软切换中基于双队列模型的排队算法研究

摘要:根据真正的软切换请求和虚假的软切换请求建立的主队列和从队列的双队列模型虽然在一定程度上降低了掉话率,但根据请求到达的先后顺序排队以确定优先级的排队算法没有考虑到移动台的速度、离基站的距离和信号的衰落程度等,这在一定程度上又增加了掉话率。所以,为了更好地降低掉话率,对主队列和从队列的排队算法进行了重新的设计。把信号预测优先级排队方案SPPQ和最小逗留时间方案MDT相结合应用于主队列,从队列则采用设置门限值的方法,使得系统性能得到更大的提高。

关键词:软切换;双队列模型;排队算法;掉话率;SPPQ;MDT

中图分类号:TP301文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)22-pppp-0c

在移动通信系统中,当处于连接状态的移动台从一个基站覆盖区移动到另一个基站覆盖区时,或者是由于受到外界的干扰或其他原因使通信质量急速下降时,为了使通信不中断,通信网控制系统通常会启动切换过程来保证移动台的业务传输。此时的切换可分为硬切换和软切换过程。

硬切换的过程是移动台先断开与原基站的连接,然后与新的目标基站建立连接,是一个“break-before-make”过程。在FDMA和TDMA系统中,所有的切换都是硬切换。如果在一定区域里两基站信号强度剧烈变化,移动台就会在两个基站间来回切换,产生所谓的"乒乓效应",一方面给交换系统增加了负担,另一方面也增加了掉话的可能性。软切换过程是一个“make-before-break”过程,当移动台处于软切换状态下,同时将会有两个甚至更多的基站对它进行监测,系统中的基站控制器将逐帧比较来自各个基站的关于此移动台的信号质量报告,并选用最好的一帧。软切换大大降低了掉话产生率,保证了通信的可靠性。

切换过程是移动通信系统最重要的过程之一,因为它不仅影响着小区边界处的呼叫服务质量,还与网络的负载情况有着紧密的联系。如果切换过程进行得不好的话,很可能造成小区的过载和移动台的“掉话”现象,使网络服务质量大大下降,这就需要我们有更好的切换算法来提高网络服务质量。

1 双队列模型

在移动通信系统的软切换过程中,处于切换状态的移动台(手机)要同时占有两个或多个信道,这在系统资源比较紧张的时候,会造成呼叫拥塞和切换阻塞,而为了减少由于系统资源紧缺造成的呼叫拥塞和切换阻塞,人们提出了软切换的排队算法[4],该算法的中心思想是:对出现的软切换请求进行排队,即给与相应的优先级,同时考虑移动台的移动方向,是一种基于移动方向的软切换算法。如图1所示。

假设移动台MS1和MS2的原基站均为BS1,开始状态下移动台MS1和MS2都向基站BS2方向移动,处于切换状态的MS1和MS2由基站BS1和BS2进行监测,所以MS1和MS2既享有BS1分配的信道外,同时还享有BS2分配的信道。对于图1中的状态1来说,同时为MS1和MS2分配两个信道是为了保证软切换的顺利进行,但是到达状态2时,MS2因为某种原因突然改变方向,又反向返回原基站BS1方向,此时BS2为MS2分配的信道为无用信道,造成系统资源的浪费,所以认为MS2对BS2所提出的切换请求是一种虚假的软切换请求,系统应拒绝为其分配信道,这样BS2基站节省下来的信道可以用于其它服务以提高信道的有效利用率。由于MS1在切换区内没有改变方向,最终应该切换到BS2,所以按照正常的软切换原理对其分配两个信道,对于多个这样的软切换请求,按照其到达的先后顺序排队,此队列称之为主队列。

另外,还应该考虑另外一种情况,如图2所示,假设被基站BS2认为是虚假软切换请求的移动台MS2又由于某种原因向基站BS2方向移动,且最终被切换到BS2,如果一开始BS2按照虚假请求拒绝为其分配信道的话,难免造成MS2的掉话,所以,把最初认定为虚假的软切换请求进行排队,并把此队列称之为从队列。主队列和从队列的设置,更好地区分了真正的软切换请求和虚假的软切换请求,降低了掉话率。

2 排队算法

对切换排队算法的研究中,主要有以下几种方案:

2.1 先进先出方案(FIFO)

FIFO按照先到先服务的原则,根据切换呼叫的到达顺序决定该呼叫的优先级,最先到达的具有最高的优先级,即只要有空闲信道,基站就先把空闲信道分配给这个呼叫,队列中呼叫的优先级是固定不变的。这种方案实现起来比较简单,但是这种简单的先进先出的排队方案并没有考虑各类移动台的信息,例如:移动的速度、离基站的距离等等,因此在性能提高上具有一定的缺陷。

