专利名称：一种负载不平衡的无线网络中用户接入与切换的方法
一种负载不平衡的无线网络中用户接入与切换的方法
技术领域：
本发明属于移动通信技术领域，特别涉及在移动通信网络中相邻小区间负载不平 衡条件下用户接入与切换的方法，主要应用于移动通信领域。
背景技术：
对于第三代移动通信系统(TD-SCDMA=Time Division-Synchronous Code DivisionMultiple Access)的蜂窝移动通信系统，在通话过程中，随着移动台(MS :Mobile Station)的移动，需要进行改变当前服务小区的切换操作。小区切换是由网络发起的，一般 是根据MS上报的测量报告得到当前服务小区和相邻小区的信号强度与信号质量，再通过 一定的切换判决方法来触发切换操作。优秀的切换控制方法能够为有切换呼叫请求的用户 在两个相邻基站间提供更加高效和可靠的切换服务，从而提高系统通信质量和系统容量。在火车站，大型商场等场所附近用户比较密集，小区业务量明显高于周边小区的 业务量。在这种中心小区负载很大，而周边小区负载比较小的网络中，急需要解决相邻小区 间负载不均衡和小区资源优化的问题，以减小高负载地区用户起呼困难，切换掉线率高，网 络资源利用率低的问题。如何实现相邻小区间负载不平衡情况下用户的接入与切换，使网络中的用户达到 满意并提高网络资源利用率，这是移动通信领域中的重要课题。
发明内容本发明的目的是解决在高负载地区用户起呼困难，切换掉线率高，以及整个负载 不平衡的网络中资源利用率低等问题，提供一种负载不平衡条件下的无线网络中用户接入 与切换的方法。本发明方法的创新之处主要表现于在切换时根据各小区的负载情况，通过调整导 频功率达到小区间负载均衡，以系统获得最优的传输速率为目标，进行基于预留信道的优 先级接入与切换。本发明提供的负载不平衡的无线网络中用户接入与切换的方法包含如下步骤第一、无线网络控制器检测当前中心小区业务量与周边小区业务量，计算当前网 络系统的负载均衡程度，判断当前网络系统是否处于负载平衡状态，如果系统处于平衡状 态，即负载不均衡程度为小于0. 15时，则采用传统切换方法；如果系统处于不平衡状态，即 负载不均衡度大于等于0. 15时，则进行第二步；第二、根据各小区间负载情况，通过动态调整各小区内的导频功率调整各小区的 覆盖范围，从而达到各小区间负载的均衡；第三、考虑用户与基站间的信道条件及每个基站的负载情况，以基站最大发射功 率为约束条件，以使系统获得最优的传输速率为目标；通过多选择多维背包方法实现每个 移动台获的最优传输速率，从而使每个移动台选择到最佳的主小区；第四、移动台进行基于预留信道的优先级接入与切换。
本发明第一步所述的负载不均衡程度定义为中心小区内业务量与系统内所有业 务量的比值，当比值为0. 15时，此时为负载平衡的临界状态。本发明第二步所述的导频功率的调整方法是在均衡各个相邻小区间的负载时， 要从基站发射功率与基站导频功率的关系出发，当中心小区基站发射功率较高时，即当中 心小区基站的负载不均衡程度达到0. 15时，说明中心小区基站的发射功率较高，该基站服 务的用户数较多，此时降低基站导频功率，降低步长为0. ldB，减小覆盖范围；反之，可以提 高基站导频功率，提高步长也为0. ldB。本发明第三步以使系统获得最优的传输速率为目标为移动台选择最佳主小区的 方法是基站导频功率的变化将导致移动台激活集的变化，一部分移动台必然重新选择基 站，RNC测量本系统内所有基站的发射功率，然后以每个基站服务的移动台的功率小于等于 基站发射功率为约束条件，以使系统获得最优的传输速率为目标，通过多选择多维背包算 法使移动台选择到最佳主小区；系统最优传输速率表示的是在基站服务的移动台功率不超 过基站发射功率的前提下，系统内每个移动台获得最优的数据传输速率；最优的数据传输 速率定义为最大传输速率与数据正确传输的概率的乘积。