CN102932861A - 一种异种网络间基于时间门限的动态上行垂直切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异种网络间基于时间门限的动态上行垂直切换方法，该方法在基于时间门限的上行垂直切换方法基础上提出一种针对单蜂窝覆盖区内非优先级上行垂直切换呼叫的动态优先级概率提升算法以增强其占用和抢占蜂窝移动信道的能力；同时，对单蜂窝覆盖区内蜂窝移动信道的分配和抢占策略作了改进。本发明具有在保持系统高蜂窝移动信道利用率、较低的用户敏感型上行垂直切换呼叫丢失率和新增蜂窝呼叫阻塞率性能的同时，明显改善用户非敏感型上行垂直切换呼叫丢失率性能，实现信道资源有效利用的有益效果。

Description

一种异种网络间基于时间门限的动态上行垂直切换方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地说是一种异种网络间基于时间门限的动态上行垂直切换方法。

背景技术

当前，随着人们对移动接入业务需求的不断增长，下一代无线通信技术正朝着实现异种无线网络互通的方向发展。蜂窝移动网和无线局域网（WLAN）是现代无线通信中两大主要的无线通信网络。蜂窝移动网的特点是大覆盖和低带宽，与此相反，WLAN 则具有小覆盖和高带宽的特征。而蜂窝移动网络与WLAN的互通，则能使两者的优势互补，增强所提供业务的服务质量（QoS）。

网络间交换连接的过程称为切换。相同接入技术网络（如WLANs之间）间的切换称为水平切换，而不同接入技术网络（如蜂窝移动网与WLAN）间的切换称为垂直切换。垂直切换可进一步分成下行垂直切换（DVH）和上行垂直切换（UVH）。对于蜂窝移动网络与WLAN互通系统而言，DVH是指从蜂窝移动网到WLAN的垂直切换，而UVH是指从WLAN到蜂窝移动网的垂直切换。DVH是移动用户从低带宽大覆盖向高带宽有限覆盖网络的切换过程，而UVH 则是移动用户从高带宽有限覆盖向低带宽大覆盖网络的切换过程。

