多級蜂窩網(wǎng)絡(luò)速度門限的選擇

多級蜂窩網(wǎng)絡(luò)速度門限的選擇

為了滿足移動互聯(lián)網(wǎng)的巨大增加，多段蜂窩網(wǎng)絡(luò)的研究越來越受到重視。多級蜂窩網(wǎng)絡(luò)通常包括微蜂窩層和宏蜂窩層(如圖1),宏蜂窩層覆蓋在微蜂窩層上。在多級蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,為了充分利用資源和減少越區(qū)切換,通常將快速用戶分配給宏蜂窩層,低速用戶分配給微蜂窩層。如果將快速用戶分配給微蜂窩層,將會產(chǎn)生多次切換,這將增加中心交換機的負(fù)載;另一方面,如果將低速用戶分配給宏蜂窩層,宏蜂窩中為其它高速用戶分配的信道就會被占用。所以速度門限設(shè)置是否恰當(dāng)在多級蜂窩網(wǎng)絡(luò)中非常重要。關(guān)于移動臺速度測量和預(yù)測方法,已有不少研究成果,如通過蜂窩停留時間和接收功率變化率等。傳統(tǒng)的多級蜂窩網(wǎng)絡(luò)層選通常采用預(yù)設(shè)門限,在進(jìn)行資源分配時,無論采用移動臺預(yù)測速度還是使用實測蜂窩停留時間,都將它和一個預(yù)先確定好的門限值進(jìn)行比較,以確定分配此呼叫到微蜂窩層或宏蜂窩層。這些方法的一個共同缺點是沒有考慮到系統(tǒng)負(fù)載的動態(tài)變化。例如,當(dāng)系統(tǒng)業(yè)務(wù)量很低時,即使某移動臺呼叫速度較低,為避免不必要的越區(qū)切換,也應(yīng)該將它分配給宏蜂窩層。這時,固定預(yù)設(shè)門限顯然不能滿足要求。為了解決這一問題,KennethShim和ChiWanSung提出了多級蜂窩網(wǎng)絡(luò)模糊層選方法FLS。將層選基于呼叫在微、宏蜂窩的停留時間CDT。FLS策略的性能比一般的固定門限策略要好,但是并沒有考慮新呼叫阻塞率和切換呼叫失敗率之間的相互影響。本文定義了一個宏、微二級蜂窩網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo),該指標(biāo)不僅考慮了微蜂窩層新呼叫阻塞率和切換呼叫失敗率,而且考慮了宏蜂窩層新呼叫阻塞率和切換呼叫失敗率。在此基礎(chǔ)上,提出了保證整個系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的層選速度門限算法。此門限能根據(jù)業(yè)務(wù)量的變化而改變以使整個系統(tǒng)的QoS達(dá)到最佳。和很多文獻(xiàn)一樣,本文假定呼叫在發(fā)起時已經(jīng)測出了其移動速度。1移動臺快速響應(yīng)函數(shù)(1)移動臺模型令微蜂窩和宏蜂窩分別具有半徑Ru和Rm,以7蜂窩模型為例,有Rm=3×Ru。假設(shè)移動臺在蜂窩中均勻分布,其位置由其距離中心的長度r和角度θ表示(如圖2)(本文將六邊形蜂窩近似為圓形以簡化分析)。則rψ和θψ(ψ∈{u,m},(ψ=u)表示微蜂窩層,(ψ=m)表示宏蜂窩層,下同)是隨機變量且分別具有以下概率密度函數(shù)(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)假定移動臺速度v在為其服務(wù)的蜂窩中不變(可能是微蜂窩或者宏蜂窩)并且在[0,vmax]中均勻分布,則速度的pdf為fv(v)={1vmax0≤v≤vmax0elsewhere(3)fv(v)={1vmax00≤v≤vmaxelsewhere(3)(2)呼叫時間引入隨機變量Tn,ψ(ψ∈{u,m}),它代表呼叫在其初始微蜂窩(ψ=u)或初始宏蜂窩(ψ=m)中的停留時間。根據(jù)文獻(xiàn),其pdf為fΤ,ψ(t)={4Rπvmaxt2[1-√1-(vmaxt2R)2]0≤t≤2Rvmax4Rπvmaxt2t＞2Rvmaxψ∈{u,m}(4)假設(shè)所有呼叫的總時間tall服從均值η和方差σ2的正態(tài)分布,則有其pdf為ftall(t)=[1√2πσ2]-(t-η)22σ2t＞0(5)2單次給藥后的不滿意度qos令λ表示一個微蜂窩中的平均新呼叫發(fā)起率(它有可能分配到微蜂窩或宏蜂窩),λnu表示λ中應(yīng)該分配給微蜂窩層服務(wù)的平均新呼叫到達(dá)率,由于本文以常用的7蜂窩覆蓋為研究對象,所以λnm/7表示λ中應(yīng)該分配給宏蜂窩層服務(wù)的平均新呼叫到達(dá)率。考慮到速度門限,則有λ=λnu+λnm/7(6)式中,λnu=λ×P(V<Vth);λnm=7×λ×P(V≥Vth)。微蜂窩的平均切換到達(dá)率為λhu=λnu?tall＞tnuftnu(t)ftall(t)dtnudtall(7)宏蜂窩的平均切換到達(dá)率為λhm=λnm?tall＞tnmftnm(t)ftall(t)dtnmdtall(8)若考慮了預(yù)留信道方案(RCS),假設(shè)一個蜂窩中總共有信道數(shù)Cψ,其中切換呼叫預(yù)留信道數(shù)為Cgψ,平均服務(wù)率為μψ,一個蜂窩新呼叫到達(dá)率和切換呼叫到達(dá)率分別為λnψ和λhψ。