多级蜂窝网络速度门限的选择

多级蜂窝网络速度门限的选择

为了满足移动互联网的巨大增加，多段蜂窝网络的研究越来越受到重视。多级蜂窝网络通常包括微蜂窝层和宏蜂窝层(如图1),宏蜂窝层覆盖在微蜂窝层上。在多级蜂窝网络中,为了充分利用资源和减少越区切换,通常将快速用户分配给宏蜂窝层,低速用户分配给微蜂窝层。如果将快速用户分配给微蜂窝层,将会产生多次切换,这将增加中心交换机的负载;另一方面,如果将低速用户分配给宏蜂窝层,宏蜂窝中为其它高速用户分配的信道就会被占用。所以速度门限设置是否恰当在多级蜂窝网络中非常重要。关于移动台速度测量和预测方法,已有不少研究成果,如通过蜂窝停留时间和接收功率变化率等。传统的多级蜂窝网络层选通常采用预设门限,在进行资源分配时,无论采用移动台预测速度还是使用实测蜂窝停留时间,都将它和一个预先确定好的门限值进行比较,以确定分配此呼叫到微蜂窝层或宏蜂窝层。这些方法的一个共同缺点是没有考虑到系统负载的动态变化。例如,当系统业务量很低时,即使某移动台呼叫速度较低,为避免不必要的越区切换,也应该将它分配给宏蜂窝层。这时,固定预设门限显然不能满足要求。为了解决这一问题,KennethShim和ChiWanSung提出了多级蜂窝网络模糊层选方法FLS。将层选基于呼叫在微、宏蜂窝的停留时间CDT。FLS策略的性能比一般的固定门限策略要好,但是并没有考虑新呼叫阻塞率和切换呼叫失败率之间的相互影响。本文定义了一个宏、微二级蜂窝网络的服务质量指标,该指标不仅考虑了微蜂窝层新呼叫阻塞率和切换呼叫失败率,而且考虑了宏蜂窝层新呼叫阻塞率和切换呼叫失败率。在此基础上,提出了保证整个系统服务质量的层选速度门限算法。此门限能根据业务量的变化而改变以使整个系统的QoS达到最佳。和很多文献一样,本文假定呼叫在发起时已经测出了其移动速度。1移动台快速响应函数(1)移动台模型令微蜂窝和宏蜂窝分别具有半径Ru和Rm,以7蜂窝模型为例,有Rm=3×Ru。假设移动台在蜂窝中均匀分布,其位置由其距离中心的长度r和角度θ表示(如图2)(本文将六边形蜂窝近似为圆形以简化分析)。则rψ和θψ(ψ∈{u,m},(ψ=u)表示微蜂窝层,(ψ=m)表示宏蜂窝层,下同)是随机变量且分别具有以下概率密度函数(pdf)frψ(r)={2rR2ψ0≤r≤Rψ0elsewhereψ∈{u,m}(1)fθψ(θ)={12π0≤θ≤2π0elsewhereψ∈{u,m}(2)frψ(r)={2rR2ψ00≤r≤Rψelsewhereψ∈{u,m}(1)fθψ(θ)={12π00≤θ≤2πelsewhereψ∈{u,m}(2)假定移动台速度v在为其服务的蜂窝中不变(可能是微蜂窝或者宏蜂窝)并且在[0,vmax]中均匀分布,则速度的pdf为fv(v)={1vmax0≤v≤vmax0elsewhere(3)fv(v)={1vmax00≤v≤vmaxelsewhere(3)(2)呼叫时间引入随机变量Tn,ψ(ψ∈{u,m}),它代表呼叫在其初始微蜂窝(ψ=u)或初始宏蜂窝(ψ=m)中的停留时间。根据文献,其pdf为fΤ,ψ(t)={4Rπvmaxt2[1-√1-(vmaxt2R)2]0≤t≤2Rvmax4Rπvmaxt2t＞2Rvmaxψ∈{u,m}(4)假设所有呼叫的总时间tall服从均值η和方差σ2的正态分布,则有其pdf为ftall(t)=[1√2πσ2]-(t-η)22σ2t＞0(5)2单次给药后的不满意度qos令λ表示一个微蜂窝中的平均新呼叫发起率(它有可能分配到微蜂窝或宏蜂窝),λnu表示λ中应该分配给微蜂窝层服务的平均新呼叫到达率,由于本文以常用的7蜂窝覆盖为研究对象,所以λnm/7表示λ中应该分配给宏蜂窝层服务的平均新呼叫到达率。考虑到速度门限,则有λ=λnu+λnm/7(6)式中,λnu=λ×P(V<Vth);λnm=7×λ×P(V≥Vth)。微蜂窝的平均切换到达率为λhu=λnu∬tall＞tnuftnu(t)ftall(t)dtnudtall(7)宏蜂窝的平均切换到达率为λhm=λnm∬tall＞tnmftnm(t)ftall(t)dtnmdtall(8)若考虑了预留信道方案(RCS),假设一个蜂窝中总共有信道数Cψ,其中切换呼叫预留信道数为Cgψ,平均服务率为μψ,一个蜂窝新呼叫到达率和切换呼叫到达率分别为λnψ和λhψ。