的要求也各有不同，不同的業(yè)務類型對時延和誤碼率的要求各不相同。所以要根據(jù)每種業(yè)務的各項指標要求，對不同的業(yè)務采用不同的切換策略，設置業(yè)務優(yōu)先級，保障越區(qū)切換的高質(zhì)量完成，保證通話的質(zhì)量［1－2］。為了高質(zhì)量地完成接力切換，應該考慮到很多方面的情況，例如在選取目標小區(qū)的時候，需要不斷地檢測周邊小區(qū)的導頻信號強度，選擇信號較強的幾個小區(qū)作為候選的切換目標小區(qū)，與此同時，尤其需要考慮到UE的運動情況，包括UE的移動方向和移動速度等方面［3］。

1 改進的切換策略

這是一種動態(tài)的切換控制算法，在TD－SCDMA系統(tǒng)中，考慮到UE當前檢測到的周圍小區(qū)的導頻信號強度，并且結(jié)合UE的移動情況，選擇最佳的小區(qū)作為目標小區(qū)，再根據(jù)排隊算法設置優(yōu)先級，并根據(jù)優(yōu)先級分配信道。其切換步驟及存在的幾種可能情況如下:

1)當一個呼叫的信號強度減弱時，需要對其進行越區(qū)切換，在選取目標小區(qū)的時候，UE先搜尋鄰近小區(qū)的信號強度，選擇信號強度最強的幾個小區(qū)，作為候選的目標小區(qū)［4］。并且根據(jù)檢測到的信號強度將候選小區(qū)放入隊列排隊，根據(jù)信號的強度來選擇最優(yōu)的目標小區(qū)。在執(zhí)行過程時會出現(xiàn)如下兩種情況:

(1)存在2個或2個以上信號強度相同的候選小區(qū)。

(2)檢測到候選小區(qū)NODE B1的導頻信號強度要高于候選小區(qū)NODE B2，但其差值小于某一值(持續(xù)一段時間T)，且小區(qū)B2處于UE移動的方向上。此時若只根據(jù)導頻信號的強度來選擇目標小區(qū)，會導致一些不必要的切換發(fā)生。因此，需要考慮到UE的移動情況，優(yōu)先選擇在其移動路線上的候選小區(qū)作為切換的目標小區(qū)［5］。

2)在選定了目標小區(qū)之后，如果目標小區(qū)內(nèi)有可用的空閑信道則馬上為UE分配，如果沒有多余的空閑信道，則此呼叫切換請求就進入排隊隊列，同時繼續(xù)使用原小區(qū)的信道，直到新小區(qū)有空閑信道為止。若只采用先進先出(FIFO)原則的排隊策略則易產(chǎn)生如下相關(guān)問題:

(1)優(yōu)先級靠后的業(yè)務可能因為信號強度的降低需要馬上切換，但先進先出(FIFO)原則不允許優(yōu)先級靠后的隊列提前切換并進行信道分配，因此該業(yè)務可能因為信號的降低且沒有及時切換，導致掉話的發(fā)生。因此排隊等待的同時，UE不斷地檢測目標小區(qū)與原小區(qū)的功率變化情況，并及時上報，目標小區(qū)與原小區(qū)的功率比值越大，優(yōu)先級越高，排在隊列的前面，提前獲得信道的使用權(quán)。

(2)語音業(yè)務的實時性要高于數(shù)據(jù)業(yè)務，因此要提高語音業(yè)務切換的優(yōu)先級。

(3)切換呼叫與小區(qū)內(nèi)新呼叫相比，用戶更難以接受呼叫切換過程中產(chǎn)生的掉話，因此要考慮這兩者的優(yōu)先級關(guān)系。

3)考慮到以上存在的情況，需要設置小區(qū)內(nèi)排隊等待業(yè)務的優(yōu)先級，以此來分配信道的使用權(quán)。幾種業(yè)務優(yōu)先級設置原則為:

(1)語音呼叫(信號弱)＞語音呼叫(信號強);

(2)語音業(yè)務＞數(shù)據(jù)業(yè)務;

(3)切換呼叫＞新呼叫。

總的優(yōu)先級順序為:語音切換呼叫(信號弱)＞語音切換呼叫(信號強)＞新語音呼叫＞切換數(shù)據(jù)業(yè)務＞新數(shù)據(jù)業(yè)務。

2 切換具體流程

2.1 語音切換呼叫

當一個語音切換呼叫到達某小區(qū)時，如果小區(qū)內(nèi)有空余的信道，則馬上為其分配信道，即完成越區(qū)切換;若小區(qū)內(nèi)沒有空余的信道提供給語音切換呼叫使用，則此呼叫進入排隊隊列等待，若小區(qū)內(nèi)排隊隊列已經(jīng)排滿，則此切換呼叫被阻塞;否則就先進入排隊隊列等待，排隊等待的同時，根據(jù)當前UE的信號強度設置呼叫的優(yōu)先級，信號強度好的，說明能夠支持當前的業(yè)務，則優(yōu)先級較低，信號強度弱的優(yōu)先級越高;小區(qū)根據(jù)優(yōu)先級的高低安排切換的先后順序，優(yōu)先級高的呼叫優(yōu)先分配信道，完成切換過程，如圖1。

