CN102196456B - 提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法，该方法为：每个小区内均有多模基站独立完成该小区内使用电路交换的异构无线网络的资源分配，多模基站通过对其小区内不同网络的业务量需求的分析与预测，参考总用户数、已接入用户数和信道数，采用多种优化目标进行网络转换的多目标决策以及网内信道分配的周期和网络转换判决的周期的优化控制，同时限制小区间干扰，从而在每个小区内将更多的共享载波分配给用户业务量需求高的无线网络；本发明可实现对使用电路交换的异构无线网络频谱资源的整体优化分配，从而平衡多个异构无线网络的负载，提高频谱资源分配的公平性，提高使用电路交换的异构无线网络的总体频谱利用率。

Description

提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法

(一)、技术领域：本发明涉及一种提高网络频谱利用率的方法，特别是涉及一种提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法。

(二)、背景技术：随着无线通信技术的发展，基于基站和移动用户架构的异构无线网络层出不穷。由于不同移动业务对通信速率、误比特率、时延抖动、安全性和移动性有不同的需求，需要使用不同的无线通信技术，形成以业务需求区分的异构无线网络。同时，基于建设成本和服务质量的考虑，在标准演进中每种无线网络建成后都要运营相当长的一段时间，不会在短时间内被采用新技术的无线网络取代，形成以技术水平区分的异构无线网络。此外，由于运营商之间存在竞争关系，导致同一种业务需求和技术水平也会产生互不兼容的标准，形成以运营机构区分的异构无线网络。以我国的频谱规划为例，目前典型蜂窝无线网络的载波带宽、每载波话音信道数和已分配频段如表1所示。

表1我国典型蜂窝无线网络的载波带宽、每载波话音信道数和已分配频段

从上面的分析可以看出，未来采用多种技术和标准的异构无线网络将会在相当长的时间内共存，并按市场竞争驱动的原则确定各自的市场定位，并相互补充，在下一代网络统一平台的基础上逐步趋向融合，而不是统一，这就带来了一些新的问题。

为了避免干扰，目前的蜂窝无线网络一般使用固定频谱分配(FSA)的方式，频谱一旦分配给一种无线网络就无法为其他无线网络所用，大量频谱资源还需要被预留用于开发新的无线网络，而由于在不同区域和不同时间异构无线网络之间的频谱利用率差别很大，导致大量频谱资源被浪费。而随着宽带和超宽带通信技术逐步得到广泛应用，这种频谱资源的浪费将会更加严重。认知无线电技术通过对无线环境的检测、分析、学习、推理和规划，调整传输参数以使用最适合的无线资源完成无线通信，可以在时间和空间上充分利用频谱资源，是提高频谱利用率的有效方法。动态频谱分配(DSA)作为认知无线电的频谱接入方式，可获得比FSA更高的频谱利用率。基于认知无线电的DSA的思想在IEEE 1900.1标准、IEEE 1900.4标准和ETSI技术报告中已经有所体现，但其仅定义了网络融合与频谱资源共享的框架，并没有具体给出异构无线网络之间的频谱分配策略。在目前的研究中，非合作DSA是指非授权用户进行频谱检测，在授权用户不使用的频段进行频谱接入。而合作DSA是指在频谱接入时不区分用户等级，采用特定的算法对频谱资源进行统一的动态分配。目前针对合作DSA的研究主要包括基于干扰控制的DSA、基于博弈的DSA、基于拍卖的DSA以及基于遗传算法的DSA等。另外，目前还有人提出了一种基于实时数据库的频谱检测方案，数据库中存储每个频段在不同空间位置使用情况的实时信息，认知用户通过持续监视数据库来获知其空间区域内的可用频段。但是，这些研究所建立的系统模型往往不完善，缺乏对业务模型瞬态分布的分析，且对于实际系统设计中存在的垂直切换、多模基站、载波单元划分和网内信道分配等问题考虑较少。

为了提高服务质量，多模终端用户可以根据无线网络环境、业务需求和价格偏好等因素通过多目标决策在各种异构无线网络之间进行垂直切换。但由于无线网络种类繁多，差异很大，导致多模终端的芯片设计复杂，且多无线网络信号质量检测的功耗较高，而用户对成本和功耗的要求比基站严格得多，所以将这种芯片成本和功耗转移到基站侧是更好的选择。此外，传统应用是用户在不同的小区之间切换以适应基站的变化，而通信技术飞速发展使基站的数量越来越多，智能化程度越来越高，所以让基站适应用户的变化成为一种发展趋势。这种思想在分布式无线通信系统中已经有所体现。

经过长时间的研究开发，目前基于软件无线电的多模基站技术已经比较成熟。美国的MIT于1995年即开始进行SpectrumWare项目从事软件无线电系统的开发，其中部分人所创办的Vanu公司已经开发出基于软件无线电的商用GSM/CDMA/iDEN多模基站。法国的wireless3G4Free项目也已经开发出基于软件无线电的采用RTLinux操作系统的3GPPUMTS/TDD全IP无线网络。目前华为、中兴、诺基亚西门子以及家庭基站开发商picoChip等公司开发的基于软件无线电平台的多模基站产品已经得到商用，并且涵盖了表1所涉及的大部分无线网络。但是，不同于已经商用的多模终端用户的垂直切换技术，目前对多模基站的系统设计大部分局限于多种无线网络的集成，并未考虑异构无线网络之间的频谱资源共享问题。

(三)、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的缺陷，提供一种提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法，该方法利用面向电路交换的共享载波垂直网络转换(Shared Carrier Vertical Network Transformation，SCVNT)算法，通过多模基站设置共享载波频段，共享载波频段可自由承载不同的无线网络，从而实现频谱资源在异构无线网络之间的实时分配，使有限的频率资源得到充分利用。