第四步所述移动台接入与切换的方法是a)、为了在用户选择到最佳小区后，根据用户及业务的不同属性，对不同用户及不 同业务进行优先级分类，对优先级高的用户及业务预留一部分信道，然后采用基于预留信 道的优先级排队接入与切换；所述的优先级按用户属性及业务的不同由高到低依次是(1)相邻小区VIP切换用户，(2)相邻小区普通切换用户，(3)小区内VIP新呼叫用户，⑷小区内普通新呼叫用户；b)、然后建立一个二维Markov接入与切换排队模型，模型的每个节点(i，j)代表 系统的一个状态，其中i表示需要进行实时业务的新呼叫和切换呼叫数，j表示缓存器中数 据分组的个数；在该模型中，假设小区内有C个信道，优先用于实时业务，同时有一个长度 为S的数据缓存器，S表示当C个信道被占据完时，可以接收S个非实时业务的数据分组， 排队规则为先到先服务；非实时业务可以借用空闲的实时业务的信道。本发明的原理，一由基站发射功率与基站导频功率的反比关系出发，通过调整导频功率来调整 覆盖面积，从而可以调整小区内的负载。二基站导频功率的变化必然导致各移动台激活集的变化，从而影响各移动台小 区选择的问题，通过考虑物理信道特性以及小区间的业务负载情况，使整个系统的性能最 优化。三是通过对不同的用户及不同的业务进行优先级划分，并对高优先级的用户及业 务预留一部分信道，从而可以进行基于预留信道的优先级排队接入与切换。本发明的优点与积极效果1、利用导频功率的可调整性，使相邻小区间的负载得到均衡，从而缓解业务负载 很大的小区切换排队严重，系统阻塞率较高的状况。2、以基站最大发射功率为约束条件使 系统获得最优的传输速率，资源利用率提高。
图1是本发明所涉负载不平衡的无线网络中用户接入与切换的流程图。图2是本发明所涉火车站处网络结构的逻辑关系图。图3是本发明所涉网络系统模型，中间小区为热点小区，业务量大，周边小区业务
量较小。图4是本发明所涉基于预留信道的马尔科夫切换排队模型。图5是发明所涉的实例流程图。
具体实施方式以TD-SCDMA系统下的火车站为例，如图2所示，火车站候车室业务量比周边小区 业务量大，造成候车室与周围外网的负载不均衡，所以均衡相邻小区负载，提高网络资源利 用率，是一个迫切需要解决的问题。网络简化后结构如图3所示，中心小区业务量大，属于 高负载地区，周边小区业务量较小，属于低负载小区，定义中心小区业务量与系统内所有业 务量的比值为系统的负载不均衡程度，规定负载不均衡程度大于等于0. 15时为系统不均要实现在负载不平衡网络中用户的接入与切换，必须解决三个问题一是各个小 区间负载的均衡。二是由于负载均衡导致移动台激活集发生变化，移动台如何选择接入小 区。三是用户基于什么样的优先级方式进行用户接入与切换。利用导频功率调整策略可以解决问题一，利用最佳主小区选择方法可以解决问题 二，利用基于预留信道的优先级接入与切换方法可以解决问题三。应用到本发明时，针对问题一，在均衡各个相邻小区间的负载时，要从基站发射功 率与基站导频功率的关系出发。当基站发射功率较高时，说明该基站服务的用户数较多，此 时容易发生切换及新呼叫业务阻塞。如果此时降低基站导频功率，减小覆盖范围，则能减少 服务的用户数；反之，可以提高基站导频功率。针对问题二 基站导频功率的变化将导致移动台激活集的变化，一部分移动台必 然重新选择基站，RNC测量本系统内所有基站的发射功率，然后以每个基站服务的移动台的 功率小于等于基站发射功率为约束条件，以使系统获得最优的传输速率为目标，通过多选 择多维背包算法使移动台选择到最佳主小区。