面向4G系统的资源感知切换策略的仿真设计与实现.doc

目 录摘 要：4一、绪论5二、4G通信系统简介61、4G通信系统概述62、4G系统关键技术61）OFDM技术62）全IP技术7三、面向4G系统的资源感知切换策略71、切换技术72、切换策略描述71）资源感知方案82）QoS适配方案103）RCH 策略描述11四、仿真结果及分析131、蜂窝小区仿真132、资源感知切换策略仿真分析131）系统切换掉话率仿真132）系统新呼叫阻塞率仿真17五、总结19六、参考文献19附录：19面向4G系统的资源感知切换策略的仿真设计与实现摘 要：4G移动通信系统由于业务传输速率更高，QoS体系更为复杂，全IP技术的采用使得系统的资源管理和控制具有更大的灵活性和更高的复杂度，这些都为通信系统中的无线资源管理带来了新的挑战。随着移动通信技术的发展，现有切换技术无法兼顾切换资源、可靠性和对目标小区影响等因素之间的需求变化，已经不能够适应4G系统的要求。基于以上分析，本文提出了一种新型的资源感知切换策略。它联合资源和导频作为切换的控制参数，同时在切换的过程中采用QoS适配方案。包括实时业务强占非实时业务用户资源以及高业务速率用户的降速思想。仿真结果表明4G系统下与硬切换策略相比，该算法具有更低的切换掉话率和新呼叫阻塞率，高业务速率切换用户对目标小区的影响更小。关键词: 4G；切换；资源感知；QoS适配 一、绪论未来的4G系统是一个全IP化的异构网络，不同的的业务将同时存在于同一个传输平台中，例如音频、视频、多媒体等业务，业务种类多样化和业务QoS需求的多样化是未来4G系统两个重要特点。在4G系统中，数据业务将会占有越来越大的比重，数据业务由带宽需求等产生的多种QoS需求将不可忽视。为了适应未来业务需求的变化，需要进一步提高4G系统的频谱资源利用率。多载波调制技术如OFDM技术等，由于其能有效降低多径和频率选择性衰落对4G系统性能的影响而得到广泛重视。随着移动通信技术的发展，现有切换技术无法兼顾切换资源、可靠性和对目标小区影响等因素之间的需求变化，已经不能够适应4G系统的要求。如何充分的利用系统资源，既保证各种不同QoS需求用户的平滑切换，同时又降低高业务速率用户对目标小区的影响将成为未来4G系统切换技术中的关键问题。因此，本文以此为出发点对4G系统的切换技术进行了研究。本文提出了一种新型的资源感知切换(Resource Cognitive Handover,RCH)策略。它联合资源和导频作为切换的控制参数，同时在切换的过程中采用QoS适配方案，包括实时业务强占非实时业务用户资源以及高业务速率非实时用户的降速思想。该切换策略从资源的角度出发，保证在切换过程中整个系统的资源能够被充分利用，同时保证了不同QoS需求的用户能够平滑切换，降低了高业务速率用户对目标小区的影响。同时基于应用OFDM技术的4G系统级仿真平台对切换策略进行了仿真研究，得出了新型资源感知切换策略的仿真性能，并对其进行了分析。二、4G通信系统简介1、4G通信系统概述4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。简单而言，4G是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路。2、4G系统关键技术1）OFDM技术正交频分复用(OFDM)是多载波调制(MCM)技术的一种。MCM的基本思想是把数据流串并变换为N路速率较低的子数据流，用它们分别去调制路子载波后并行传输。因子数据流的速率是原来的1/N，即符号周期扩大为原来的N倍，远大于信道的最大时延扩展，这样MCM就把一个宽带频率选择性信道划分成了N个窄带平坦衰落信道(均衡简单，只做循环前缀既可以消除ISI，ICI)，从而先天具有很强的抗无线信道多径衰落和抗脉冲干扰的能力，特别适合于高速无线数据传输。OFDM的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对信道造成的影响。