本发明的技术方案：

一种提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法，具体为：一定数量的使用电路交换的异构无线网络都占有一定数量的载波，每个载波承载一定数量的信道；为了保证服务质量，各使用电路交换的异构无线网络保留一定数量的私有载波为自己私有使用，且该私有载波可以无盲区覆盖；同时，设置一定数量的共享载波由各使用电路交换的异构无线网络共享；每个小区内均有多模基站独立完成该小区内使用电路交换的异构无线网络的资源分配；同时，在网络规划中，通过严格控制使用共享载波的属于使用电路交换的异构无线网络的多模基站之间的距离和发射功率，限制各小区属于使用电路交换的异构无线网络的相同共享载波之间的同频干扰，同时限制各小区属于同一使用电路交换的无线网络的相同载波之间的同频干扰。

如果各使用电路交换的异构无线网络的信道利用率不均衡，则多模基站通过对不同使用电路交换的异构无线网络中用户业务量需求的分析和预测，对各使用电路交换的异构无线网络的共享载波进行重新分配，以减少信道利用率低的使用电路交换的异构无线网络的载波数为代价来增加信道利用率高的使用电路交换的异构无线网络的载波数，将更多的共享载波分配给用户业务量需求高的使用电路交换的异构无线网络，其中，共享载波所承载的使用电路交换的异构无线网络发生改变的过程称为网络转换。网络转换可平衡各使用电路交换的异构无线网络的的负载，提高频谱资源分配的公平性，降低系统的总阻塞率。

网络转换的过程含有如下步骤：

步骤a.设置网内信道分配的周期和网络转换判决的周期，然后执行步骤b；

步骤b.判断网内信道分配的时间是否到达，如果时间到达，在每个使用电路交换的异构无线网络内部进行网内信道分配，然后执行步骤c；如果时间没有到达，重新执行步骤b；

步骤c.判断网络转换判决的时间是否到达，如果时间到达，执行步骤d；如果时间没有到达，执行步骤a；

步骤d.判断网络转换的条件是否满足，如果满足，进行网络转换，然后执行步骤a；如果不满足，直接执行步骤a。

网内信道分配可采用固定信道分配或动态信道分配。

网内信道分配的周期即为进行网内信道分配的时间间隔，网络转换判决的周期即为进行网络转换判决的时间间隔，网络转换判决的周期大于或等于网内信道分配的周期，网内信道分配的周期和网络转换判决的周期均可进行实时调整，并且，网内信道分配与网络转换之间相互独立。

步骤d中网络转换的条件含有下列6种判决条件，这些判决条件可单独使用，也可组合使用；这样可将网络转换的判决条件转换为多目标决策问题；

判决条件1：每个多模基站根据小区内的总用户数、已接入用户数、信道数和对用户业务量信息的估计，计算下一段网络转换判决的周期内该小区内的各个使用电路交换的异构无线网络的阻塞率的估计值和新接入用户数的估计值，从而求出全部使用电路交换的异构无线网络的总阻塞率，网络转换条件以最小化该总阻塞率为优化目标；

判决条件2：每个多模基站根据小区内的总用户数、已接入用户数、信道数和对用户业务量信息的估计，计算下一段网络转换判决的周期内该小区内的各个使用电路交换的异构无线网络的阻塞率的估计值，网络转换条件以最小化各个使用电路交换的异构无线网络的阻塞率之间的差异为优化目标；

判决条件3：每个多模基站根据小区内的总用户数、已接入用户数和信道数，计算该小区内的各个使用电路交换的异构无线网络的信道利用率，网络转换条件以最小化各个使用电路交换的异构无线网络的信道利用率之间的差异为优化目标；

判决条件4：每个多模基站根据小区内的总用户数、已接入用户数和信道数，计算该小区内的各个使用电路交换的异构无线网络的冗余信道数，网络转换条件以最小化各个使用电路交换的异构无线网络的冗余信道数之间的差异为优化目标；其中冗余信道数为某个小区内的总信道数减去已接入用户数；

判决条件5：每个多模基站考察小区内各用户的无线传输损耗和小区间干扰情况，网络转换条件以最小化多模基站和用户的发射功率以及最小化小区间干扰为优化目标；其中小区间干扰包括同一使用电路交换的无线网络内部的小区间干扰和使用电路交换的异构无线网络之间的小区间干扰；

判决条件6：网络转换条件需要满足：小区内网络转换后的信道数大于等于已接入用户数和网络转换后的信道数大于等于该网络的私有信道数。

根据实际应用情况，将网络转换的判决条件转化为多目标决策问题，通过为所述6种判决条件或6种判决条件中的部分判决条件分配相应的权重值或门限值，使用加权的方法得出网络转换的最终判决条件。

使用电路交换的异构无线网络采用面向电路连接的电路交换技术，电路交换技术是指：在通信双方进行通信时，需要为该通信分配一条具有固定带宽的通信链路，在通信开始时建立通信链路，通信完毕时断开通信链路，通信双方在通信过程中将一直占用所分配的带宽资源，直到通信结束；在建立通信链路之后和断开通信链路之前，即使通信双方无任何数据传输，该通信链路仍不允许其他用户共享。

电路交换技术的优点是在通信过程中可以保证为用户提供足够的带宽，并且实时性强，时延小，交换设备成本较低，但同时带来的缺点是网络的带宽利用率不高，一旦通信链路被建立，不管通信双方是否处于通话状态，分配的通信链路都一直被占用。电路交换技术一般在传输实时数据且服务质量要求较高时应用，传输的业务一般为音频或视频。

在表1中，GSM、PHS、DECT、cdma2000、WCDMA、TD-SCDMA等蜂窝通信系统采用的都是电路交换技术。

本发明的有益效果：

本发明的多模基站通过对其小区内不同使用电路交换的异构无线网络的业务量需求的分析与预测，参考总用户数、已接入用户数和信道数，采用多种优化目标进行网络转换的多目标决策以及网内信道分配的周期和网络转换判决的周期的优化控制，同时限制小区间干扰，从而在每个小区内将更多的共享载波分配给用户业务量需求高的使用电路交换的异构无线网络。本发明可实现对使用电路交换的异构无线网络频谱资源的整体优化分配，从而平衡多个异构无线网络的负载，提高频谱资源分配的公平性，提高使用电路交换的异构无线网络的总体频谱利用率。