异种网络间的垂直切换是下一代移动网络实现无缝移动性所面临的重要挑战。近年来，出现了许多针对异种无线网络垂直切换的切换方法，但这些方法极少涉及信道抢占的垂直切换。 T. –L. Sheu等人2010年在 “Wireless Networks”期刊发表的论文“A channel preemption model for vertical handoff in a WLAN-embedded cellular network”中提出了一种适用于蜂窝移动网络与WLAN互通的信道抢占垂直切换方法（简称：PMV方法），其核心思想是：如果蜂窝移动网络中的有效移动信道全部被占用，只处于单蜂窝移动网络覆盖范围的新增呼叫或执行了UVH过程切换到单蜂窝移动网络覆盖区的切换呼叫发现蜂窝移动网络与WLAN双重覆盖区域内有可抢占的蜂窝移动信道存在，可对该类信道进行抢占。被抢占的在线蜂窝呼叫被迫执行DVH过程，由蜂窝移动网络向WLAN 进行下行垂直切换。PMV方法有效地减少了蜂窝移动网络内新增呼叫阻塞率和UVH切换呼叫丢失率。对切换呼叫的处理方式将直接影响到向移动用户提供业务的服务质量（QoS）及互通系统的性能， I. Katzela 和 M. Naghshineh 早在1996年就在“IEEE Personal Communications” 期刊上发表的论文“Channel Assignment Schemes for Cellular Mobile Telecommunication Systems: A Comprehensive Survey”中指出：“蜂窝移动网内相比新增呼叫的阻塞而言，切换呼叫的丢失更应避免”。然而，在对于只处于单蜂窝覆盖范围的新增呼叫和执行UVH过程切换到单蜂窝覆盖区的垂直切换呼叫如何进行蜂窝移动信道占用与抢占的设计中，PMV方法并没有考虑两者的先后次序，而是赋予UVH切换呼叫与新增蜂窝呼叫同等的竞争和抢占蜂窝移动信道的权利，其结果使UVH切换呼叫的呼叫丢失率性能不能得到进一步的改善。针对PMV方法的不足，论文“An upward priority channel preemption scheme for vertical handoff in cellular/WLAN interworking”在 2011年“IEEE WICOM” 国际会议上提出了一种适用于蜂窝移动网络与WLAN互通网络的上行优先级垂直切换方法（简称：UPPS方法）。该方法通过提高UVH切换呼叫在具有信道抢占的上行垂直切换中的优先级，有效地改善了UVH切换呼叫丢失率性能，但由此也使其新增蜂窝呼叫阻塞率有些增加。对有限的蜂窝移动信道资源而言，UVH切换呼叫丢失率和新增蜂窝呼叫阻塞率是矛盾的两个对立面，偏向任何一方，都会使另一方的性能变差。如何使两者达到最佳平衡一直是无线通信领域关注的焦点。M. Salamah 等人2005年在 “New Trends in Computer Networks”期刊发表的论文“A Fair Bandwidth Allocation Scheme for Multimedia Handoff Calls in Cellular Networks”中指出：“对于在线语音呼叫，如果通话持续时间很短就出现掉线，用户将非常愤怒，而当通话持续一定时间后出现掉线，用户的不满情绪就不会那么强烈；同样，对于在线数据呼叫，当连接时间小于一可接受的范围内掉线，用户一般可以容忍，但当在线数据传输已进行相当时间后出现掉线，那用户的不满情绪将相当强烈”。由此，M. Salamah等人在上述论文中提出了一种针对蜂窝网络内水平切换的时间门限信道分配方法（简称：TTS方法）。该方法通过监控水平切换呼叫的在线通信时间，根据用户对语音和数据业务的不同容忍度，对在线水平切换呼叫进行优先级分类，其目的是要在保证用户敏感型的优先级水平切换呼叫具有较低丢失率的同时，改善新增呼叫阻塞率性能。在IEEE WICOM’2012 国际会议上，将M. Salamah等人针对同种网络水平切换的时间门限思想应用到异种网络的垂直切换中,提出了一种异种网络间基于时间门限的上行垂直切换方法（简称：TUPS方法）, 该方法具有在保持系统高蜂窝移动信道利用率和较低的用户敏感型上行垂直切换呼叫丢失率性能的同时，明显改善了UPPS方法中新增蜂窝呼叫阻塞率性能，但这种改善是以一定程度上牺牲非优先级UVH呼叫丢失率性能为代价的，其非优先级UVH呼叫丢失率有所增加。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种异种网络间基于时间门限的动态上行垂直切换方法，该方法具有在保持系统高蜂窝移动信道利用率、较低的用户敏感型上行垂直切换呼叫丢失率和新增蜂窝呼叫阻塞率性能的同时，明显改善TUPS方法中用户非敏感型上行垂直切换呼叫丢失率性能，实现信道资源有效利用的有益效果。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种异种网络间基于时间门限的动态优先级信道分配与抢占的上行垂直切换方法，所述异种网络间是指蜂窝移动网与无线局域网间，该方法包括：

a）上行垂直切换呼叫分类

本发明根据用户对在线语音和宽带数据业务掉线的不同容忍度，设置语音和数据时间门

限；语音时间门限是指大于语音用户所能接受的最小通话持续时间，宽带数据时间门限是指小于宽带数据用户所能容忍掉线的最大在线数据传输时间；本发明通过监控呼叫的在线通信时间，根据语音和宽带数据时间门限，对语音和宽带数据上行垂直切换呼叫进行优先级分类；小于语音时间门限的在线语音UVH呼叫和大于宽带数据时间门限的在线宽带数据UVH呼叫称为优先级UVH呼叫，而大于语音时间门限的在线语音UVH呼叫和小于宽带数据时间门限的在线宽带数据UVH呼叫称为非优先级UVH呼叫；

b）定义优先级

针对单蜂窝覆盖区内有蜂窝移动信道占用和抢占要求的UVH切换呼叫和新增蜂窝呼叫，综合考虑上行垂直切换的优先性及用户对切换呼叫掉线的容忍度，定义优先级UVH呼叫优先级最高，新增蜂窝呼叫优先级最低；对于非优先级UVH呼叫，使用动态优先级提升概率P将其分成两部分， 其中以（1-P）的概率使部分非优先级UVH呼叫的优先级保持与新增蜂窝呼叫相同，处于最低级，而以P的概率使另一部分非优先级UVH呼叫的优先级被提升到介于优先级UVH呼叫和新增蜂窝呼叫之间；