并且还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，使保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰(ISI)。2）全IP技术未来的4G网络系统将是一种全IP的网络结构(包括各种接入网和核心网)，4G系统将是一个集成广播电视网络、无线蜂窝网络、无绳网络、无线局域网（WLAN、L、短距离应用的蓝牙等系统和固定的有线网络为一体的结构，各种类型的接入网都能无缝的接入基于IP的核心网。而且不仅核心网采用IP网结构，整个网络的无线接口也要采用IP技术。三、面向4G系统的资源感知切换策略1、切换技术 在移动通信系统中，对于处于通信过程中的移动台，当其从一个基站的覆盖区域移动到另一个基站的覆盖区域时，为了保证通信的连续性，会发生切换。切换不仅要保证用户在穿越小区边界时仍能进行正常的通信，而且还要做到快速、有效，这样才有利于降低整个系统的干扰，提高QoS，减少掉话，提高系统的容量。随着未来通信系统服务的业务种类日益繁多，对切换策略提出了更高的要求。切换控制可分为软切换和硬切换两大类。软切换是先连后断，软切换的算法和相关参数直接影响着系统的容量和服务质量。软切换带来的增益是以牺牲额外的资源为代价的，软切换比例过高会占用过多的发射功率，占用过多的无线资源，会造成系统容量下降。软切换只能是在同频切换时使用。硬切换是先断后连，异频之间切换是硬切换，但硬切换并不都是异频之间的切换。2、切换策略描述根据未来4G通信系统多QoS需求用户并存以及高业务速率用户比例加大的特点，在资源感知切换策略中，将切换用户划分成三个等级：Class 1，实时业务；Class 2，低速非实时业务；Class 3，高速非实时业务。本文提出的切换策略从资源的角度出发，保证在切换过程中整个系统的资源能够被充分利用，同时保证不同QoS需求的用户要能够平滑切换，降低高业务速率用户对目标小区的影响。1）资源感知方案在第二代和第三代移动通信系统切换过程中是以导频强度作为表征某时刻接收信号好坏的参数，并依据该导频强度进行基站选择和切换判决的方法。但是仅仅存在满足导频强度要求的基站并不意味着切换可以成功进行。在未来的4G移动通信系统中，以导频强度作为唯一切换判决量将不再充分，主要原因有下几个方面。 首先，导频本身所表达的信息内容有限。因为导频强度表征了存在满足传输信号要求的目标基站，却不能表征目标基站是否有空闲资源接纳该用户。因此在未来4G系统中除了将导频强度量作为切合判决量以外，还需要引入更多信息表征切换判决量以提高切换的成功率。其次，未来4G通信系统中存在单业务占用大量小区总资源比例的用户，这样的用户的接入和服务终止都将对小区可用资源带来较大幅度影响。单纯考虑导频强度已不足以保证未来4G移动通信系统进行切换的需求。未来4G系统小区覆盖减小导致的切换频度增加，加剧了未来通信系统的切换失败概率。增加新的联合切换判决量以适应未来移动通信系统的需求更加紧迫。 第三，从资源使用角度，应考虑如何更优分配资源以更好地保障切换用户业务连续性。切换过程可能同时存在多个满足导频强度条件的候选小区可供选择。按单一导频强度判决将选择候选目标小区中导频强度最强者进行切换。但是导频强度最强的候选小区可能已经满负荷或者剩余的资源已经不足以接入这个切换用户，而其它候选小区虽然导频强度稍弱，但可能剩余资源相对较多足以接入这个切换用户。此时按照导频强度最高的标准选择目标小区，无疑将导致切换的失败。 第四，从整个系统运行的角度，各个小区资源利用状况应相对均衡。单以导频强度决定用户能否接入目标小区并没有考虑目标小区负载的情况。重载小区接入占用较多资源的切换用户时，有可能造成负载过重。如将此用户接入到其他负载较轻的小区，则可以使各小区的资源利用相对均衡。故在切换判决时在导频这个判决因素外，如果引入表征负载情况的量协同进行切换判决，将有望更好地解决这一问题。因此，目标小区资源状况这个因素对未来4G 移动通信系统切换过程有较大影响。