(四)、附图说明：

图1为网络转换的流程示意图；

图2为蜂窝小区扩展方案示意图；

图3为SCVNT算法的载波分配策略示意图；

图4为使用SCVNT算法时的系统仿真流程图；

图5为已接入用户数的状态转移图；

图6为MRCD-SCVNT算法的信道数更新策略示意图；

图7为使用FCA时两种SCVNT算法的性能对比图；

图8为使用FCA在网络转换判决的周期取不同值时两种SCVNT算法的性能对比图；

图9为网络的理论阻塞率与不使用SCVNT算法的持续时间的关系图；

图10为使用FCA在冗余信道差值门限取不同值时MRCD-SCVNT算法的性能对比图；

图11为使用DCA时两种SCVNT算法的性能对比图。

(五)、具体实施方式：

提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法为：一定数量的使用电路交换的异构无线网络都占有一定数量的载波，每个载波承载一定数量的信道；为了保证服务质量，各使用电路交换的异构无线网络保留一定数量的私有载波为自己私有使用，且该私有载波可以无盲区覆盖；同时，设置一定数量的共享载波由各使用电路交换的异构无线网络共享；每个小区内均有多模基站独立完成该小区内使用电路交换的异构无线网络的资源分配；同时，在网络规划中，通过严格控制使用共享载波的属于使用电路交换的异构无线网络的多模基站之间的距离和发射功率，限制各小区属于使用电路交换的异构无线网络的相同共享载波之间的同频干扰，同时限制各小区属于同一使用电路交换的无线网络的相同载波之间的同频干扰。

如果各使用电路交换的异构无线网络的信道利用率不均衡，则多模基站通过对不同使用电路交换的异构无线网络中用户业务量需求的分析和预测，对各使用电路交换的异构无线网络的共享载波进行重新分配，以减少信道利用率低的使用电路交换的异构无线网络的载波数为代价来增加信道利用率高的使用电路交换的异构无线网络的载波数，将更多的共享载波分配给用户业务量需求高的使用电路交换的异构无线网络，其中，共享载波所承载的使用电路交换的异构无线网络发生改变的过程称为网络转换。网络转换可平衡各使用电路交换的异构无线网络的的负载，提高频谱资源分配的公平性，降低系统的总阻塞率。

如图1所示，网络转换的过程含有如下步骤：

步骤a.设置网内信道分配的周期和网络转换判决的周期，然后执行步骤b；

步骤b.判断网内信道分配的时间是否到达，如果时间到达，在每个使用电路交换的异构无线网络内部进行网内信道分配，然后执行步骤c；如果时间没有到达，重新执行步骤b；

步骤c.判断网络转换判决的时间是否到达，如果时间到达，执行步骤d；如果时间没有到达，执行步骤a；

步骤d.判断网络转换的条件是否满足，如果满足，进行网络转换，然后执行步骤a；如果不满足，直接执行步骤a。

网内信道分配可采用固定信道分配或动态信道分配。

网内信道分配的周期即为进行网内信道分配的时间间隔，网络转换判决的周期即为进行网络转换判决的时间间隔，网络转换判决的周期大于或等于网内信道分配的周期，网内信道分配的周期和网络转换判决的周期均可进行实时调整，并且，网内信道分配与网络转换之间相互独立。

步骤d中网络转换的条件含有下列6种判决条件，这些判决条件可单独使用，也可组合使用；这样可将网络转换的判决条件转换为多目标决策问题；

判决条件1：每个多模基站根据小区内的总用户数、已接入用户数、信道数和对用户业务量信息的估计，计算下一段网络转换判决的周期内该小区内的各个使用电路交换的异构无线网络的阻塞率的估计值和新接入用户数的估计值，从而求出全部使用电路交换的异构无线网络的总阻塞率，网络转换条件以最小化该总阻塞率为优化目标；

判决条件2：每个多模基站根据小区内的总用户数、已接入用户数、信道数和对用户业务量信息的估计，计算下一段网络转换判决的周期内该小区内的各个使用电路交换的异构无线网络的阻塞率的估计值，网络转换条件以最小化各个使用电路交换的异构无线网络的阻塞率之间的差异为优化目标；

判决条件3：每个多模基站根据小区内的总用户数、已接入用户数和信道数，计算该小区内的各个使用电路交换的异构无线网络的信道利用率，网络转换条件以最小化各个使用电路交换的异构无线网络的信道利用率之间的差异为优化目标；

判决条件4：每个多模基站根据小区内的总用户数、已接入用户数和信道数，计算该小区内的各个使用电路交换的异构无线网络的冗余信道数，网络转换条件以最小化各个使用电路交换的异构无线网络的冗余信道数之间的差异为优化目标；其中冗余信道数为某个小区内的总信道数减去已接入用户数；

判决条件5：每个多模基站考察小区内各用户的无线传输损耗和小区间干扰情况，网络转换条件以最小化多模基站和用户的发射功率以及最小化小区间干扰为优化目标；其中小区间干扰包括同一使用电路交换的无线网络内部的小区间干扰和使用电路交换的异构无线网络之间的小区间干扰；

判决条件6：网络转换条件需要满足：小区内网络转换后的信道数大于等于已接入用户数和网络转换后的信道数大于等于该网络的私有信道数。

根据实际应用情况，将网络转换的判决条件转化为多目标决策问题，通过为所述6种判决条件或6种判决条件中的部分判决条件分配相应的权重值或门限值，使用加权的方法得出网络转换的最终判决条件。

使用电路交换的异构无线网络采用面向电路连接的电路交换技术，电路交换技术是指：在通信双方进行通信时，需要为该通信分配一条具有固定带宽的通信链路，在通信开始时建立通信链路，通信完毕时断开通信链路，通信双方在通信过程中将一直占用所分配的带宽资源，直到通信结束；在建立通信链路之后和断开通信链路之前，即使通信双方无任何数据传输，该通信链路仍不允许其他用户共享。

