基于罚函数的自适应全半切换算法

提出了一种全半速率自适应切换的算法，基于话务情况，自适应调整话务忙门限，实现全半速率占比动态分配。该算法通过网络选择路损、转换电平门限和质量保护门限来保证质量及容量，通过全半切换的统计、判决时间来避免乒乓切换和保证信道连续性，并最终归结为约束优化问题，且利用罚函数法进行求解。最后应用于现网高话务量场景进行功能验证。

罚函数 自适应 全半切换

中图分类号：TN911.14 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-06-0077-04

1 引言

GSM、TD-SCDMA、WLAN、LTE四网在未来将长期共存并互为补充，而GSM主要承载话音、短信业务等。随着投资紧缩，如何利用现有资源为用户提供更大的容量成为当前GSM研究的重点。为了根据实时话务动态调整小区全速率和半速率（以下简称全半速率）占比，提升用户语音感受，引入了全半速率切换技术。然而，传统的全半速率占比调整方法[1]由人工根据过往话务进行评估，既耗时又耗力。

本文将考虑全半速率分配问题，这个问题一般被建模成网络选择路损受限等约束条件下的话务忙门限优化问题，因此可以用拉格朗日乘子法进行求解[2]。将该算法应用于现网，以验证算法的有效性。

2 系统模型

全速率话音信道采用脉冲激励长期预测编码方式，半速率话音信道采用矢量和激励线性预测编码方式。话务忙门限THRTCHBUSY0是用户接入网络时分配全半速率信道的标准。当小区负荷低于话务忙门限，用户接入/切入网络时分配全速率信道；当小区负荷高于话务忙门限，用户质量优于路损门限，则为用户分配半速率信道。当小区负荷高于全半切换负荷门限时，网络选择路损最小（电平最优）的全速率用户触发全半切换，以降低网络负载和保证半速率用户的质量；在该过程中根据小区的实际负荷精确计算待切换的用户个数，以尽量降低半速率占比。当小区负荷低于半全切换负荷门限时，网络根据信道位置选择用户触发半全切换，以保证用户的语音感受和PS信道连续性[3]；在该过程中根据小区的实际负荷精确计算待切换的用户个数，以防止乒乓切换。

针对实时接入用户i的优化目标应该是在保证用户质量的前提下，最小化系统的资源占用[4]，其目标函数如下：

（1）

为保证用户话音质量，需选择路损最小即信号电平最好的用户来分配半速率，可用式（2）表示：

（2）

同时同个小区内，每个载波j最多分配2个用户，可用式（3）表示：

（3）

为用户分配的信道只有半速率信道和全速率信道两种，可用式（4）表示：

（4）

网络根据信道位置选择用户触发全半/半全切换，以保证用户感知和信道使用的连续性。总载波数可用式（5）表示：

（5）

同时为防止乒乓切换，用户要进行切换前需达到切换统计时间才进入切换候选队列，且切换持续时间必须达到设置值，即：

Tcount≥Tcount0，Tlast≥Tlast0 （6）

3 自适应全半切换算法

在满足用户通话质量的前提下，为使小区内占用的资源最少，可得到以下优化问题：

Pi∈（1，1/2）

将约束问题放到目标函数中，能使目标函数成为一个罚函数，可用式（7）所示：

P（x，Mk）=f（x）+Mk{[min（0， g（x））]2} （7）

则：

g （8）

其中，Mk是一个按一定步长变化的相对大的数。

因此，每次有新用户接入时，则按全半切换算法流程执行全半速率信道的分配，如图1所示。由于目标函数可以归结为一个罚函数，因此能用各种最优化方法来求解。本文所提出的问题模型比较简单，可采用直接搜索的方法经过若干次迭代搜索到最优点。

4 现网验证

基于上文提出的系统模型，采用罚函数法进行求解。由于在不同场景下无线信道资源使用情况不同，为最优化进行资源的使用，研究分场景进行了细分。选择现网中半速率话务量较高、半速率占比较大（接近或大于30%）的场景，根据每线话务量0.8前后和半速率占比达到30%前后分别选取了A、B小区进行全半速率信道切换的验证。场景参数如表1所示：

表1 场景参数

场景 小区 半速率话务比/% 每线话务量

场景一：半速率占比接近30%，每线话务量大于0.6 A 24.4 0.68

场景二：半速率占比大于30%，每线话务量大于0.8 B 42.53 0.9

试验后，场景一在TCH话务量保持不变的情况下，半速率话务比由功能开启前的39.45%下降为5.16%（见图2）；场景二在TCH话务量保持不变的情况下，半速率话务比由功能开启前的48.73%下降为17.37%（见图3）。

功能开启后，上下行TBF建立成功率、下行HQI和干扰带无明显变化。在功能开启后切换拥塞和CS抢占导致PS掉话次数有小幅上升，通过对参数进行微调后，指标趋于正常。如图4所示。

该算法实时对用户负荷情况进行判断，检测数据总量相对15分钟统计少很多，不需要专门的存储器来存储和处理数据，对系统负荷影响不大，且CPU负荷基本不变。

5 结论

由于载频等无线资源是非常宝贵的[5]，因此必须充分利用。归结起来，本文的目的就是通过采用拉格朗日乘子法进行全半/半全速率分配，并应用于现网。文中所提出的方法在保持话务量不变的情况下，能够大大降低半速率比例，在实际应用中可以作为参考。

参考文献：

[1] M Ivanovich， M Zukerman， P Fitzpatrick， et al. Channel Allocation Schemes for Full and Half Rate Connections in GSM[A]. Proc IEEE Int Conf Communications[C]. 1996： 1756-1760.

[2] Dou Ni， Fangjiong Chen， Cunmei Ji. Lagrange Multiplier Based Fair Resource Allocation for MIMO-OFDMA Systems[A]. Proceedings of the 2009 International Conference on Networks Security， Wireless Commnunications and Trusted Computeing[C]. 2009： 218-221.

[3] J Penttinen， F D Calabrese， D Valerdi. Prediction Model for the GSM Dual Half Rate Gain in a Noise-limited Environment Based on Field Measurements and Simulations[A]. Computers and Communications[C]. 2011： 597-602.

[4] 赵清利，纪纯妹. 多小区OFDMA系统基于改进PSA的资源分配算法[J]. 电讯技术， 2011（7）： 133-137.

[5] 张彤. 利用半速率技术解决突发话务频发小区的话务拥塞[J]. 苏州大学学报： 工科版， 2005（2）： 70-72.