分層小區(qū)系統(tǒng)自適應(yīng)控制擇層策略

分層小區(qū)系統(tǒng)自適應(yīng)控制擇層策略

1時(shí)間門限的相對固定在社區(qū)層的無線移動(dòng)通信系統(tǒng)中，社區(qū)層的選擇是一項(xiàng)與無線管理、移動(dòng)管理等密切相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。到目前為止有關(guān)分層小區(qū)系統(tǒng)的擇層策略有四種:殘余小區(qū)逗留時(shí)間策略、功率電平補(bǔ)償策略、指數(shù)平均策略和模糊擇層策略。殘余小區(qū)逗留時(shí)間策略和指數(shù)平均策略利用時(shí)間門限進(jìn)行層與層之間的選擇,功率電平補(bǔ)償策略利用功率補(bǔ)償和時(shí)間門限相結(jié)合進(jìn)行層選,模糊擇層策略則把信道利用率和時(shí)間門限相結(jié)合,通過模糊函數(shù)集和模糊算法來進(jìn)行層選。上述四種層選策略都利用時(shí)間門限來作為移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行層選的依據(jù),但是它們有一個(gè)共同的缺點(diǎn)即其時(shí)間門限都是相對固定的。殘余小區(qū)逗留時(shí)間策略和指數(shù)平均策略的時(shí)間門限對應(yīng)于一速度門限,功率電平補(bǔ)償策略使用了類似于定時(shí)器的方式,它們對移動(dòng)臺(tái)的劃分都是粗顆粒度的,模糊擇層策略對移動(dòng)臺(tái)的劃分顆粒度相對前三種要細(xì),但是用于層選的四個(gè)時(shí)間門限仍是相對固定的。正是由于時(shí)間門限的相對固定,這四種層選策略對業(yè)務(wù)流量的變化不敏感,缺乏靈活性和應(yīng)變能力。需要指出的是,模糊擇層策略已被證明優(yōu)于其余三種層選策略。注意到分層小區(qū)系統(tǒng)層選問題的實(shí)質(zhì)是:兼顧移動(dòng)性、信令負(fù)載等各方面情況,研究更合理地分配小區(qū)層資源的策略。圍繞這個(gè)核心,本文做了以下幾個(gè)工作:第一,從平衡分層小區(qū)系統(tǒng)各小區(qū)層的信道利用率(某個(gè)小區(qū)已占用的信道數(shù)與總信道數(shù)之比)出發(fā),提出了一種具有較強(qiáng)靈活性和應(yīng)變能力的,適用于多種多址方式(TDMA、FDMA以及CDMA)的自適應(yīng)控制擇層策略。第二,提出了基于幾何參數(shù)的方向可變的微小區(qū)移動(dòng)模型。根據(jù)這一模型,可以得到移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)內(nèi)的逗留時(shí)間的統(tǒng)計(jì)特性,確定輔助門限。在以前的研究工作中,或者假設(shè)移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)內(nèi)方向不變,或者采用仿真的方法來得到小區(qū)逗留時(shí)間。本文提出的小區(qū)移動(dòng)模型相對文獻(xiàn)中的模型更接近實(shí)際情形,而相對文獻(xiàn)中的模型來說由于能得到微小區(qū)逗留時(shí)間的統(tǒng)計(jì)特性表達(dá)式而體現(xiàn)出優(yōu)勢。第三,不同于以往預(yù)測移動(dòng)臺(tái)在某一小區(qū)的逗留時(shí)間的方法,本文利用各小區(qū)逗留時(shí)間之間的相關(guān)性對移動(dòng)臺(tái)在將要進(jìn)入的下一小區(qū)中的逗留時(shí)間進(jìn)行預(yù)測估計(jì),此外,自適應(yīng)控制擇層策略的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,由于時(shí)間門限是自適應(yīng)變化的,其對移動(dòng)臺(tái)的劃分顆粒度較前四種策略都要細(xì)。該策略的仿真結(jié)果也表明其具有良好的性能。2微信移動(dòng)方向隨馬開系數(shù)的變化移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)中的逗留時(shí)間取決于移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)內(nèi)的移動(dòng)距離和速度,而移動(dòng)距離的長短與移動(dòng)方向有關(guān)。