电路交换技术的优点是在通信过程中可以保证为用户提供足够的带宽，并且实时性强，时延小，交换设备成本较低，但同时带来的缺点是网络的带宽利用率不高，一旦通信链路被建立，不管通信双方是否处于通话状态，分配的通信链路都一直被占用。电路交换技术一般在传输实时数据且服务质量要求较高时应用，传输的业务一般为音频或视频。

在表1中，GSM、PHS、DECT、cdma2000、WCDMA、TD-SCDMA等蜂窝通信系统采用的都是电路交换技术。

下面采用具体实例进一步说明本发明的技术方案：

1系统模型

为了便于分析，本实例所述的无线网络均为使用电路交换的无线网络，且仅研究两种无线网络A、B中单模终端用户到多模基站的反向信道。假设无线网络A、B的蜂窝小区个数为N_cell，对每个小区考察的干扰小区个数为N_rnd。为了避免边界小区所受到的干扰无法表达，将对称位置的小区和用户模型复制到边界小区周边，在原有的N_cell个小区基础上扩展N_ext个小区，仅提供干扰数据。假设N_cell＝19，N_ext＝18，蜂窝小区扩展方案如图2所示。

在本具体实例的分析中，右上标为A表示网络A中的参数，右上标为B表示网络B中的参数，右上标为tot表示网络A、B的总体参数，而无右上标则表示泛指网络A或B的参数。虽然给出的参数是针对每个小区的分析，但给出的仿真结果为N_cell个小区中仿真数据的均值。

设无线网络A、B的用户发起新呼叫的位置在每个小区内服从随机均匀分布，且通信时保持静止，则可忽略水平切换和垂直切换问题。基于路径传播损耗模型，任一点上的信号功率是接收机和发射机之间距离的函数，则不考虑阴影衰落时基站接收距离d处的用户的信号功率为

$P\left(d\right)=P_{\mathrm{ref}}{\left(\frac{d_{\mathrm{ref}}}{d}\right)}^{\mathrm{\α}}---\left(1\right)$

其中α为路径损耗因子，P_ref是近地参考距离d_ref处基站的接收功率，而P_ref/P_N由基站接收小区边界用户信号的信噪比确定

SNR_edge＝P(d_edge)/P_N                (2)

其中d_edge为蜂窝小区的半径，P_N为热噪声功率。考虑慢衰落和阴影效应的影响，大尺度对数正态阴影衰落为

$L_i={10}^{\mathrm{\σ}{\mathrm{\ξ}}_i/10}---\left(3\right)$

其中ξ_i是均值为0，方差为1的正态随机变量，σ为阴影损耗因子。考虑信干噪比主要取决于加性高斯白噪声以及相邻N_rnd个小区中其他使用相同信道的用户带来的同频干扰，则基站接收某个用户信号的信干噪比为

${\mathrm{SINR}}_0=\frac{P\left(d_0\right)L_0}{R_N+\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{rnd}}}{\mathrm{\Σ}}}P\left(d_i\right)L_i}---\left(4\right)$

其中d₀为该用户与服务基站的距离，d_i为周围第i(i≤N_rnd)个小区中的干扰用户与该用户服务基站的距离。考虑存在阴影效应和小区间干扰，实际使用的导致呼叫阻塞和通话中断的信干噪比门限应满足SINR_th＜SNR_edge。蜂窝系统的参数如表2所示，根据这些参数可求出P_ref/P_N＝125dB。

表2蜂窝系统的参数

基本参数	基本参数	取值
			Ncell	仿真的蜂窝小区数	19
Next	扩展的蜂窝小区数	18
			Nrnd	对每个蜂窝考察的干扰小区数	6
γ	FCA的频率复用系数	3
			dref	近地参考距离	1m
dedge	蜂窝小区的半径	1000m
			α	路径损耗因子	3.5
σ	阴影损耗因子	6.5
			SNRedeg	基站接收小区边界用户信号的信噪比	20dB
SINRth	呼叫阻塞和通话中断的信干噪比门限	10dB

设两种网络均使用基于电路交换的实时固定速率业务(CBR)，定义如果新用户发起呼叫时已无信干噪比高于门限的空闲信道，则认为呼叫阻塞。如果用户在通信过程中由于其他用户的接入导致信干噪比降低到低于门限且无可用空闲信道，则认为通信中断。

考虑无线网络A、B的网内信道分配可以使用频率复用系数为γ的固定信道分配(FCA)或动态信道分配(DCA)。FCA是指无论蜂窝小区中用户数的多少，每个小区的信道数固定，使用较高的频率复用系数控制小区间干扰，所以其中断率可忽略不计。DCA是指每个小区的信道数可变，最多时可以使用所有信道，在进行空闲信道分配时同时进行信干噪比测量，如果某信道的信干噪比超过门限则可分配，而若在通信过程中某信道的信干噪比低于门限，则选择新的信干噪比高于门限的空闲信道，若无可用空闲信道则通信中断。

使用engset流量模型，系统服从有限用户数的损失制M/M/C/0/U排队过程。设每个小区的信道数为C，用户总数为U，已接入用户数为H。设每个用户在时间t内的呼叫请求次数N(t)服从参数为λ＝1/T_arr的泊松分布，其中T_arr为呼叫周期的期望，且有P{N(t)＝n}＝(λt)ⁿe^-λt/n！。设每个用户的通信时间T服从参数为μ＝1/T_hold的负指数分布，其中T_hold为通信时间的期望，且有P{T≤t}＝1-e^-μt，t≥0。则服务系统的负荷ρ＝λ/μ＝T_hold/T_arr，且稳态分布下的理论阻塞率为

$p_{\mathrm{blk}}=\left(\begin{array}{c}U-1\\ C\end{array}\right){\mathrm{\ρ}}^C/\underset{i=0}{\overset{C}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}U-1\\ i\end{array}\right){\mathrm{\ρ}}^i---\left(5\right)$

设仿真中的采样时间间隔为T_step，仿真持续时间为T_sim，仿真中的总呼叫次数为N_call，且期望为E(N_call)＝UT_sim/T_arr，被阻塞的呼叫次数为N_blk，被中断的呼叫次数为N_brk，则网络A、B的阻塞率和中断率以及两种网络的总阻塞率和总中断率分别为

