TD－SCDMA系统中一种基于UE的改进切换算法

张家波，冯长春，孙 威

(1.重庆邮电大学移动通信重点实验室，重庆 400065;2.华为技术有限公司，广东 深圳 518129)

责任编辑:魏雨博

在TD－SCDMA系统中采用了接力切换技术。如果TD系统仍采用在GSM系统中常用的几种基本切换算法(如先进先出(FIFO)、排队算法等)，则系统在为呼叫分配信道的时候，只是一成不变地按照某一规则(如切换请求时序)机械地分配可用信道，而没有考虑到一些特殊情况的发生，容易导致掉话频频发生，因此需要考虑到UE在等待分配信道时的运动情况。

另外，目前的3G移动通信系统能提供种类繁多的业务，例如语音业务和数据业务。这些不同的业务项目，对于系统的要求也各有不同，不同的业务类型对时延和误码率的要求各不相同。所以要根据每种业务的各项指标要求，对不同的业务采用不同的切换策略，设置业务优先级，保障越区切换的高质量完成，保证通话的质量［1－2］。为了高质量地完成接力切换，应该考虑到很多方面的情况，例如在选取目标小区的时候，需要不断地检测周边小区的导频信号强度，选择信号较强的几个小区作为候选的切换目标小区，与此同时，尤其需要考虑到UE的运动情况，包括UE的移动方向和移动速度等方面［3］。

1 改进的切换策略

这是一种动态的切换控制算法，在TD－SCDMA系统中，考虑到UE当前检测到的周围小区的导频信号强度，并且结合UE的移动情况，选择最佳的小区作为目标小区，再根据排队算法设置优先级，并根据优先级分配信道。其切换步骤及存在的几种可能情况如下:

1)当一个呼叫的信号强度减弱时，需要对其进行越区切换，在选取目标小区的时候，UE先搜寻邻近小区的信号强度，选择信号强度最强的几个小区，作为候选的目标小区［4］。并且根据检测到的信号强度将候选小区放入队列排队，根据信号的强度来选择最优的目标小区。在执行过程时会出现如下两种情况:

(1)存在2个或2个以上信号强度相同的候选小区。

(2)检测到候选小区NODE B1的导频信号强度要高于候选小区NODE B2，但其差值小于某一值(持续一段时间T)，且小区B2处于UE移动的方向上。此时若只根据导频信号的强度来选择目标小区，会导致一些不必要的切换发生。因此，需要考虑到UE的移动情况，优先选择在其移动路线上的候选小区作为切换的目标小区［5］。

2)在选定了目标小区之后，如果目标小区内有可用的空闲信道则马上为UE分配，如果没有多余的空闲信道，则此呼叫切换请求就进入排队队列，同时继续使用原小区的信道，直到新小区有空闲信道为止。若只采用先进先出(FIFO)原则的排队策略则易产生如下相关问题:

(1)优先级靠后的业务可能因为信号强度的降低需要马上切换，但先进先出(FIFO)原则不允许优先级靠后的队列提前切换并进行信道分配，因此该业务可能因为信号的降低且没有及时切换，导致掉话的发生。因此排队等待的同时，UE不断地检测目标小区与原小区的功率变化情况，并及时上报，目标小区与原小区的功率比值越大，优先级越高，排在队列的前面，提前获得信道的使用权。

(2)语音业务的实时性要高于数据业务，因此要提高语音业务切换的优先级。

(3)切换呼叫与小区内新呼叫相比，用户更难以接受呼叫切换过程中产生的掉话，因此要考虑这两者的优先级关系。

3)考虑到以上存在的情况，需要设置小区内排队等待业务的优先级，以此来分配信道的使用权。几种业务优先级设置原则为:

(1)语音呼叫(信号弱)＞语音呼叫(信号强);

(2)语音业务＞数据业务;

(3)切换呼叫＞新呼叫。

总的优先级顺序为:语音切换呼叫(信号弱)＞语音切换呼叫(信号强)＞新语音呼叫＞切换数据业务＞新数据业务。

2 切换具体流程

2.1 语音切换呼叫

当一个语音切换呼叫到达某小区时，如果小区内有空余的信道，则马上为其分配信道，即完成越区切换;若小区内没有空余的信道提供给语音切换呼叫使用，则此呼叫进入排队队列等待，若小区内排队队列已经排满，则此切换呼叫被阻塞;否则就先进入排队队列等待，排队等待的同时，根据当前UE的信号强度设置呼叫的优先级，信号强度好的，说明能够支持当前的业务，则优先级较低，信号强度弱的优先级越高;小区根据优先级的高低安排切换的先后顺序，优先级高的呼叫优先分配信道，完成切换过程，如图1。

