2007年3月Journal on Communications March 2007 第28卷第3期通信学报V ol.28No.3多载波蜂窝移动通信系统中的多业务切换算法李剑1,2，胡波1(1.复旦大学电子工程系，上海 200433; 2.上海无线通信研究中心，上海 200050)摘要：提出一种用于多载波蜂窝移动通信系统的子信道合并切换算法。
采用多维Markov链对子信道合并切换算法进行系统建模分析，得到了呼叫阻塞率、切换阻塞率等关键系统性能参数的解析结果。
与切换保护信道算法相比，子信道合并切换算法在对其他类型呼叫性能影响很小的前提下，改善了对带宽要求较高的业务的切换性能。
该算法还可以与其他资源预留切换算法相结合，改善其性能。
关键词：蜂窝式移动通信系统；多业务切换；多维Markov链；多载波通信中图分类号：TN929.53 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2007)03-0085-08Multi-service handoff algorithm used in multi-carrierwireless cellular communication systemLI Jian1,2, HU Bo1(1. Electronic Engineering Department, Fudan University, Shanghai 200433, China;2. Shanghai Research Center for Wireless Communication, Shanghai 200050, China)Abstract: A novel handoff algorithm named sub-channel combination (SCHC) handoff algorithm used in multi-carrier cellular mobile communication system was proposed. Multi-dimensional Markov chain was used to analyze the perform-ances of SCHC handoff algorithm. Analytical results of the key parameters such as handoff blocking probability were ana-lytically obtained. The analysis shows that the proposed scheme of sub-channel combination improves the handoff perform-ance as compared with the guard channel algorithm. The handoff blocking probability for the bandwidth consuming service is decreased while the other communication quality remains unchanged during the handoff. The sub-channel combination scheme can also work with the other resource reservation handoff schemes to improve their performances.Key words: cellular mobile communication system; multi-service handoff; multi-dimensional Markov chain; multi-carrier communication1引言业务种类多样化以及针对多业务的区分服务是未来移动通信网络需要面对的两个主要问题，同时，数据业务将会占有越来越大的比重[1]。
解决这些问题，首先需要从提高系统的频谱资源利用率入手，多载波调制技术，如多载波DS-CDMA （MC/DS-CDMA）和OFDMA技术等[2~5]，由于能有效降低多径和频率选择性衰落对系统性能的影响而得到广泛重视。
其次，未来移动通信系统需要更多的频带资源，通信频段向高频段发展是一个趋势，而“绿色”的无线通信又需要进一步降低发射功率，这就使得未来移动通信系统的小区覆盖范围变得更小，导致用户在移动过程中产生的切换次数增加。
确保不同类型的业务在通信过程中得到不同的切换保障将对系统性能产生重要的影响。
Phone Lin等在文献[6]中对数据语音混和业务网络切换性能进行了分析，但并未考虑数据呼叫的收稿日期：2006-04-24；修回日期：2006-12-29·86·通信学报第28卷切换。
Qian Huang等在文献[7]中，提出了一种具有借用和强占的切换资源预留分配算法，为实时业务切换呼叫提供较高的资源使用优先级。
在文献[8]中Wei Li等提出一种具有切换排队的无线资源分配算法。
这些切换算法，为切换呼叫提供较高的资源使用优先级，同时实时业务呼叫在切换过程中，可以强占使用资源，从而保障了高优先级业务的呼叫连续性。