圖1 語音切換呼叫流程圖

新的切換呼叫請求到達時只需要考慮小區(qū)內(nèi)隊列中是否有優(yōu)先級高于自己的其他切換呼叫，即信號強度比自己差的業(yè)務。如果有，就需要在隊列中等待其切換完成;若沒有，即可立即獲得信道的使用權(quán)，完成切換請求。

2.2 語音新呼叫

當語音新呼叫提出請求時，如果小區(qū)內(nèi)有空余的信道，則馬上為其分配信道，即接入新呼叫;若小區(qū)內(nèi)沒有空余的信道提供給語音新呼叫使用，則檢查排隊隊列，若隊列已滿，則該呼叫被阻塞;否則就進入排隊隊列等待小區(qū)為其分配信道;同時檢測小區(qū)內(nèi)是否有切換呼叫請求的存在，如沒有則為其分配最高優(yōu)先級，提前分配可用信道，實現(xiàn)此次新呼叫;如果隊列中存在切換呼叫，則該請求進入隊列進行等待，但等待時間需在時間T1之內(nèi)，若在時間T1內(nèi)小區(qū)仍未為其分配信道，則該呼叫被阻塞;若被阻塞的呼叫在時間T2內(nèi)多次提出呼叫請求，次數(shù)達到某一設定的數(shù)值N，則為其分配最高優(yōu)先級，可提前獲得信道的使用權(quán)。

語音新呼叫的優(yōu)先級僅次于切換呼叫請求，因此只需考慮到隊列中是否有切換呼叫請求，如果存在就先處理切換呼叫，因為切換呼叫對于阻塞率的要求要高于新呼叫，而且用戶對于阻塞新呼叫的容忍度要大于切換呼叫，所以要先處理切換呼叫后再處理新呼叫的請求;若隊列中沒有切換呼叫請求，即可馬上獲得信道的使用權(quán)，完成新呼叫請求。

2.3 數(shù)據(jù)業(yè)務

當數(shù)據(jù)業(yè)務到達時，若小區(qū)內(nèi)有空余信道，則馬上為其分配可用信道;若小區(qū)內(nèi)沒有空余的信道，則檢查排隊隊列:若隊列已經(jīng)排滿，該業(yè)務被阻塞;若隊列未滿，就為其分配優(yōu)先級，進入隊列排隊等待小區(qū)為其分配信道，如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)業(yè)務切換流程圖

由于數(shù)據(jù)業(yè)務的優(yōu)先級要低于語音業(yè)務，因此切換數(shù)據(jù)業(yè)務到達時需要考慮到小區(qū)內(nèi)語音業(yè)務的情況，包括切換語音呼叫和新呼叫請求。若隊列中有這兩種業(yè)務，要根據(jù)上述算法完成對語音業(yè)務的請求，再處理切換數(shù)據(jù)業(yè)務，最后再處理新的數(shù)據(jù)業(yè)務請求。

切換策略的基本出發(fā)點是用戶的需求，要全面考慮到用戶的感受，對于用戶容忍度較低的業(yè)務要盡量予以滿足，其次要考慮到業(yè)務的不同要求，根據(jù)業(yè)務的要求進行切換處理。

3 切換性能的優(yōu)化思路

3.1 切換的頻繁度

在選擇目標小區(qū)時，結(jié)合UE的移動情況，可以減少不必要的切換，降低切換的頻繁度。UE以一個角度α從小區(qū)邊緣進入小區(qū)，α ∈［0°，90°］，小區(qū)的半徑為 R，因此UE在小區(qū)內(nèi)移動的距離d=2Rsinα。此外假定UE在小區(qū)內(nèi)的平均移動速度為v，一次通話的平均持續(xù)時間為T，下面從UE移動速度和移動方向這兩方面的考慮，驗證性能的優(yōu)化。

從圖3a可以看出，僅從基于速度角度考慮，一次通話過程中需要完成的切換次數(shù)為，可以看出切換次數(shù)t跟UE的速度v成正比，隨著速度的增大，切換次數(shù)也隨著增大。因此，可以將高速移動的UE切換到宏小區(qū)，減少不必要的切換。從圖3b可以看出，僅從基于移動方向的角度考慮，不同角度的基站的切換次數(shù)為和，由此可以看出，當通話時間、速度以及與基站的距離一定時，切換次數(shù)t與角度α成正比，α越大，切換次數(shù)越多，α越小，切換次數(shù)也相對減少。

圖3 對于終端從兩種不同的考慮角度

3.2 阻塞率

當切換呼叫在隊列中等待分配信道時，UE會不斷地檢測信號強度，并且根據(jù)信號強度的大小來分配優(yōu)先級(信號強度小的優(yōu)先級高)，防止信號強度過低而產(chǎn)生掉話。如前所述，先進先出(FIFO)算法策略會因為某些切換呼叫提出切換請求的時間靠后可能導致其信號強度已經(jīng)低至某一門限值，卻仍不能及時得到切換而產(chǎn)生掉話，使切換阻塞率升高。改進策略是基于測量的信號強度，按照時間間隔T刷新排隊隊列，使當前信號強度低的切換呼叫及時得到切換，防止其由于切換不及時掉話，因此，總體提高了切換的成功率，降低了切換呼叫阻塞率［6－7］。