图1 语音切换呼叫流程图

新的切换呼叫请求到达时只需要考虑小区内队列中是否有优先级高于自己的其他切换呼叫，即信号强度比自己差的业务。如果有，就需要在队列中等待其切换完成;若没有，即可立即获得信道的使用权，完成切换请求。

2.2 语音新呼叫

当语音新呼叫提出请求时，如果小区内有空余的信道，则马上为其分配信道，即接入新呼叫;若小区内没有空余的信道提供给语音新呼叫使用，则检查排队队列，若队列已满，则该呼叫被阻塞;否则就进入排队队列等待小区为其分配信道;同时检测小区内是否有切换呼叫请求的存在，如没有则为其分配最高优先级，提前分配可用信道，实现此次新呼叫;如果队列中存在切换呼叫，则该请求进入队列进行等待，但等待时间需在时间T1之内，若在时间T1内小区仍未为其分配信道，则该呼叫被阻塞;若被阻塞的呼叫在时间T2内多次提出呼叫请求，次数达到某一设定的数值N，则为其分配最高优先级，可提前获得信道的使用权。

语音新呼叫的优先级仅次于切换呼叫请求，因此只需考虑到队列中是否有切换呼叫请求，如果存在就先处理切换呼叫，因为切换呼叫对于阻塞率的要求要高于新呼叫，而且用户对于阻塞新呼叫的容忍度要大于切换呼叫，所以要先处理切换呼叫后再处理新呼叫的请求;若队列中没有切换呼叫请求，即可马上获得信道的使用权，完成新呼叫请求。

2.3 数据业务

当数据业务到达时，若小区内有空余信道，则马上为其分配可用信道;若小区内没有空余的信道，则检查排队队列:若队列已经排满，该业务被阻塞;若队列未满，就为其分配优先级，进入队列排队等待小区为其分配信道，如图2。

图2 数据业务切换流程图

由于数据业务的优先级要低于语音业务，因此切换数据业务到达时需要考虑到小区内语音业务的情况，包括切换语音呼叫和新呼叫请求。若队列中有这两种业务，要根据上述算法完成对语音业务的请求，再处理切换数据业务，最后再处理新的数据业务请求。

切换策略的基本出发点是用户的需求，要全面考虑到用户的感受，对于用户容忍度较低的业务要尽量予以满足，其次要考虑到业务的不同要求，根据业务的要求进行切换处理。

3 切换性能的优化思路

3.1 切换的频繁度

在选择目标小区时，结合UE的移动情况，可以减少不必要的切换，降低切换的频繁度。UE以一个角度α从小区边缘进入小区，α ∈［0°，90°］，小区的半径为 R，因此UE在小区内移动的距离d=2Rsinα。此外假定UE在小区内的平均移动速度为v，一次通话的平均持续时间为T，下面从UE移动速度和移动方向这两方面的考虑，验证性能的优化。

从图3a可以看出，仅从基于速度角度考虑，一次通话过程中需要完成的切换次数为，可以看出切换次数t跟UE的速度v成正比，随着速度的增大，切换次数也随着增大。因此，可以将高速移动的UE切换到宏小区，减少不必要的切换。从图3b可以看出，仅从基于移动方向的角度考虑，不同角度的基站的切换次数为和，由此可以看出，当通话时间、速度以及与基站的距离一定时，切换次数t与角度α成正比，α越大，切换次数越多，α越小，切换次数也相对减少。

图3 对于终端从两种不同的考虑角度

3.2 阻塞率

当切换呼叫在队列中等待分配信道时，UE会不断地检测信号强度，并且根据信号强度的大小来分配优先级(信号强度小的优先级高)，防止信号强度过低而产生掉话。如前所述，先进先出(FIFO)算法策略会因为某些切换呼叫提出切换请求的时间靠后可能导致其信号强度已经低至某一门限值，却仍不能及时得到切换而产生掉话，使切换阻塞率升高。改进策略是基于测量的信号强度，按照时间间隔T刷新排队队列，使当前信号强度低的切换呼叫及时得到切换，防止其由于切换不及时掉话，因此，总体提高了切换的成功率，降低了切换呼叫阻塞率［6－7］。