其中，有一部分算法需要有足够的资源才能实施切换，虽然有切换排队机制，但会带来系统控制处理的额外开销，对于实时业务而言，切换排队还会带来额外的时延；有一部分则是通过降低通信质量，减少对通信资源的需求量来适应切换目标小区中的剩余资源；还有一部分在高优先级切换呼叫的QoS得到保障的同时会对低优先级业务的QoS产生影响，如强占类型的资源分配算法。
通过仿真实验发现，在多业务通信系统中，对带宽要求较多的业务发生切换阻塞，主要是由于切换目标小区的空闲资源不足以维持切换呼叫的正常通信而引起的，并非是由于没有任何空闲资源。
多载波通信技术将传统的物理信道分割成许多个相互正交的子信道进行数据的传输，可以通过由当前服务小区和切换目标小区共同提供子信道的方式，减少切换阻塞的发生，实现一种平滑的切换过渡。
本文提出一种应用于多载波移动通信系统的子信道合并切换算法，给出了该算法的具体实施方式。
采用多维Markov链对多业务蜂窝网络通信系统中子信道合并切换算法性能进行了系统建模分析，得到了切换阻塞率等系统性能关键参数的解析结果。
分析表明，采用子信道合并切换算法可以提高系统资源的使用效率，维持切换过程中的通信质量，降低切换阻塞概率，改善对带宽需求较高的业务的切换性能。
通过仿真实验，验证了理论分析的正确性。
该算法还可以与其他的资源预留切换算法结合，改善其性能。
2多载波蜂窝通信系统中的子信道合并多业务切换算法将系统承载的业务划分为实时业务和非实时业务。
设一个小区分配的到的无线资源总量为R_All，即子信道总数。
在小区中新产生的呼叫，包括实时业务和非实时业务，可以占用的资源总量为R_New，为非实时业务切换呼叫预留的资源为RR_Nreal，为实时切换业务预留的资源为RR_real，其中RR_real与RR_Nreal共用资源。
有关系RR_real>RR_NrealR_New+RR_real=R_All⎧⎨⎩第i类实时业务新呼叫到达速率为irλ，第j类非实时业务新呼叫到达速率为jnrλ，第n类实时业务切换呼叫到达速率为nrhλ，第m类非实时业务切换呼叫到达速率为mnrhλ，资源使用方式如图1所示。
图1 子信道合并切换资源分配策略对于新呼叫，实时业务和非实时业务具有相同的优先级，系统中的已占用资源为R_Used，若呼叫请求的资源量R_req≤R_New-R_Used，则呼叫可以被接纳，否则呼叫被阻塞。
对切换呼叫，非实时业务切换呼叫使用的资源量为R_Nreal=RR_Nreal+R_New。
当非实时业务切换呼叫请求的资源量R_req≤RR_Nreal+ R_New-R_Used时，可以被正常接纳。
与普通切换保护信道算法不同的是，当0<RR_Nreal+R_New- R_Used<R_req时，采用普通切换保护信道算法会阻塞切换呼叫，而子信道合并切换算法则可由切换目标小区和当前服务小区联合分配子信道，构成合成物理子信道组。
终端同时与切换目标小区的基站和当前服务小区的基站进行通信。
对于实时业务切换呼叫而言，可以使用小区中所有的资源R_All，当R_req≤R_All-R_Used时，呼叫可以被正常接纳。
当0<R_All-R_Used<R_req 时，则由切换目标小区和当前服务小区联合分配子信道，构成合成物理子信道组。
终端同时与切换目标小区的基站和当前服务小区的基站进行通信。
系统根据对移动终端候选目标小区集中各个第3期李剑等：多载波蜂窝移动通信系统中的多业务切换算法·87·小区剩余的子信道资源质量监测的结果，选取能为移动终端提供稳定的通信链路质量的子信道构成合成物理子信道组，为移动终端提供通信链路，并形成一张子信道分布表。
具体而言，候选目标小区集由N个基站(BS)组成(N≥1)，BS i提供m i个可用子信道，其中的第j号子信道用CH i,j来标识（1≤i ≤N，1≤j≤m i）。
移动终端需要的物理子信道组由R_req个子信道组成，其中第k个合成子信道用SCH k来标识（1≤k≤R_req）。
系统首先从候选目标小区集中所有的子信道中选取一组对于当前切换用户信道质量最好的子信道，共R_req个，构成一个完整的物理子信道组。
若合成子信道SCH k是由BS i提供的CH i,j，则在第k列中记录下CH i,j，表中每个单元只有一个子信道能填入，而一个子信道一旦已经作为合成子信道使用了，就不能再作为其他合成子信道。
子信道分布表的第k列记录的就是构成合成子信道SCH k的子信道信息。
与硬切换相比，可以有效的避免硬切换过程中产生的乒乓效应，提高切换过程中的通信质量，降低切换掉话率。
而且，切换实施并不需要切换目标小区中的剩余资源可以构成一条完整通信链路，可以有效地避免由于目标小区中缺乏足够的资源而产生的切换阻塞。
在资源余量充足的条件下，可以根据信道的链路状况，在可用的资源中，局部最优地选择资源。
与软切换相比，使用的只是多个小区（≥2）中构成一条完整通信链路的部分资源，能提高资源的使用效率并避免由于目标小区中缺乏足够的资源而产生的切换阻塞。
3系统模型及性能分析3.1业务流量模型假设系统运行足够长的时间后，各个小区的流量特性相同。
采用固定资源分配方式，即分配给各个小区的子信道数R_All相同且数量固定。
分析主要考虑其中一个参考小区的性能即可[7,8]。