系统最优传输速率表示的是在基站服务的移 动台功率不超过基站发射功率的前提下，系统内每个移动台获得最优的数据传输速率。最 优的数据传输速率定义为最大传输速率与数据正确传输的概率的乘积。针对问题三根据移动台的属性，一个小区内有以下几种业务源(1)小区内普通新呼叫用户(2)小区内VIP新呼叫用户(3)相邻小区普通切换用户⑷相邻小区VIP切换用户为了分析基于最佳主小区选择的优先级接入与切换算法，建立一个二维Markov 接入与切换排队模型，如图4所示。模型的每个节点(i，j)代表系统的一个状态，其中i表 示需要进行实时业务的新呼叫和切换呼叫数，j表示缓存器中数据分组的个数。在该模型 中，假设小区内有C个信道，优先用于实时业务，同时有一个长度为S的数据缓存器，S表示 当C个信道被占据完时，可以接收S个非实时业务的数据分组，排队规则为先到先服务。数 据业务可以借用空闲语音业务信道。Cp C2, C3, C4分别为普通实时业务新呼叫用户，VIP实时业务新呼叫用户，普通实时业务切换用户，VIP实时业务切换用户预留的业务信道。λρ λ 2、λ 3、λ 4分别为普通实时业务新呼叫用户，VIP实时业务新呼叫用户，普通实时业务切换 用户，VIP实时业务切换用户的到达率，1/μ为实时业务平均持续时间，也就是新呼叫或者
切换用户对应一个服务台的持续时间；数据分组到达率为Xd，平均传输时间为+。
Md下面结合附图5说明本发明的用户接入与切换方法。第一、无线网络控制器(RNC)获取用户信息并检测当前中心小区业务量与周边小 区业务量，计算当前系统的负载不均衡程度，即中心小区业务量与系统内所有业务量的比值。第二、在RNC处判断当前的负载不均衡程度是否大于0. 15，如果负载不均衡程度 小于0. 15，即系统处于平衡状态，则采用传统切换方法，如果负载不均衡度大于等于0. 15， 即系统处于不平衡状态，则进行第三步；第三、RNC指示系统内基站测试本小区内导频功率，并进行导频功率调整，具体通 过降低中心小区基站导频发射功率，降低步长为0. ldB，增大周围小区基站导频发射功率， 增大步长为0. IdB实现。当达到系统负载不均衡度低于0. 15时停止调整。第四、基站导频功率的变化将导致移动台激活集的变化，一部分移动台必然重新 选择基站，RNC测量本系统内所有基站的发射功率，然后以每个基站服务的移动台的功率小 于等于基站发射功率为约束条件，以使系统获得最优的传输速率为目标，通过多选择多维 背包算法使移动台选择到最佳主小区。第五、然后判断移动台是否满足接入与切换的条件，切换准则为TD-SCDMA中用到 的具有滞后余量和门限的相对信号强度准则，如果移动台不满足切换准则，则重新开始。如 果满足，进一步判断是否有空闲信道，如果有，则移动台进行基于预留信道的优先级接入与 切换，依据的原则为图4。没有空闲信道的话，则按优先级进行排队等待。本发明的方法不仅适用于火车站，大型商场等场所，而且可以应用于其它如歌剧 院，等具有中心小区用户比较密集，中心小区业务量明显高于周边小区业务量的网络系统 中。
权利要求
一种负载不平衡的无线网络中用户接入与切换的方法，其特征在于所述方法包含如下步骤第一、无线网络控制器检测当前中心小区业务量与周边小区业务量，计算当前网络系统的负载均衡程度，判断当前网络系统是否处于负载平衡状态，如果系统处于平衡状态，即负载不均衡程度为小于0.15时，则采用传统切换方法；如果系统处于不平衡状态，即负载不均衡度大于等于0.15时，则进行第二步；第二、根据各小区间负载情况，通过动态调整各小区内的导频功率调整各小区的覆盖范围，从而达到各小区间负载的均衡；第三、考虑用户与基站间的信道条件及每个基站的负载情况，以基站最大发射功率为约束条件，以使系统获得最优的传输速率为目标；通过多选择多维背包方法实现每个移动台获的最优传输速率，从而使每个移动台选择到最佳的主小区；第四、移动台进行基于预留信道的优先级接入与切换。