c）动态优先级概率提升算法

动态优先级提升概率P表示系统内非优先级UVH呼叫的优先级被提升的可能性，其特点是该提升概率随着单蜂窝覆盖区负荷变化而动态变化，即P随着单蜂窝覆盖区负荷增加而减小，P值范围为 0 ≤P ≤ 1 ；动态优先级概率提升算法中动态优先级提升概率P的选取采用二分法进行，即先将单蜂窝覆盖区可能的业务负荷测量值分成若干等级，如果当前单蜂窝覆盖区内的业务负荷测量值比前一次的测量值增加一个负荷量等级，则当前的动态优先级提升概率P就取为前一次P值的一半，反之，如果当前单蜂窝覆盖区内的业务负荷测量值比前一次的测量值减少一个负荷量等级，则当前的动态优先级提升概率P就取为前一次P值的一倍；

d）单蜂窝覆盖区内蜂窝移动信道分配

异种网络间，蜂窝小区信道总容量为B个基本带宽单位，                                                

为优先级UVH呼叫允许占用蜂窝移动信道的信道门限值，为优先级被提升的非优先级UVH呼叫允许占用蜂窝移动信道的信道门限值，而

为优先级未被提升的非优先级UVH呼叫和新增蜂窝呼叫允许占用蜂窝移动信道的信道门限值；若蜂窝小区当前已占用信道数低于

个基本带宽单位，优先级UVH呼叫直接完成上行垂直切换，占用蜂窝移动信道；若蜂窝小区当前已占用信道数低于

个基本带宽单位，优先级被提升的非优先级UVH呼叫可占用蜂窝移动信道；若蜂窝小区当前已占用信道数低于

个基本带宽单位，优先级未被提升的非优先级UVH呼叫和新增蜂窝呼叫可占用蜂窝移动信道；信道门限值B 、

、

和

间满足关系式：B ≥

 ＞

 ＞

；

e）单蜂窝覆盖区内优先级蜂窝移动信道抢占

异种网络间，若不存在空闲蜂窝移动信道的情况下，单蜂窝覆盖区内有抢占要求的呼叫按优先级次序抢占双重覆盖区内已被占用的可抢占蜂窝移动信道；若有多个呼叫同时要求抢占可抢占的蜂窝移动信道，优先级UVH呼叫抢占权限最高，优先级被提升的非优先级UVH呼叫次之，而优先级未被提升的非优先级UVH呼叫和新增蜂窝呼叫抢占权限最低。

本发明的互通系统中有三类蜂窝移动信道：空闲蜂窝信道，可抢占蜂窝信道和非抢占蜂窝信道。其中，可抢占蜂窝信道是指处于双重覆盖区域的呼叫所占用的蜂窝信道；非抢占蜂窝信道是指处于单蜂窝移动覆盖区的呼叫所占用的蜂窝信道。

在蜂窝移动网络和无线局域网络互通系统中，进入双重覆盖区域的在线语音呼叫不主动执行DVH下行垂直切换过程，除非单蜂窝覆盖区内有其它呼叫对其提出抢占申请。而进入双重覆盖区域的在线宽带数据呼叫则应尽可能的执行DVH过程，即只要有空闲的WLAN无线信道存在，该类呼叫就放弃蜂窝移动信道，转而占用WLAN无线信道。但是，如果此时无WLAN空闲无线信道，在没有蜂窝移动信道抢占发生的情形下允许进入双重覆盖区域的在线宽带数据呼叫暂时仍继续占用蜂窝移动信道，以免增加不必要的呼叫丢失和通信中断。