$p_{\mathrm{blk}}^A=N_{\mathrm{blk}}^A/N_{\mathrm{call}}^A,p_{\mathrm{brk}}^A=N_{\mathrm{brk}}^A/(N_{\mathrm{call}}^A-N_{\mathrm{blk}}^A),$

$p_{\mathrm{blk}}^B=N_{\mathrm{blk}}^B/N_{\mathrm{call}}^B,p_{\mathrm{brk}}^B=N_{\mathrm{brk}}^B/(N_{\mathrm{call}}^B-N_{\mathrm{blk}}^B),$

                                        (6)

$p_{\mathrm{blk}}^{\mathrm{tot}}=(N_{\mathrm{blk}}^A+B_{\mathrm{blk}}^B)/(N_{\mathrm{call}}^A+N_{\mathrm{call}}^B),$

$p_{\mathrm{brk}}^{\mathrm{tot}}=(N_{\mathrm{brk}}^A+N_{\mathrm{brk}}^B)/(N_{\mathrm{call}}^A{-N}_{\mathrm{blk}}^B+N_{\mathrm{call}}^A-N_{\mathrm{blk}}^B)$

为了提高异构无线网络的频谱利用率，下面具体介绍面向电路交换的共享载波垂直网络转换(Shared Carrier Vertical Network Transformation，SCVNT)算法。

2SCVNT算法

2.1SCVNT算法的具体步骤和参数

由表1可以看出，根据已分配频段，每种蜂窝无线网络都可以占有一定数量的载波，但这些载波并不能由不同的无线网络共享。这里假设异构无线网络A、B都有多个可承载一定数量信道的载波。SCVNT算法的原理是如果某种网络的信道利用率高，而另一种网络的信道利用率低，则基站对两种网络的共享载波进行重新分配，以减少信道利用率低的网络的载波数为代价增加信道利用率高的网络的载波数，从而平衡两种异构无线网络的负载，提高频谱资源分配的公平性，降低系统的总阻塞率。为了保证服务质量，需要为每种网络保留不能进行网络转换的私有载波。假设异构无线网络A、B各具有1个私有载波和18个共享载波，则SCVNT算法的载波分配策略如图3所示。

使用SCVNT算法时，网络A、B中有关无线资源分配的参数的定义和默认取值如表3所示。

表3网络A、B中有关无线资源分配的参数

表3中关于信道数的参数满足 $C^A+C^B=C_{\mathrm{ini}}^A+C_{\mathrm{ini}}^B=C_{\mathrm{pvt}}^A+C_{\mathrm{pvt}}^B+C_{\mathrm{sha}}^{\mathrm{tot}}.$ 设t_CAJP表示上一次网络A、B内信道分配判决的时间，t_NTJP表示上一次网络转换判决的时间，则使用SCVNT算法时的系统仿真流程图如图4所示。

2.2MTBP-SCVNT算法

当用户数和接入分布模型已知或可预测时，对于网络A、B的每个小区，设{H(t)，t≥0}表示时刻t的已接入用户数，对任意小的时间Δt，有转移概率函数

$p_{\mathrm{ij}}\left(\mathrm{\Δt}\right)=P\{H(t+\mathrm{\Δt})=j|H\left(t\right)=i\}$

$=\left\{\begin{array}{c}(U-i)\mathrm{\λ\Δt}+o\left(\mathrm{\Δt}\right),j=i+\mathrm{1,0}\≤i\≤C-1\\ \mathrm{i\μ\Δt}+o\left(\mathrm{\Δt}\right),j=i-\mathrm{1,1}\≤i\≤C\\ o\left(\mathrm{\Δt}\right),|i-j|\≥2\end{array}\right.---\left(7\right)$

则已接入用户数{H(t)，t≥0}为状态空间

C_pvt≤C≤C_pvt+C_sha上的生灭过程，其状态转移图如图5所示。

根据生灭过程微分方程组解的存在性，对有限状态

的生灭过程，若满足瞬时概率分布

则对任给的初始条件，方程组的解存在、唯一，且有p_j(t)≥0，

由此可得该生灭过程的微分方程组为

$\left\{\begin{array}{c}{p}_j^{\′}\left(t\right)=(U-j+1)\mathrm{\λ}{p}_{j-1}\left(t\right)-[(U-j)\mathrm{\λ}+\mathrm{j\μ}]p_j\left(t\right)+(j+1)\mathrm{\μ}{p}_{j+1}\left(t\right),j=\mathrm{1,2},...,C-1\\ p_0^{\′}\left(t\right)=-U{\mathrm{\λp}}_0\left(t\right)+{\mathrm{\μp}}_1\left(t\right)\\ p_C^{\′}\left(t\right)=(U-C+1){\mathrm{\λp}}_{C-1}\left(t\right)-\mathrm{C\μ}{p}_C\left(t\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

由于状态数有限，即最大的队列数为C，此时Kolmogorov前向方程为

$\frac{d}{\mathrm{dt}}P\left(t\right)=P\left(t\right)Q---\left(9\right)$

其中P(t)＝[p₀(t)，p₁(t)，...，p_C(t)]是状态概率的行向量，而无穷小生成子为

$Q=\left[\begin{array}{ccccccc}-\mathrm{U\λ}& \mathrm{U\λ}& 0& ...& 0& 0& 0\\ \mathrm{\μ}& -[(U-1)\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}]& (U-1)\mathrm{\λ}& ...& 0& 0& 0\\ 0& 2\mathrm{\μ}& -[(U-2)\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ}]& ...& 0& 0& 0\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ 0& 0& 0& ...& -[(U-C+2)\mathrm{\λ}+(C-2)\mathrm{\μ}]& (U-C+2)\mathrm{\λ}& 0\\ 0& 0& 0& ...& (C-1)\mathrm{\μ}& -[(U-C+1)\mathrm{\λ}+(C-1)\mathrm{\μ}]& (U-C+1)\mathrm{\λ}\\ 0& 0& 0& ...& 0& \mathrm{C\μ}& -\mathrm{C\μ}\end{array}\right]---\left(10\right)$