4 分析模型建立

系统的分析模型框架图如图4所示［8］。

图4 系统分析模型框架图

用一个具有(S+1)个状态的一维马尔科夫链来描述一个小区的状态情况。其状态通过当前小区被占用的信道数 i(i=0，1，2，…，S)来表示，S 是小区内总的信道数，C为有新呼叫前小区被占用的信道数。λn是小区内新呼叫的到达率，λh是切换呼叫的到达率，α是切换呼叫的信号强度，μ是语音呼叫服务率，1/μhd为越区切换的驻留时间，N表示排队队列的长度。

根据上述假设，可以作出分析模型的状态转移图如图5所示。

图5 状态转移图

由状态转移图可得各信道的阻塞率为

其中，

新用户的阻塞率为

其中，

5 仿真结果分析

5.1 切换的频繁度

1)基于不同速度的仿真，在选择目标小区时，由于结合了UE的移动情况，因此可以减少不必要的切换次数，降低了切换的频率。很显然，随着移动速度的增加，移动台跨区切换次数也一定会随之增加。因此对于速度较快的UE可以将其切换到宏小区，以减少不必要的切换。

2)基于UE与基站角度不同的切换次数仿真，如图6所示为仿真结果。可以看出切换次数t跟UE与基站的角度成正比，随着角度的增大，切换次数也随之增大(假设切换到角度大的小区)，因此要选择运动方向上的目标基站，以减少不必要的切换。

图6 基于移动方向的切换

5.2 切换的阻塞率

仿真比较先进先出(FIFO)算法、信道预留算法以及改进的新算法之间的性能的关系［9］，分析仿真结果验证新算法的优越性。仿真环境参数设置为:信道数60个，其中预留了15个信道作为切换呼叫使用，μ=1/50，信道驻留时间1/μhd=1/30，并从以下2个方面进行比较:

1)仿真先进先出(FIFO)算法和改进的新算法，比较不同队列长度下的切换呼叫阻塞率。

2)仿真先进先出(FIFO)算法、信道预留算法以及改进的新算法，比较在呼叫强度一定的情况下，切换呼叫阻塞率与切换呼叫到达率之间的情况，以及不同切换强度下三种算法的切换阻塞率情况。

当小区内没有空余的信道时，需要进行切换的用户就要进入队列中等待分配信道，假如队列长度过长或者等待时间太长，切换用户容易产生掉话，导致切换失败。由仿真结果图7可以看出，在排队队列长度为0～15个时，算法的阻塞率随着队列的增加而增加，而且改进的新算法的阻塞率比先进先出(FIFO)算法的阻塞率要低，在一定的程度上优化了系统的性能［10］。

图7 不同队列长度的阻塞率

同样，由仿真结果图8可以看出，随着切换呼叫到达率的增加，切换呼叫的阻塞率也随之增大。其中，采用信道预留的切换阻塞率要低于先进先出(FIFO)的阻塞率，因为信道预留算法有专门提供给切换呼叫使用的信道，因此提高了切换呼叫的成功率;而改进算法的阻塞率最低，说明同时考虑了切换信号强度、移动方向和速度的新算法性能更优，切换成功率要高于信道预留算法和先进先出(FIFO)算法。

最后，从仿真结果图9可以看出，随着切换强度的增加，三种算法的切换阻塞率也随之增加，但改进算法的阻塞率要低于其他的算法［11］。

图9 切换阻塞率与呼叫强度的关系

6 结束语

传统的切换算法存在着不足。研究切换算法时，除了要考虑信号强度外，还应该充分考虑了UE的移动情况，根据UE的运动方向和移动速度来选择目标小区，给用户分配优先级，按照优先级的高低分配信道的使用权，提高资源的利用率。由仿真结果可以看出，改进的新切换算法在降低切换阻塞率上具有明显的优越性。

此外，改进的切换算法虽然是针对TD－SCDMA系统研究的，但这一改进思想对于蜂窝系统均具有一定的借鉴意义。

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