2.2 基于测量的切换排队方案(MBPS)

MBPS根据移动台的接收功率来设置切换呼叫的优先级,因为按照一般情况,具有较高接收功率的移动台一般将有更多的时间保持呼叫,而较低接收功率的移动台在相同的时间内,更容易产生掉话。该方案的准则为:接收功率最小的移动台设置为最高的优先级。它对FIFO排队方案是一种改进,但是仍然没有考虑移动台的速度问题,接收功率最小的移动台不一定最先离开切换区域,所以此方案也存在一定的缺陷。

2.3 信号预测优先级排队方案(SPPQ)

该方案使用接收功率和接收功率的改变值来确定移动台的优先级,是MBPS方案的一种改进。在个人通信系统环境中,SPPQ方案的掉话率与FIFO排队相比有20%的改善,代价是稍微增加了呼叫阻塞率(

2.4 最小逗留时间方案(MDT)

这种方案的主要思想是:当存在空闲信道时,系统把这个可用空闲信道分配给最先可能掉话的那个呼叫请求,也就是将要第一个穿出切换区域的呼叫。

作为切换策略中的一种,切换排队在一定程度上降低了切换掉话率。队列中切换呼叫的优先级按照不同的切换排队算法进行不同顺序的排队,这样也可以降低切换呼叫的掉话率,但是需要根据实际情况选择更合适的排队算法。

3 应用于双队列模型的排队算法

根据真正的软切换请求和虚假的软切换请求建立的主队列和从队列的双队列机制虽然在一定程度上降低了掉话率,但是根据切换请求到达的先后顺序进行排队(FIFO)确定优先级的算法没有考虑到移动台的速度、离基站的距离和信号的衰落程度等,这在一定程度上又增加了掉话率,所以,为了更好地降低掉话率,需要对主队列和从队列的排队算法进行重新设计。

SPPQ方案根据接收功率和接收功率的改变值来确定移动台的优先级,MDT方案根据在发出切换请求的移动台在切换区逗留时间情况确定优先级,SPPQ和MDT方案对于FIFO方案来说,都有相应的改进,把SPPQ方案和MDT方案应用于主队列以提高系统的性能。如果直接把SPPQ方案应用于主队列,考虑到了信号的衰落情况,但是忽略了移动台的移动速度,如果直接把MDT方案应用到主队列,考虑到了移动台的移动速度,却又忽略了信号的衰落程度,所以把两种方案相结合。假设A为预测移动台发出切换请求到信号衰落到掉话所经历的时间,B为移动台发出切换请求到移动台穿出切换区域的时间,A和B中任何一个时间的到达都会产生掉话现象,所以把MIN(A,B)作为确定优先级的依据,MIN(A,B)的值越小,优先级越高,此种方案既考虑了信号的衰落程度,又考虑了移动台的移动速度,并且以掉话产生的最小时间确定响应切换请求的优先级,大大降低了掉话产生率。

对于虚假切换请求的从队列来说,采用动态刷新的方法以便及时识别出真正的软切换请求,识别出来的软切换请求同样按照计算出来的优先级插入到主队列的相应位置,其它的请求则继续停留在从队列,把移动台穿越切换区的时间值作为门限,当移动台发出切换请求时开始计时,如果到达门限值时还没有转为真正的切换请求,就认为此移动台已经穿出切换区,此时把切换请求从从队列中移除。

改进的排队算法在一定程度上提高了系统的性能,但是对于实时的通信业务,排队时延的增加也是不能忽视的一个问题。另外还可能出现这样一种情况,因为系统无空闲的信道而导致掉话的产生,所以如果能合理地预留一部分信道作为软切换请求使用,预留的信道又不至于产生新呼叫请求的阻塞,这对系统性能的提高有很大的帮助。

参考文献:

[1] Mooi Choose chuah,Qinqing Zhang.Design and Performance of 3G Wireless Networks and Wireless LANs[M].科学出版社,2007.

[2] Ramjee Prasad,Werner Mohr,Walter Konhauser.Third generation mobile communication systems[J].Publishing House of Electronics Industry,2001,1:169.

[3] 殷树友,黄岚.Qinqing Zhang. CDMA网络中切换策略的研究[J].吉林大学学报(信息科学版),2006,24,(5).

[4] 朱志强.CDMA软切换的队列模式[J].山东科技大学学报(自然科学版),2002,21(2).