则方程(9)的一般解为

P(t)＝P(0)e^Qt              (11)

其中P(0)＝[p₀(0)，p₁(0)，...，p_C(0)]为状态概率的初始值，由于矩阵Q为三角阵且次对角线元素同号，则矩阵Q与以其特征值为元素的对角矩阵相似，即

Q＝MDM^-1              (12)

其中M是非奇异矩阵，张成C+1维空间，D＝diag(σ₀，σ₁，...，σ_C)，σ_i是Q的第i个特征值，且σ_C＜…＜σ₂＜σ₁＜σ₀＝0，M的第i列是对应于σ_i的右特征向量。

由于

$e^{\mathrm{Qt}}=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left({\mathrm{MDM}}^{-1}\right)}^n}{n!}{t}^n=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}M\frac{D^n{t}^n}{n!}{M}^{-1}=\mathrm{M\; diag}(e^{{\mathrm{\σ}}_{0}t},e^{{\mathrm{\σ}}_{1}t},...,e^{{\mathrm{\σ}}_{C}t})M^{-1}---\left(13\right)$

所以有

$P\left(t\right)=P\left(0\right)\mathrm{Mdiag}(e^{{\mathrm{\σ}}_{0}t},e^{{\mathrm{\σ}}_{1}t},...,e^{{\mathrm{\σ}}_{C}t})M^{-1}---\left(14\right)$

当已接入用户数为H时，有p_H(0)＝1，p_i(0)＝0，0≤i≤C，i≠H。使用瞬态分布模型，可得到时间t之内系统阻塞率的估计值为

${\hat{p}}_{\mathrm{blk}}(U,H,t,C)=p_C(U-1,H,t,C)=N_{\mathrm{blk}}(U,H,t,C)/N_{\mathrm{call}}(U,H,t)---\left(15\right)$

而在时间t之内呼叫次数的估计值为

${\hat{N}}_{\mathrm{call}}(U,H,t)=(U-H)\mathrm{\λt}---\left(16\right)$

将(15)式和(16)式代入(6)式，可求出T_NTJ之内系统总阻塞率的估计值为

${\hat{p}}_{\mathrm{blk}}^{\mathrm{tot}}(U^A,U^B,H^A,H^B,T_{\mathrm{NTJ}},C^A,C^B)$

$=\frac{{\hat{p}}_{\mathrm{blk}}^A(U^A,H^A,{T_{\mathrm{NTJ}},C}^A){\hat{N}}_{\mathrm{call}}^A(U^A,H^A,T_{\mathrm{NTJ}})+{\hat{p}}_{\mathrm{blk}}^B(U^B,H^B,T_{\mathrm{NTJ}},C^B){\hat{N}}_{\mathrm{call}}^B(U^B,H^B,T_{\mathrm{NTJ}})}{{\hat{N}}_{\mathrm{call}}^A(U^A,H^A,T_{\mathrm{NTJ}})+{\hat{N}}_{\mathrm{call}}^B(U^B,H^B,T_{\mathrm{NTJ}})}---\left(17\right)$

由于单次网络转换的信道数为固定值C_trf＝C_carr，网络转换的判决结果仅有三种情况，可以将满足限制条件且使系统总阻塞率取最小值时网络A、B的信道数作为网络转换判决的输出。虽然系统总阻塞率的求解比较复杂，但由于各参数取值的状态空间有限，当U^A、U^B和T_NTJ确定时，每次求解时系统总阻塞率最多仅有

种取值情况，且算法对计算精度的要求不高，可采用查表法求近似解，所以在实际应用中一般可以接受。由于算法基于最小总阻塞率(Minimum Total Blocking Probability，MTBP)，所以称为MTBP-SCVNT算法。使用该算法时，图4中的信道数更新策略为

$[C^A,C^B]\⇐\underset{[{\tilde{C}}^A,{\tilde{C}}^B]}{\arg \min }\left\{p_{\mathrm{blk}}^{\mathrm{tot}}(U^A,U^B,H^A,H^B,T_{\mathrm{NTJ}},{\tilde{C}}^A,{\tilde{C}}^B)\right\}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}[{\tilde{C}}^A,{\tilde{C}}^B]\∈\left\{\right[C^A,C^B],[C^A+D_{\mathrm{trf}},C^B-D_{\mathrm{trf}}],[C^A-D_{\mathrm{trf}},C^B+D_{\mathrm{trf}}\left]\right\}\\ \max \{C_{\mathrm{pvt}}^A,H^A\}\≤{\tilde{C}}^A\≤C_{\mathrm{pvt}}^A+C_{\mathrm{sha}}^{\mathrm{tot}}\\ \max \{C_{\mathrm{pvt}}^B,H^B\}\≤{\tilde{C}}^B\≤C_{\mathrm{pvt}}^B+C_{\mathrm{sha}}^{\mathrm{tot}}\\ {\tilde{C}}^A+{\tilde{C}}^B=C_{\mathrm{pvt}}^A+C_{\mathrm{pvt}}^B+C_{\mathrm{sha}}^{\mathrm{tot}}\end{array}\right.---\left(18\right)$

需要说明的是，虽然在实际应用中MTBP-SCVNT算法要求用户数已知的条件可能无法满足，但该算法的结果作为理想条件下的性能上界，可以为其他算法的性能评价提供重要参考。

2.3MRCD-SCVNT算法

虽然对engset模型而言用户数U已知，但实际应用中用户数和接入分布模型往往是未知的，且难以预测，从而无法估计出下一个时间段内的总阻塞率。考虑这种应用场景，以公平性为原则，可以将满足限制条件且使两种网络的冗余信道差值D^tot取最小值时网络A、B的信道数作为网络转换判决的输出。通过对垂直切换中乒乓效应的分析，为了避免出现乒乓网络转换，应增加冗余信道差值门限D_th作为算法的判决条件，并取D_th＞C_carr。为了避免信道数不均衡时产生不合理的判决，还需增加信道利用率的限制条件。由于该算法基于最小冗余信道差值(Minimum Redundant Channel Difference，MRCD)，所以称为MRCD-SCVNT算法。使用MRCD-SCVNT算法时，图4中的信道数更新策略如图6所示。