實(shí)際中移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)方向是隨機(jī)變化的,移動(dòng)速度的改變也是隨機(jī)的,這使得移動(dòng)臺(tái)小區(qū)逗留時(shí)間的計(jì)算變得非常復(fù)雜,通常經(jīng)過簡化小區(qū)移動(dòng)模型來獲得小區(qū)逗留時(shí)間的統(tǒng)計(jì)特性。未來的無線移動(dòng)多媒體通信網(wǎng)中小區(qū)尺寸會(huì)越來越小,移動(dòng)臺(tái)在一個(gè)小區(qū)內(nèi)移動(dòng)方向的變化相對會(huì)越來越少。在此前提下,本文基于幾何參數(shù)的移動(dòng)方向可變的微小區(qū)移動(dòng)模型中,移動(dòng)臺(tái)在微小區(qū)內(nèi)可以最多改變一次方向,在發(fā)起呼叫的微小區(qū)內(nèi)不改變方向。此處只討論前一種情況,對于后一種情況見參考文獻(xiàn)。移動(dòng)臺(tái)在微小區(qū)內(nèi)最多改變一次方向的移動(dòng)模型如圖1所示,假定移動(dòng)用戶由A點(diǎn)進(jìn)入微小區(qū),在B點(diǎn)改變一次方向,最后從C點(diǎn)離開該微小區(qū)。在?OAB中,由正弦定理其中移動(dòng)臺(tái)在一個(gè)微小區(qū)內(nèi)的均值逗留時(shí)間為3自適應(yīng)控制門限對于TDMA/FDMA系統(tǒng),宏小區(qū)和微小區(qū)的信道數(shù)是變量或是常量取決于宏小區(qū)和微小區(qū)是采用固定信道分配還是動(dòng)態(tài)信道分配。對于CDMA系統(tǒng),系統(tǒng)容量受到干擾的限制,而無論是移動(dòng)臺(tái)受到的下行鏈路干擾還是基站受到的上行鏈路干擾都是時(shí)變的。因此,宏小區(qū)和微小區(qū)的信道數(shù)(可容納的用戶容量)是一個(gè)變量。盡管如此,當(dāng)呼叫在某一時(shí)刻t到達(dá)時(shí),微小區(qū)(i,j)和宏小區(qū)(i)在該時(shí)刻的信道數(shù)卻是一定的。這表明,在CDMA系統(tǒng)中也可以應(yīng)用自適應(yīng)控制擇層策略。令Γ(t)為時(shí)刻t宏小區(qū)(i)的信道利用率與宏小區(qū)(i)和微小區(qū)(i,j)的信道利用率之和的比值,即其中u(i)(t)、u(i,j)(t)分別表示時(shí)刻t宏小區(qū)(i)和微小區(qū)(i,j)的信道利用率,通過令式(15)和式(18)相等來求得自適應(yīng)速度門限因此,歸一化的自適應(yīng)時(shí)間門限為從上面可以看出,在自適應(yīng)控制擇層策略中,自適應(yīng)速度門限隨著呼叫業(yè)務(wù)所在的微小區(qū)和宏小區(qū)的信道利用率而變化。當(dāng)宏小區(qū)的信道利用率高而微小區(qū)的信道利用率低時(shí),自適應(yīng)速度門限將自動(dòng)調(diào)節(jié)至一個(gè)較高的值,自適應(yīng)時(shí)間門限將自動(dòng)調(diào)節(jié)至一個(gè)較低的值,以便讓更多的呼叫業(yè)務(wù)接入微小區(qū);相反,當(dāng)微小區(qū)的信道利用率高而宏小區(qū)的信道利用率低時(shí),自適應(yīng)速度門限將自動(dòng)調(diào)節(jié)至一個(gè)較低的值,自適應(yīng)時(shí)間門限將自動(dòng)調(diào)節(jié)至一個(gè)較高的值,以便讓更多的呼叫業(yè)務(wù)接入宏小區(qū)。與此同時(shí),自適應(yīng)控制擇層策略也考慮了下面兩個(gè)方面:一方面,快速移動(dòng)帶來的頻繁切換必將引起信令負(fù)載的增加,當(dāng)速度太快時(shí),信令負(fù)載的增加太大,甚至有可能使得移動(dòng)臺(tái)來不及與基站建立連接。于是,在自適應(yīng)控制擇層策略中設(shè)置了一個(gè)快速輔助門限fT,fT應(yīng)滿足為歸一化小區(qū)逗留時(shí)間的概率密度函數(shù),易由式(16)得到?？焖佥o助門限防止會(huì)使信令負(fù)載增加太大的移動(dòng)臺(tái)被接入微小區(qū)層,同時(shí)也防止來不及和基站建立連接的移動(dòng)臺(tái)被接入微小區(qū)層。速度不太快的情況下,可以不設(shè)置此快速輔助門限。另一方面,如果慢速移動(dòng)臺(tái)被接入宏小區(qū),可能占用宏小區(qū)信道較長的時(shí)間,影響了其它移動(dòng)臺(tái)的接入。因此,在自適應(yīng)控制擇層策略中設(shè)置了一個(gè)慢速輔助門限sT(auxiliary),sT應(yīng)滿足。其目的就是防止此類情形的發(fā)生。應(yīng)該注意的是,無論如何,最終確定的門限Tth(t)不能小于fT,也不能大于sT。