则此蜂窝的状态转移图如图3所示。新呼叫只有在蜂窝中被占用信道数小于Cψ-Cgψ才被接受,否则被拒绝。切换呼叫只有蜂窝中被占用信道数等于Cψ时才被拒绝。令Pψ,j为蜂窝中j个信道被占用的概率,有Ρψ,j={(λhψ+λnψ)j(μψ)jj!Ρψ,00＜j≤Cψ-Cgψ(λhψ)j-n(λhψ+λnψ)n(μψ)jj!Ρψ,0Cψ-Cgψ＜j≤Cψ(9)且Ρψ,0=[n∑j=0(λnψ+λhψμψ)jj!+s∑j=n+1λj-nhψ(λhψ+λnψ)nj!(μψ)j]-1(10)新呼叫阻塞概率Pn,ψ和切换失败概率Ph,ψ分别为Ρn,ψ=Cψ∑j=Cψ-CgψΡψ,jΡhψ=Ρψ,Cψ(11)令Gψ为蜂窝层(ψ=u)或(ψ=m)的QoS,它是单层蜂窝系统中对新呼叫阻塞率和切换呼叫失败率的折中后的总体用户不满意度,令αψ参数表示新呼叫阻塞率和切换呼叫失败率之间折中的一个参数,比如:αψ=0.1时,表明新呼叫阻塞率在不满意度中占的衡量比重为10%,而切换失败率在不满意度中占的衡量比重为90%,所以切换失败率在不满意度中所占比重更大(因为,相比于新接入通信网失败而言,用户更不满意由于切换失败而使正在进行的通话中断,所以切换失败所占的比重要大)。据目前的研究资料,αψ取0.1可以得到较好的用户满意度。所以有Gψ=αψΡn,ψ+(1-αψ)Ρh,ψ(12)ψ∈{u,m}且αψ∈,αψ一般取0.1当新呼叫到达时,系统将其速度与速度门限进行比较以确定分配到宏蜂窝层还是微蜂窝层。为了使系统的服务质量在不同的业务量下最优,速度门限需要动态变化。若定义了一个二层系统下的QoS,令Λnu、Λ分别表示一个微蜂窝中新呼叫到达率和总呼叫到达率,G表示二层系统的QoS,它同时考虑了微蜂窝层的QoS和宏蜂窝层的QoS,也是本文定义的各层用户QoS的期望,即一个二层蜂窝系统总体的期望服务质量,但是为了归一化,用各层用户数量所占总用户数的百分比代替了用户数量,所以令β=Ρ(V＜Vth)=ΛnuΛ,且可以得到G=βGu+(1-β)Gm(13)显然,如果G越小,整个系统的性能就越佳。系统的目标就是找到不同业务量下的最佳速度门限。然而,G不能用封闭的表达式显示,但可以将它写成一组变量的函数G=G(Λ,Vth,Vmax‚Cu,Cm,gu,gm,αψ)(14)对一个给定的FCA宏、微二级蜂窝网络,Cu、Cm、gu、gm都是确定的,αψ一般取0.1,故可以得到在一定业务量下G与速度门限的曲线,曲线最低处所对应的速度门限就是最优速度门限。3数据与性能分析(1)总信数和总信道数系统中呼叫最大移动速度Vmax=60km/h,宏蜂窝和微蜂窝中的信道数分别为40、10,预留信道数和总信道数之比均为1∶10,即sm=40,su=10,设um=6×uu‚gmCm=guCu=1/10,通话总时间tall服从N(360,1202)的正态分布,微蜂窝半径Ru=300m,宏蜂窝半径Rm=3×Ru=900m,业务量爱尔兰从2到30,速度门限从0.1×Vmax到1×Vmax。(2)维图形的确定从图4可以看出:对某一个速度门限,服务质量G随业务量的增加而增加。而对某一个业务量,G随速度门限的增加而可能增加或减少。从图5的二维图形可以看得更清楚,G可能有一或二个极小值点。速度门限也不是业务量的单调函数,它可能随业务量的增加而增加,到达一个极大值后,随业务量的增加而减少,它的变化与业务量的变化范围有关。图5也很直观地表现了动态调整速度门限的重要性,比如,在业务量为2Erlang时,速度门限定为0.26Vmax,可以得到最优的G,但当业务量为9Erlang时,速度门限应该定为0.46×Vmax才能使系统的QoS最佳。4业务模型假设通过定义多层蜂窝网络层选服务质量,提出了一种保证整个系统服务质量的层选速度门限确定算法。该门限能根据业务量的变化而改变以使整个系统的QoS达到最佳。本文假定的业务模型,略去了实