可以看出，在实际应用中MRCD-SCVNT算法的已知条件一般可以满足，且复杂度很低，具有广泛的适用性。但是该算法的性能不是最优的，并且需要根据实际条件对D_th、T_NTJ等判决参数进行优化选择。

3仿真实验与性能分析

3.1使用FCA时两种SCVNT算法的性能

使用FCA作为网内信道分配方式，则MTBP-SCVNT算法和MRCD-SCVNT算法的性能比较如图7所示，其中，(a)中表示的是U^B＝U^A时的阻塞率，(b)中表示的是U^B＝500时的阻塞率。仿真中网络A的阻塞率略高于理论值是因为当用户信号的信干噪比低于门限时也将被阻塞接入。可以看出，当两种网络的用户数很少时，信道利用率很低，SCVNT算法可以同时降低两种网络的阻塞率。但随着两种网络用户数的增多和信道利用率的提高，系统性能的提升则不再明显。另外，与U^B＝U^A时相比，当U^B＝500时使用SCVNT算法时系统总阻塞率的降低更为明显。这是因为两种网络的用户数不同导致信道利用率不同，SCVNT算法以略微提高信道利用率较低的网络的阻塞率为代价，大幅度降低了信道利用率较高的网络的阻塞率，不仅降低了两种网络的总阻塞率，还提高了两种网络之间的公平性。考虑SCVNT算法更适用于信道利用率不均衡的无线网络，在后面的分析中仅考虑该条件。另外在各种条件下，理想的MTBP-SCVNT算法的性能均优于MRCD-SCVNT算法。

3.2使用FCA时两种SCVNT算法中网络转换判决的周期的选择

使用FCA作为网内信道分配方式，当使用MTBP-SCVNT算法或MRCD-SCVNT算法时，在网络转换判决的周期T_NTJ取不同值时，网络A、B的总阻塞率和平均网络转换周期如图8所示，其中，(a)中表示的是U^B＝500时的总阻塞率，(b)中表示的是U^B＝500时的平均网络转换周期，其中平均网络转换周期为网络转换间隔时间的统计平均值。可以看出，由于难以跟踪业务量的快速变化，T_NTJ越长，其触发的概率越小，性能改善也越小。同时，虽然MTBP-SCVNT算法在所有条件下的总阻塞率均低于MRCD-SCVNT算法，具有更好的性能，但当T_NTJ较短时其平均网络转换周期远小于MRCD-SCVNT算法，导致系统稳定性较差。需要说明的是，由于在实际应用中T_arr的取值远大于仿真中的取值，所以在实际条件下平均网络转换周期一般很长，对网络稳定性的影响很小。

下面对T_NTJ的取值问题作进一步分析。当使用FCA作为网内信道分配方式而初始的已接入用户数H取不同值时，网络的理论阻塞率与不使用SCVNT算法的持续时间的关系如图9所示，其中U＝500，C＝50。可以看出，T_NTJ越长，其性能的改善越小，且当T_NTJ＞300s时将失去其时效性。

3.3使用FCA时MRCD-SCVNT算法中冗余信道差值门限的选择

使用FCA作为网内信道分配方式，当使用MRCD-SCVNT算法时，在冗余信道差值门限D_th取不同值时网络A、B的总阻塞率和平均网络转换周期如图10所示，其中，(a)中表示的是U^B＝500时的总阻塞率，(b)中表示的是U^B＝500时的平均网络转换周期。可以看出，增大D_th时平均网络转换周期增大，可提高系统的稳定性。同时，当D_th＝10时，MRCD-SCVNT算法的总阻塞率性能达到最佳，而增大或减小D_th均导致总阻塞率性能变差，所以仿真中默认取D_th＝10。与T_NTJ类似，可以根据实际应用需求对D_th进行必要的调整。

3.4使用DCA时两种SCVNT算法的性能

使用DCA作为网内信道分配方式，则MTBP-SCVNT算法和MRCD-SCVNT算法的性能比较如图11所示，其中，(a)中表示的是U^B＝500时的阻塞率，(b)中表示的是U^B＝500时的中断率。可以看出，使用SCVNT算法时系统的总阻塞率略有降低，但其所带来的性能提升远低于使用FCA时。另外，SCVNT算法导致了系统总中断率的升高。这是因为较之FCA而言，DCA已经在网络内部对信道资源进行了充分利用，导致网络转换被触发的概率较低，而触发的网络转换由于没有考虑小区间干扰问题，导致更多用户的通信中断。所以使用DCA时需要针对该问题对SCVNT算法进行优化。

事实上，DCA算法由于会导致小区间干扰，往往会增加系统的中断率，而在实际应用中采用各种优化算法则会大大提高系统设计的复杂度，所以目前应用较少。而SCVNT算法实际上是一种异构无线网络之间的动态载波分配，具有不同的优化目标。使用FCA时，SCVNT算法仅需每个多模基站单独在异构无线网络之间进行载波资源分配，不需要考虑小区间干扰，也不会导致用户通信中断，且复杂度较低，所以具有更高的应用价值。考虑到异构无线网络之间不可能做到理想同步，在实际应用中SCVNT算法与异构无线网络内部的信道分配是相互独立的，该功能的配置与否不会影响每种无线网络内部的工作状态，这也使得SCVNT算法具有很好的兼容性与扩展性。