在實(shí)際系統(tǒng)中,移動(dòng)臺(tái)的速度相對來說難以獲得,因此需要預(yù)測呼叫在將要進(jìn)入的下一個(gè)小區(qū)的逗留時(shí)間,以便與門限進(jìn)行比較。在自適應(yīng)控制擇層策略中,利用第N次切換發(fā)生后將要進(jìn)入的第N+1個(gè)小區(qū)的逗留時(shí)間與前N次切換發(fā)生前所在的N個(gè)小區(qū)的逗留時(shí)間之間的相關(guān)性,對呼叫在第N+1個(gè)小區(qū)的歸一化逗留時(shí)間進(jìn)行預(yù)測估計(jì)其中R(i)和T(i)分別為第i次切換發(fā)生前所在小區(qū)(微小區(qū)或宏小區(qū))的半徑和小區(qū)逗留時(shí)間,τ(i)為呼叫在第i次切換發(fā)生前所在小區(qū)的歸一化小區(qū)逗留時(shí)間,D(τ(i))為τ(i)的方差,cov(τ(i),τ(j))和ρ(τ(i),τ(j))分別為τ(i)和τ(j)的協(xié)方差和相關(guān)系數(shù)。算法:1)分別計(jì)算宏小區(qū)i信道利用率u(i),微小區(qū)(i,j)信道利用率u(i,j),自適應(yīng)時(shí)間門限T(t)、快速輔助門限fT以及慢速輔助門限Ts。2)當(dāng)呼叫業(yè)務(wù)c(t)到達(dá)時(shí),若u(i)=1,u(i,j)<1,該呼叫接入微小區(qū)(i,j);若u(i)=1,u(i,j)=1,該呼叫層選失敗;3)如果T(t)<Tf,那么Tth(t)=Tf;否則Tth(t)=T(t);如果T(t)>Ts,那么Tth(t)=Ts;否則Tth(t)=T(t);4)如果c(t).τ(N+1)≥Tth(t),該呼叫接入微小區(qū)(i,j),否則接入宏小區(qū)i。4不同區(qū)域的單元預(yù)留參數(shù)m/s本文中,建立了一個(gè)包含8×8個(gè)宏小區(qū)且每個(gè)宏小區(qū)覆蓋七個(gè)微小區(qū)的分層小區(qū)系統(tǒng),對自適應(yīng)控制擇層策略(ACLS)和模糊擇層策略(FCLS)的性能進(jìn)行了仿真分析。每個(gè)宏小區(qū)內(nèi)的信道數(shù)為18,每個(gè)微小區(qū)內(nèi)的信道數(shù)為6,微小區(qū)半徑為300m。假設(shè)移動(dòng)臺(tái)的速度分布如圖2所示,速度概率密度函數(shù)的中心速度v0=10m/s,最大速度vm=20m/s,最小速度為零,移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)內(nèi)移動(dòng)方向是隨機(jī)變化的。同時(shí),假設(shè)呼叫業(yè)務(wù)按照泊松過程到達(dá),均勻分布在各小區(qū)內(nèi),呼叫持續(xù)時(shí)間服從均值為3分鐘的指數(shù)分布。設(shè)置N=5,通過統(tǒng)計(jì)的手段得到q(1),q(2),q(3),q(4)和q(5)的值分別為0.23453、0.22411、0.20378、0.17683和0.16075;再由式(21)可以估計(jì)出歸一化小區(qū)逗留時(shí)間。仿真首先在均勻業(yè)務(wù)流量下進(jìn)行,從圖3和圖4可以看出,與FCLS相比,ACLS大幅度地降低了層選失敗概率,其代價(jià)是呼叫業(yè)務(wù)平均切換次數(shù)的輕微增加。也就是說,ACLS顯著改善了業(yè)務(wù)性能,同時(shí)帶來了較少的信令增長,這是值得的。同樣,仿真還在非均勻業(yè)務(wù)流量下進(jìn)行,隨機(jī)選取四分之一的微小區(qū),在這些區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)量是其它微小區(qū)中業(yè)務(wù)量的兩倍。仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。同樣的結(jié)論可以得出。從上面可以看出,ACLS較FCLS有更優(yōu)的性能。圖7和圖8分別給出了微小區(qū)半徑和中心速度與微小區(qū)均值小區(qū)逗留時(shí)間關(guān)系圖。隨著半徑的增大,移動(dòng)臺(tái)在微小區(qū)內(nèi)的均值小區(qū)逗留時(shí)間也隨之增大,而隨著中心速度的增大,移動(dòng)臺(tái)在微小區(qū)內(nèi)的均值小區(qū)逗留時(shí)間不斷減小。5在分層小區(qū)系統(tǒng)中的應(yīng)用分層小區(qū)系統(tǒng)自適應(yīng)控制擇層策略提供了一種有效的層選思路,根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)負(fù)荷的實(shí)時(shí)變化呼叫選擇最適宜的小區(qū)層