4 分析模型建立

系統(tǒng)的分析模型框架圖如圖4所示［8］。

圖4 系統(tǒng)分析模型框架圖

用一個具有(S+1)個狀態(tài)的一維馬爾科夫鏈來描述一個小區(qū)的狀態(tài)情況。其狀態(tài)通過當前小區(qū)被占用的信道數(shù) i(i=0，1，2，…，S)來表示，S 是小區(qū)內(nèi)總的信道數(shù)，C為有新呼叫前小區(qū)被占用的信道數(shù)。λn是小區(qū)內(nèi)新呼叫的到達率，λh是切換呼叫的到達率，α是切換呼叫的信號強度，μ是語音呼叫服務率，1/μhd為越區(qū)切換的駐留時間，N表示排隊隊列的長度。

根據(jù)上述假設，可以作出分析模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。

圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

由狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可得各信道的阻塞率為

其中，

新用戶的阻塞率為

其中，

5 仿真結(jié)果分析

5.1 切換的頻繁度

1)基于不同速度的仿真，在選擇目標小區(qū)時，由于結(jié)合了UE的移動情況，因此可以減少不必要的切換次數(shù)，降低了切換的頻率。很顯然，隨著移動速度的增加，移動臺跨區(qū)切換次數(shù)也一定會隨之增加。因此對于速度較快的UE可以將其切換到宏小區(qū)，以減少不必要的切換。

2)基于UE與基站角度不同的切換次數(shù)仿真，如圖6所示為仿真結(jié)果?？梢钥闯銮袚Q次數(shù)t跟UE與基站的角度成正比，隨著角度的增大，切換次數(shù)也隨之增大(假設切換到角度大的小區(qū))，因此要選擇運動方向上的目標基站，以減少不必要的切換。

圖6 基于移動方向的切換

5.2 切換的阻塞率

仿真比較先進先出(FIFO)算法、信道預留算法以及改進的新算法之間的性能的關(guān)系［9］，分析仿真結(jié)果驗證新算法的優(yōu)越性。仿真環(huán)境參數(shù)設置為:信道數(shù)60個，其中預留了15個信道作為切換呼叫使用，μ=1/50，信道駐留時間1/μhd=1/30，并從以下2個方面進行比較:

1)仿真先進先出(FIFO)算法和改進的新算法，比較不同隊列長度下的切換呼叫阻塞率。

2)仿真先進先出(FIFO)算法、信道預留算法以及改進的新算法，比較在呼叫強度一定的情況下，切換呼叫阻塞率與切換呼叫到達率之間的情況，以及不同切換強度下三種算法的切換阻塞率情況。

當小區(qū)內(nèi)沒有空余的信道時，需要進行切換的用戶就要進入隊列中等待分配信道，假如隊列長度過長或者等待時間太長，切換用戶容易產(chǎn)生掉話，導致切換失敗。由仿真結(jié)果圖7可以看出，在排隊隊列長度為0～15個時，算法的阻塞率隨著隊列的增加而增加，而且改進的新算法的阻塞率比先進先出(FIFO)算法的阻塞率要低，在一定的程度上優(yōu)化了系統(tǒng)的性能［10］。

圖7 不同隊列長度的阻塞率

同樣，由仿真結(jié)果圖8可以看出，隨著切換呼叫到達率的增加，切換呼叫的阻塞率也隨之增大。其中，采用信道預留的切換阻塞率要低于先進先出(FIFO)的阻塞率，因為信道預留算法有專門提供給切換呼叫使用的信道，因此提高了切換呼叫的成功率;而改進算法的阻塞率最低，說明同時考慮了切換信號強度、移動方向和速度的新算法性能更優(yōu)，切換成功率要高于信道預留算法和先進先出(FIFO)算法。

最后，從仿真結(jié)果圖9可以看出，隨著切換強度的增加，三種算法的切換阻塞率也隨之增加，但改進算法的阻塞率要低于其他的算法［11］。

圖9 切換阻塞率與呼叫強度的關(guān)系

6 結(jié)束語

傳統(tǒng)的切換算法存在著不足。研究切換算法時，除了要考慮信號強度外，還應該充分考慮了UE的移動情況，根據(jù)UE的運動方向和移動速度來選擇目標小區(qū)，給用戶分配優(yōu)先級，按照優(yōu)先級的高低分配信道的使用權(quán)，提高資源的利用率。由仿真結(jié)果可以看出，改進的新切換算法在降低切換阻塞率上具有明顯的優(yōu)越性。

此外，改進的切換算法雖然是針對TD－SCDMA系統(tǒng)研究的，但這一改進思想對于蜂窩系統(tǒng)均具有一定的借鑒意義。

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