4.总结分析

从理论分析和仿真实验可以看出，在使用FCA时SCVNT算法具有较高的应用价值，但在使用DCA时其应用价值不高。同时，SCVNT算法在异构无线网络之间信道利用率不均衡时优势更为明显。MTBP-SCVNT算法的总阻塞率性能是最优的，但算法要求用户数已知的条件不易满足，且复杂度较高，在网络转换判决的周期较短时系统稳定性较差。MRCD-SCVNT算法虽然不是最优的，但其应用条件易于满足，且复杂度较低，所以具有更高的实用价值。增大网络转换判决的周期和提高冗余信道差值门限会降低SCVNT算法的性能，但却可提高系统的稳定性，所以需要对这些参数进行合理选择。总之，针对采用电路交换的异构无线网络的SCVNT算法在大部分条件下可以有效降低异构无线网络的总阻塞率，提高频谱资源分配的公平性，并且可实现平滑升级，是提高异构无线网络频谱利用率的有效方法。

应当指出，以上所述仅是本发明具有代表性的实施方式，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的技术原理的前提下，还可以做出若干的改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法，其特征是：一定数量的使用电路交换的异构无线网络都占有一定数量的载波，每个载波承载一定数量的信道；各使用电路交换的异构无线网络保留一定数量的私有载波为自己私有使用，且该私有载波可以无盲区覆盖；同时，设置一定数量的共享载波由各使用电路交换的异构无线网络共享；每个小区内均有多模基站独立完成该小区内使用电路交换的异构无线网络的资源分配；同时，在网络规划中，通过严格控制使用共享载波的属于使用电路交换的异构无线网络的多模基站之间的距离和发射功率，限制各小区属于使用电路交换的异构无线网络的相同共享载波之间的同频干扰，同时限制各小区属于同一使用电路交换的无线网络的相同载波之间的同频干扰。

2.根据权利要求1所述的提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法，其特征是：如果各使用电路交换的异构无线网络的信道利用率不均衡，则多模基站通过对不同使用电路交换的异构无线网络中用户业务量需求的分析和预测，对各使用电路交换的异构无线网络的共享载波进行重新分配，以减少信道利用率低的使用电路交换的异构无线网络的载波数为代价来增加信道利用率高的使用电路交换的异构无线网络的载波数，将更多的共享载波分配给用户业务量需求高的使用电路交换的异构无线网络，其中，共享载波所承载的使用电路交换的异构无线网络发生改变的过程称为网络转换。

3.根据权利要求2所述的提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法，其特征是：所述网络转换的过程含有如下步骤：

步骤a．设置网内信道分配的周期和网络转换判决的周期，然后执行步骤b；

步骤b．判断网内信道分配的时间是否到达，如果时间到达，在每个使用电路交换的异构无线网络内部进行网内信道分配，然后执行步骤c；如果时间没有到达，重新执行步骤b；

步骤c．判断网络转换判决的时间是否到达，如果时间到达，执行步骤d；如果时间没有到达，执行步骤a；

步骤d．判断网络转换的条件是否满足，如果满足，进行网络转换，然后执行步骤a；如果不满足，直接执行步骤a。

4.根据权利要求3所述的提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法，其特征是：所述网内信道分配可采用固定信道分配或动态信道分配。

5.根据权利要求3所述的提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法，其特征是：所述网内信道分配的周期即为进行网内信道分配的时间间隔，所述网络转换判决的周期即为进行网络转换判决的时间间隔，网络转换判决的周期大于或等于网内信道分配的周期，网内信道分配的周期和网络转换判决的周期均可进行实时调整，并且，网内信道分配与网络转换之间相互独立。

6.根据权利要求3所述的提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法，其特征是：所述步骤d中网络转换的条件含有下列6种判决条件，这些判决条件可单独使用，也可组合使用；

判决条件1：每个多模基站根据小区内的总用户数、已接入用户数、信道数和对用户业务量信息的估计，计算下一段网络转换判决的周期内该小区内的各个使用电路交换的异构无线网络的阻塞率的估计值和新接入用户数的估计值，从而求出全部使用电路交换的异构无线网络的总阻塞率，网络转换条件以最小化该总阻塞率为优化目标；

判决条件2：每个多模基站根据小区内的总用户数、已接入用户数、信道数和对用户业务量信息的估计，计算下一段网络转换判决的周期内该小区内的各个使用电路交换的异构无线网络的阻塞率的估计值，网络转换条件以最小化各个使用电路交换的异构无线网络的阻塞率之间的差异为优化目标；

判决条件3：每个多模基站根据小区内的总用户数、已接入用户数和信道数，计算该小区内的各个使用电路交换的异构无线网络的信道利用率，网络转换条件以最小化各个使用电路交换的异构无线网络的信道利用率之间的差异为优化目标；

判决条件4：每个多模基站根据小区内的总用户数、已接入用户数和信道数，计算该小区内的各个使用电路交换的异构无线网络的冗余信道数，网络转换条件以最小化各个使用电路交换的异构无线网络的冗余信道数之间的差异为优化目标；其中冗余信道数为某个小区内的总信道数减去已接入用户数；

判决条件5：每个多模基站考察小区内各用户的无线传输损耗和小区间干扰情况，网络转换条件以最小化多模基站和用户的发射功率以及最小化小区间干扰为优化目标；其中小区间干扰包括同一使用电路交换的无线网络内部的小区间干扰和使用电路交换的异构无线网络之间的小区间干扰；

判决条件6：网络转换条件需要满足：小区内网络转换后的信道数大于等于已接入用户数和网络转换后的信道数大于等于该网络的私有信道数。

7.根据权利要求6所述的提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法，其特征是：根据实际应用情况，将网络转换的判决条件转化为多目标决策问题，通过为所述6种判决条件或6种判决条件中的部分判决条件分配相应的权重值或门限值，使用加权的方法得出网络转换的最终判决条件。

8.根据权利要求1所述的提高使用电路交换的异构无线网络频谱利用率的方法，其特征是：所述使用电路交换的异构无线网络采用面向电路连接的电路交换技术，电路交换技术是指：在通信双方进行通信时，需要为该通信分配一条具有固定带宽的通信链路，在通信开始时建立通信链路，通信完毕时断开通信链路，通信双方在通信过程中将一直占用所分配的带宽资源，直到通信结束；在建立通信链路之后和断开通信链路之前，即使通信双方无任何数据传输，该通信链路仍不允许其他用户共享。

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