本发明在执行上行垂直切换中对改善非优先级UVH切换呼叫丢失率性能有明显优势，能较好地实现UVH切换呼叫丢失率和新增蜂窝呼叫阻塞率性能间的平衡。

附图说明

图1为蜂窝移动网和无线局域网互通系统结构图,图中：1-单蜂窝覆盖区；2-垂直切换；3-双重覆盖区；

图2为优先级提升概率P与蜂窝负荷的关系曲线图，横坐标为蜂窝呼叫到达率；纵坐标优先级提升概率P；

图3为非优先级上行垂直切换呼叫丢失率与蜂窝负荷的关系曲线仿真图，横坐标为蜂窝呼叫到达率；纵坐标为非优先级UVH呼叫丢失率；曲线B为本发明、A为TUPS；

图4为优先级上行垂直切换呼叫丢失率与蜂窝负荷的关系曲线仿真图，横坐标为蜂窝呼叫到达率；纵坐标为优先级UVH呼叫丢失率；曲线B为本发明、A为TUPS；

图5为蜂窝移动信道利用率与蜂窝负荷的关系曲线仿真图，横坐标为蜂窝呼叫到达率；纵坐标为蜂窝移动信道利用率；曲线B为本发明、A为TUPS；

图6为新增蜂窝呼叫阻塞率与蜂窝负荷的关系曲线仿真图，横坐标为蜂窝呼叫到达率；纵坐标为新增蜂窝呼叫阻塞率；曲线B为本发明、A为TUPS。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细阐述本发明。以下实施例并不是对本发明的限制。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。

图1示出了蜂窝移动网/WLAN互通系统结构，该结构为蜂窝移动终端和WLAN覆盖区内的无线终端提供语音和宽带数据业务。实施例仿真中各蜂窝小区信道容量B为20BBUs（基本带宽单位），各WLAN覆盖区信道容量为54 BBUs。蜂窝移动信道设置的信道门限

、

和

分别为20BBUs、19BBUs和18BBUs。为满足业务QoS要求，单个语音呼叫需占用一个基本带宽单位的信道，而单个宽带数据呼叫需占用两个基本带宽单位的信道。蜂窝小区内产生新增呼叫的过程服从均值为λc的Poisson过程，而WLAN覆盖区内产生新增呼叫的过程服从均值为λw的Poisson过程（这里λw取0.04call/s），本发明中涉及的呼叫阻塞率和丢失率性能主要受λc变化影响。各呼叫的通信持续时间服从均值为6分钟的负指数分布。在线呼叫用户在单个蜂窝小区和单个WLAN覆盖区内的逗留时间分别服从均值为2分钟和4分钟的负指数分布。用于划分优先级和非优先级UVH呼叫的语音和宽带数据时间门限值分别为120秒和30秒。图2示出了根据本发明提出的动态优先级提升概率选取算法所设计的优先级提升概率P与蜂窝负荷的关系曲线图。

图3示出了非优先级UVH呼叫丢失率与蜂窝负荷的关系曲线仿真图。由仿真结果可知：与TUPS方法相比，本发明提出的基于时间门限的动态上行垂直切换方法使系统非优先级UVH呼叫丢失率明显下降。这是由于通过本发明方法针对非优先级UVH呼叫优先级的动态提升以及动态优先级蜂窝移动信道分配和抢占的设计，使非优先级UVH呼叫在蜂窝负荷较轻时其竞争蜂窝移动信道的能力增强，从而提高了非优先级UVH呼叫占用和抢占信道的成功率。由图3可知：当蜂窝小区新增语音呼叫的平均到达率λc为0.02call/s时，本发明方法和TUPS方法的非优先级UVH呼叫丢失率分别为2.22E-3和1.10E-2，本发明方法相对于TUPS方法的改善度为79.82%；同样，当蜂窝小区新增语音呼叫的平均到达率增大到λc为0.07call/s时，本发明方法和TUPS方法的非优先级UVH呼叫丢失率分别为5.90E-2和7.40E-2，本发明方法相对于TUPS方法的改善度仍有20.27%。

图4、图5和图6示出了优先级UVH呼叫丢失率、蜂窝移动信道利用率和新增蜂窝呼叫阻塞率分别与蜂窝负荷的关系曲线仿真图。由图4至图6的仿真结果可以看出：本发明提出的方法与TUPS方法相比在优先级UVH呼叫丢失率、蜂窝移动信道利用率和新增蜂窝呼叫阻塞率性能方面基本相近，即本发明在保证系统整体性能的同时，明显改善了TUPS方法中非优先级UVH呼叫丢失率性能。