如果能够通过有效的手段将目标小区的资源状况的影响考虑进切换过程，将较好地提高切换成功率。基于上述分析，本文提出了资源感知的思想，即采用新型的联合导频强度和基站剩余资源两个因素进行切换判决，将资源感知的概念引入到切换判决之中。这样在进行切换判决时，导频强度不再是唯一的决定因素。系统可以根据目标小区的资源剩余状况灵活地为切换用户选择合适的小区接入，保证了系统资源的充分利用。 传统的硬切换以导频强度为切换判决参数。在t时间内切换需满足下式： 其中，Padjacent和Pserving分别为目标基站和原基站的导频强度，T为硬切换门限。在联合资源切换中，资源也被纳入到切换判决的体系之中。假设目标基站BS1、BS2 的导频强度分别为Padjacent1 和Padjacent2 。它们均满足（1）式，那么他们如果还满足：其中T1为导频比较门限，即目标两基站的导频均满足硬切换条件，且其差值在一定门限值T1以内。则在切换判决时继续比较BS1和BS2的剩余资源量Radjacent1和Radjacent2，如果：选择BS2作为切换的目标基站。反之选择BS1作为切换的目标基站。而当仅有一个目标基站的导频强度符合门限要求T时，不进行资源量判断，算法退化为传统硬切换。2）QoS适配方案 未来的4G通信系统将会是一个多业务种类、多QoS需求共存的通信系统。高业务速率数据用户将占很大比重，同时其切换将更加频繁。在这些因素的作用下，未来移动通信系统中切换用户对目标小区造成的影响也与以往不同。 一方面，未来4G移动通信系统中高业务速率用户比重会加大。随着业务传输速率的提高，其需要的资源也随之增多。为了保持通信的连续性，在切换过程中单用户切换调用的临时资源将增加，所以一个高业务速率切换用户对系统的影响越来越大。在4G 系统中很有可能一个切换用户的吞吐量就占目标小区的业务总量很大的比重。 另一方面，由于频率升高的原因，同样强度的无线电磁波传播距离缩短。而且未来的4G 通信越来越向着绿色通信的趋势发展，这同时也限制了电磁波信号发射功率和传输距离，因此未来通信系统中小区的覆盖半径将会缩小，高业务速率数据用户在服务过程中进行切换的频度将会提高。基于以上两方面的因素可知，占用大量资源的高业务速率用户向目标小区切换，将会使目标小区继续接入用户的能力迅速下降。在采用CDMA技术的3G移动通信系统中，当一个高业务速率用户切换到目标小区时，由于其占用大量的码字资源，会加大目标小区用户间的干扰，导致目标小区的功率攀升。在4G系统中，以采用OFDMA技术为例，将较宽的频带分成若干频谱部分重叠的子载波频带，提高了对子载波同步程度的要求。一旦取样时刻稍有偏离，相邻子载波的信号必将对被解调子载波造成干扰。当一个高业务速率用户切换到目标小区时，由于其占用大量的频率资源，则该切换用户占用的子载波对目标小区各用户的相邻的子载波造成干扰的可能性增大。由此可见，新接入的高业务速率切换用户对目标小区的影响很大。 基于上述分析，本文提出了QoS适配的思想。切换用户划分为三个等级：Class 1，实时业务；Class 2，低速非实时业务；Class 3，高业务速率非实时业务。QoS适配的思想就是要对不同类别用户的切换过程进行协调，使之能够平滑切换，具体包括以下两个方面： 切换的实时业务对目标小区已有非实时业务资源的部分强占。进行切换的实时业务相对于非实时业务具有更高的优先资源使用权以达到平滑切换的要求。同时由于非实时业务占用资源量与实时业务占用资源量具有较大的差异，被强占的非实时业务不需要让出它所占用的所有资源。因此部分强占的方法能够在不造成非实时业务强制掉话率增加的前提下更好满足切换的实时业务需要。Class 1实时业务用户在切换过程中，如果目标基站剩余资源不足，即满足： 其中Radjacent为目标基站的剩余资源量，Rclass1为1个Class 1用户所占用的资源量。Class 1用户可以强占目标基站中Class 2和Class 3非实时业务用户的资源以完成切换。 为了减缓占用资源量大的业务进行切换对于目标小区已有用户和目标小区负载状况带来的影响，本文提出降速切换的思想。