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第一步所述的负载不均衡程度定义为中心 小区业务量与系统内所有业务量的比值；当比值为0. 15时，此时为负载平衡的临界状态。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二步所述的导频功率的调整方法是在均衡各个相邻小区间的负载时，要从基站发射功率与基站导频功率的关系出发，当 中心小区基站发射功率较高时，即当中心小区基站的负载不均衡程度达到0. 15时，说明中 心小区基站的发射功率较高，该基站服务的用户数较多，此时降低基站导频功率，降低步长 为0. ldB，减小覆盖范围；反之，可以提高基站导频功率，提高步长也为0. ldB。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第三步以使系统获得最优的传输速率为目 标为移动台选择最佳主小区的方法是基站导频功率的变化将导致移动台激活集的变化，一部分移动台必然重新选择基站， RNC测量本系统内所有基站的发射功率，然后以每个基站服务的移动台的功率小于等于基 站发射功率为约束条件，以使系统获得最优的传输速率为目标，通过多选择多维背包算法 使移动台选择到最佳主小区；系统最优传输速率表示的是在基站服务的移动台功率不超过 基站发射功率的前提下，系统内每个移动台获得最优的数据传输速率；最优的数据传输速 率定义为最大传输速率与数据正确传输的概率的乘积。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第四步移动台接入与切换的方法是a)、为了在用户选择到最佳小区后，根据用户及业务的不同属性，对不同用户及不同业 务进行优先级分类，对优先级高的用户及业务预留一部分信道，然后采用基于预留信道的 优先级排队接入与切换；所述的优先级按用户属性及业务的不同由高到低依次是(1)相邻小区VIP切换用户，(2)相邻小区普通切换用户，(3)小区内VIP新呼叫用户，⑷小区内普通新呼叫用户；b)、然后建立一个二维Markov接入与切换排队模型，模型的每个节点(i，j)代表系统 的一个状态，其中i表示需要进行实时业务的新呼叫和切换呼叫数，j表示缓存器中数据分 组的个数；在该模型中，假设小区内有C个信道，优先用于实时业务，同时有一个长度为S的 数据缓存器，S表示当C个信道被占据完时，可以接收S个非实时业务的数据分组，排队规 则为先到先服务；非实时业务可以借用空闲的实时业务的信道。
全文摘要
一种负载不平衡的无线网络中用户接入与切换的方法，特别适合于火车站，商场等负载不平衡的网络系统中使用。包含一，通过无线网络控制器判断当前网络是否处于负载不均衡状态。二，如果系统处于负载不均衡状态，则根据各小区间负载情况，通过动态调整各小区内的导频功率调整各小区的覆盖范围，从而达到各小区间负载的均衡。如果系统处于负载均衡状态，则采用传统切换方法。三，系统负载均衡后，移动台以使系统获得最优传输速率为目标，进行最佳主小区选择。四，移动台进行基于预留信道的优先级排队接入与切换。本发明可使相邻小区间的负载得到均衡，从而缓解业务负载很大的小区切换排队严重，系统阻塞率较高的状况，资源利用率得到提高。
文档编号H04W48/20GK101951664SQ20101028020
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月14日 优先权日2010年9月14日
发明者张会龙, 程云祥, 马秀荣 申请人:天津理工大学