因此，通过附图与实施例分析证明：本发明提出的基于时间门限的动态上行垂直切换方法，在保持系统高蜂窝移动信道利用率、较低的用户敏感型上行垂直切换呼叫丢失率和新增蜂窝呼叫阻塞率性能的同时，明显改善用户非敏感型上行垂直切换呼叫丢失率性能，实现信道资源有效利用的有益效果。

Claims (1)

1.一种异种网络间基于时间门限的动态上行垂直切换方法，所述异种网络间是指蜂窝移动网与无线局域网间，其特征在于该方法包括：

a）上行垂直切换呼叫分类

通过监控呼叫的在线通信时间，根据用户对呼叫掉线的容忍度设置语音和宽带数据时间门限，由此对语音和宽带数据上行垂直切换呼叫进行优先级分类；小于语音时间门限的在线语音UVH呼叫和大于宽带数据时间门限的在线宽带数据UVH呼叫称为优先级UVH呼叫，而大于语音时间门限的在线语音UVH呼叫和小于宽带数据时间门限的在线宽带数据UVH呼叫称为非优先级UVH呼叫；

b）定义优先级

针对单蜂窝覆盖区内有蜂窝移动信道占用和抢占要求的UVH切换呼叫和新增蜂窝呼叫，综合考虑上行垂直切换的优先性及用户对切换呼叫掉线的容忍度，定义优先级UVH呼叫优先级最高，新增蜂窝呼叫优先级最低；对于非优先级UVH呼叫，使用动态优先级提升概率P将其分成两部分， 其中以（1-P）的概率使部分非优先级UVH呼叫的优先级保持与新增蜂窝呼叫相同，处于最低级，而以P的概率使另一部分非优先级UVH呼叫的优先级被提升到介于优先级UVH呼叫和新增蜂窝呼叫之间；

c）动态优先级提升概率P的选取算法

动态优先级提升概率P表示系统内非优先级UVH呼叫的优先级被提升的可能性，其特点是该提升概率随着单蜂窝覆盖区负荷变化而动态变化，即P随着单蜂窝覆盖区负荷增加而减小，P值范围为 0 ≤P ≤ 1 ；动态优先级提升概率P的动态选取算法采用二分法进行，即先将单蜂窝覆盖区可能的业务负荷测量值分成若干等级，如果当前单蜂窝覆盖区内的业务负荷测量值比前一次的测量值增加一个负荷量等级，则当前的动态优先级提升概率P就取为前一次P值的一半，反之，如果当前单蜂窝覆盖区内的业务负荷测量值比前一次的测量值减少一个负荷量等级，则当前的动态优先级提升概率P就取为前一次P值的一倍；

d）单蜂窝覆盖区内蜂窝移动信道分配

异种网络间，蜂窝小区信道总容量为B个基本带宽单位，                                                

为优先级UVH呼叫允许占用蜂窝移动信道的信道门限值，

为优先级被提升的非优先级UVH呼叫允许占用蜂窝移动信道的信道门限值，而

为优先级未被提升的非优先级UVH呼叫和新增蜂窝呼叫允许占用蜂窝移动信道的信道门限值；若蜂窝小区当前已占用信道数低于

个基本带宽单位，优先级UVH呼叫直接完成上行垂直切换，占用蜂窝移动信道；若蜂窝小区当前已占用信道数低于

个基本带宽单位，优先级被提升的非优先级UVH呼叫可占用蜂窝移动信道；若蜂窝小区当前已占用信道数低于

个基本带宽单位，优先级未被提升的非优先级UVH呼叫和新增蜂窝呼叫可占用蜂窝移动信道；信道门限值B、

、

和

间满足关系式：B ≥ 

 ＞ 

 ＞ 

；

e）单蜂窝覆盖区内优先级蜂窝移动信道抢占

异种网络间，若不存在空闲蜂窝移动信道的情况下，单蜂窝覆盖区内有抢占要求的呼叫按优先级次序抢占双重覆盖区内已被占用的可抢占蜂窝移动信道；若有多个呼叫同时要求抢占可抢占的蜂窝移动信道，优先级UVH呼叫抢占权限最高，优先级被提升的非优先级UVH呼叫次之，而优先级未被提升的非优先级UVH呼叫和新增蜂窝呼叫抢占权限最低。

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