Class 3高业务速率非实时业务用户在切换过程中，如果目标基站的负载达到一定门限，则将降速切换，即满足：其中fadjacent为目标基站的负载因子，T2为实施降速切换的负载门限。对Class 3 用户降速时，假设降速因子为N，如下式： 降速切换具体的做法是降低高业务速率非实时用户在切换过程中对资源的占用。在4G系统中可以通过减少分配给高业务速率非实时用户的子载波的方式实现。非实时业务对时延的敏感性较低，被降速之后虽然其业务的传输能力下降，但却可以减轻对重载状态下的目标小区的影响，待完全接入目标小区后，再根据小区资源的情况来逐渐恢复正常的传输状态。这样可以保证整个其本身的平滑切换及整个系统的稳定。 3）RCH 策略描述 资源感知切换（RCH）策略包括资源感知和QoS适配两个方面： 开始切换用户等级划分 非实时用户（Class 2和Class 3）实时用户（Class 1）测量并选取导频强度最大的连个基站选择导频强度最大的基站否否是是目标小区资源足够比较俩个基站的剩余资源量选择剩余资源量大的基站选择导频强度较大的基站导频强度差小于门限T1否高速非实时用户（Class 3)抢占资源是低速非实时用户（Class 2）目标基站负载超过门限T2则降速执行切换执行切换结束图1 资源感知切换策略流程图 在切换的过程中，对于Class 1切换用户，选择导频强度最大的基站作为目标基站，如目标基站剩余资源不足，则可以强占非实时用户的资源；对于Class 2和Class 3切换用户，切换判决时要综合考虑导频强度和基站剩余资源，选取两个基站作为候选。在两者导频强度差异在某一门限值内时，优先选择剩余资源量最多的基站作为目标基站。此外，对于Class 3切换用户占用资源较多，对目标基站影响较大。所以当目标基站的负载到达一定程度（如目标基站剩余资源不足，则可以强占非实时用户的资源；对于Class 2和Class 3切换用户，切换判决时要综合考虑导频强度和基站剩余资源，选取两个基站作为候选。在两者导频强度差异在某一门限值内时，优先选择剩余资源量最多的基站作为目标基站。此外，对于Class 3切换用户占用资源较多，对目标基站影响较大。所以当目标基站的负载到达一定程度（如80%）时，需要将其降速切换。切换策略流程如图1所示。 四、仿真结果及分析 1、蜂窝小区仿真如图2所示，整个仿真平台的服务区由三十六个蜂窝构成，基站位于蜂窝的中心。基站采用全向天线，负责整个小区的业务。在仿真期间，移动台在此服务区内移动。图2 蜂窝小区仿真图2、资源感知切换策略仿真分析1）系统切换掉话率仿真系统切换掉话率仿真三类用户Class 1（实时业务）、Class 2（低速非实时业务）、Class 3（高速非实时业务）的到达率之比为4:2:1。图4为切换掉话率呼叫到达率曲线图，横坐标表示Class 1用户的到达率，纵坐标表示4G系统的切换掉话率。图中虚线表示资源感知切换（RCH）策略，实线表示传统硬切换策略。图3 系统切换掉话率原图 上图为利用MATLAB编程所显示出总的切换掉话率呼叫到达率曲线图，为了更清晰的对比分析各用户的切换掉话率，从而得出资源感知切换（RCH）策略较传统硬切换策略的优越性，所以我们截取各个分图分别进行对比如下。 图4 切换掉话率呼叫到达率曲线图从图4可以看出，随着呼叫到达率的增高，系统的切换掉话率也随之增高，但是采用资源感知切换策略后的系统掉话率有了显著的降低，并且RCH算法切换掉话率的增长率明显低于传统硬切换算法。这是由于在切换判决时将基站的资源剩余量考虑在内，使得重载小区的压力减轻。而且通过QoS适配，使得切换的Class 1用户可以通过强占的方式获得资源。Class 3用户可以通过降速的方式减少资源的需求，这样使得整个系统的切换掉话率大大降低。下面分别分析应用了资源感知切换策略后的Class 1用户和Class 3用户的切换掉话率情况：图5 Class 1用户切换掉话率如图5表示应用了资源感知切换策略的Class 1用户的切换掉话率。从图中可以看出，Class 1用户的切换掉话率远远小于传统硬切换策略。