則此蜂窩的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。新呼叫只有在蜂窩中被占用信道數(shù)小于Cψ-Cgψ才被接受,否則被拒絕。切換呼叫只有蜂窩中被占用信道數(shù)等于Cψ時才被拒絕。令Pψ,j為蜂窩中j個信道被占用的概率,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和切換失敗概率Ph,ψ分別為Ρn,ψ=Cψ∑j=Cψ-CgψΡψ,jΡhψ=Ρψ,Cψ(11)令Gψ為蜂窩層(ψ=u)或(ψ=m)的QoS,它是單層蜂窩系統(tǒng)中對新呼叫阻塞率和切換呼叫失敗率的折中后的總體用戶不滿意度,令αψ參數(shù)表示新呼叫阻塞率和切換呼叫失敗率之間折中的一個參數(shù),比如:αψ=0.1時,表明新呼叫阻塞率在不滿意度中占的衡量比重為10%,而切換失敗率在不滿意度中占的衡量比重為90%,所以切換失敗率在不滿意度中所占比重更大(因為,相比于新接入通信網(wǎng)失敗而言,用戶更不滿意由于切換失敗而使正在進(jìn)行的通話中斷,所以切換失敗所占的比重要大)。據(jù)目前的研究資料,αψ取0.1可以得到較好的用戶滿意度。所以有Gψ=αψΡn,ψ+(1-αψ)Ρh,ψ(12)ψ∈{u,m}且αψ∈,αψ一般取0.1當(dāng)新呼叫到達(dá)時,系統(tǒng)將其速度與速度門限進(jìn)行比較以確定分配到宏蜂窩層還是微蜂窩層。為了使系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量在不同的業(yè)務(wù)量下最優(yōu),速度門限需要動態(tài)變化。若定義了一個二層系統(tǒng)下的QoS,令Λnu、Λ分別表示一個微蜂窩中新呼叫到達(dá)率和總呼叫到達(dá)率,G表示二層系統(tǒng)的QoS,它同時考慮了微蜂窩層的QoS和宏蜂窩層的QoS,也是本文定義的各層用戶QoS的期望,即一個二層蜂窩系統(tǒng)總體的期望服務(wù)質(zhì)量,但是為了歸一化,用各層用戶數(shù)量所占總用戶數(shù)的百分比代替了用戶數(shù)量,所以令β=Ρ(V＜Vth)=ΛnuΛ,且可以得到G=βGu+(1-β)Gm(13)顯然,如果G越小,整個系統(tǒng)的性能就越佳。系統(tǒng)的目標(biāo)就是找到不同業(yè)務(wù)量下的最佳速度門限。然而,G不能用封閉的表達(dá)式顯示,但可以將它寫成一組變量的函數(shù)G=G(Λ,Vth,Vmax?Cu,Cm,gu,gm,αψ)(14)對一個給定的FCA宏、微二級蜂窩網(wǎng)絡(luò),Cu、Cm、gu、gm都是確定的,αψ一般取0.1,故可以得到在一定業(yè)務(wù)量下G與速度門限的曲線,曲線最低處所對應(yīng)的速度門限就是最優(yōu)速度門限。3數(shù)據(jù)與性能分析(1)總信數(shù)和總信道數(shù)系統(tǒng)中呼叫最大移動速度Vmax=60km/h,宏蜂窩和微蜂窩中的信道數(shù)分別為40、10,預(yù)留信道數(shù)和總信道數(shù)之比均為1∶10,即sm=40,su=10,設(shè)um=6×uu?gmCm=guCu=1/10,通話總時間tall服從N(360,1202)的正態(tài)分布,微蜂窩半徑Ru=300m,宏蜂窩半徑Rm=3×Ru=900m,業(yè)務(wù)量愛爾蘭從2到30,速度門限從0.1×Vmax到1×Vmax。(2)維圖形的確定從圖4可以看出:對某一個速度門限,服務(wù)質(zhì)量G隨業(yè)務(wù)量的增加而增加。而對某一個業(yè)務(wù)量,G隨速度門限的增加而可能增加或減少。從圖5的二維圖形可以看得更清楚,G可能有一或二個極小值點。速度門限也不是業(yè)務(wù)量的單調(diào)函數(shù),它可能隨業(yè)務(wù)量的增加而增加,到達(dá)一個極大值后,隨業(yè)務(wù)量的增加而減少,它的變化與業(yè)務(wù)量的變化范圍有關(guān)。圖5也很直觀地表現(xiàn)了動態(tài)調(diào)整速度門限的重要性,比如,在業(yè)務(wù)量為2Erlang時,速度門限定為0.26Vmax,可以得到最優(yōu)的G,但當(dāng)業(yè)務(wù)量為9Erlang時,速度門限應(yīng)該定為0.46×Vmax才能使系統(tǒng)的QoS最佳。4業(yè)務(wù)模型假設(shè)通過定義多層蜂窩網(wǎng)絡(luò)層選服務(wù)質(zhì)量,提出了一種保證整個系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的層選速度門限確定算法。該門限能根據(jù)業(yè)務(wù)量的變化而改變以使整個系統(tǒng)的QoS達(dá)到最佳。本文假定的業(yè)務(wù)模型,略去了實