这是由于如果目标小区的剩余资源无法满足Class 1用户切换，它可以强占Class 2和Class3用户的资源。而硬切换算法在无可用资源情况下只能掉话处理。随着呼叫到达率的增加，各类用户到达率同时增加。可供强占的非实时业务增加，部分强占算法的优势更加明显，从而使Class1 用户掉话可能性大幅度降低，两算法掉话率差距越来越大。随着呼叫到达率的升高，Class 1用户掉话率有所增加。这是因为当呼叫到达率升高到一定程度时，系统处于重载状态。此时小区内无可用资源或无可供强占的非实时用户的概率增大，从而导致Class 1用户切换失败而掉话。如图6所示，虚线表示应用了资源感知切换策略的Class 3用户的切换掉话率。图6 Class 3用户切换掉话率从图中可以看出，随着呼叫到达率的升高，Class 3用户切换掉话率升高。但相同呼叫到达率下，资源感知切换策略下Class 3用户的切换掉话率明显小于传统硬切换策略。这是由于联合资源判决选择了负载相对较轻的基站，降低了切换失败的可能性。并且如果目标小区的剩余资源无法满足Class 3用户切换，它可以采用降速的方式减少对目标小区资源的需求，同时降低对目标小区的影响。图6两条掉话率曲线差呈现由小变大，随后又由大变小的趋势。随着呼叫到达率的持续增大，系统总的可用资源随之减少。在一定的呼叫到达率范围之内，RCH算法具有更低的掉话率。当呼叫到达率继续增长以致系统总的可用资源稀缺，各个小区均处于重载状况下时，Class 3降速切换所节省的资源不足以满足更多同类业务的资源需求。此时无论采用硬切换或RCH算法均无法接纳更多的用户，两算法的Class 3切换掉话率将会接近。2）系统新呼叫阻塞率仿真 图7 系统新呼叫阻塞率仿真原图 上图为利用MATLAB编程所显示出总的系统新呼叫阻塞率仿真图，同样为了更清晰的对比分析各用户的呼叫阻塞率，对比资源感知切换（RCH）策略较传统硬切换策略的优越性，所以截取各个分图分别进行对比。 图8 Class 1用户新呼叫阻塞率图8为三类用户Class 1（实时业务）、Class 2（低速非实时业务）、Class 3（高速非实时业务）的到达率之比为4:2:1 时Class 1 用户新呼叫阻塞率呼叫到达率曲线图。横坐标表示Class 1用户的到达率，纵坐标表示系统的新呼叫阻塞率。图中虚线表示资源感知切换（RCH）策略，实线表示传统硬切换策略。从图8中可以看出随着呼叫到达率的增大，系统的新呼叫阻塞率也随之增大。采用资源感知切换策略后，系统的新用户的呼叫阻塞率有所降低。这是由于资源感知切换策略使得各个小区的资源利用较为均衡。同时由于降低了切换用户对目标小区的影响，使目标小区接入新用户的能力提升。因此降低了新呼叫阻塞率。对于任意一类用户而言，仿真中设定其在仿真区域内出现的概率是相同的，因此对整个仿真区域范围而言，总可用资源量和同类用户到达率的分布，对硬切换和RCH 算法来讲是相同的。因此整个系统内新呼叫阻塞率降低并不明显。 为了进一步分析未来4G系统中，高业务速率的切换用户会对目标小区的影响，本文将Class 1、Class 2、Class 3用户的到达率之比为4:2:1和8:4:1两种情况下的新呼叫阻塞率绘制在同一仿真结果图中，如图9所示。图中上面两条曲线表示Class 1、Class 2、Class 3用户的到达率之比为4:2:1 时的系统新呼叫阻塞率情况，这与图8一致。图中下面两条表示Class 1、Class 2、Class 3 用户的到达率之比为8:4:1 时的系统新呼叫阻塞率情况。图9 两种情况下的新呼叫阻塞率通过图9中上下两组曲线的对比可知，当降低Class 3用户的到达率后，系统性能会有明显的提升，即系统新呼叫的阻塞率降低，可以看出高业务速率的切换用户会对目标小区产生了很大的影响。这也说明通过资源感知切换策略中QoS适配的思想，对高业务速率用户的降速处理会提升4G通信系统的整体性能。 五、总结通过此次课程设计，使我们掌握了有关4G系统资源感知切换方面的知识，并学会通过MA