一種新的話務(wù)均衡方法的研究

【摘要】 文章提出了一種針對(duì)室內(nèi)分布系統(tǒng)與室外宏蜂窩系統(tǒng)之間的新的話務(wù)均衡方法，介紹了該方法的工作原理、過程。最后通過Monte Carlo仿真證明其有效性。

【關(guān)鍵詞】 室內(nèi)分布系統(tǒng) 室外宏蜂窩 話務(wù)均衡 電調(diào)天線

1　引言

　　隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的進(jìn)一步完善，基站密度增加，城市的室外區(qū)域已經(jīng)基本做到了無縫覆蓋，熱點(diǎn)地區(qū)的室內(nèi)區(qū)域也通過直放站或者室內(nèi)分布系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有效覆蓋。但是，到目前為止，室內(nèi)分布系統(tǒng)只是專門為樓宇內(nèi)部的用戶服務(wù)，這就會(huì)造成系統(tǒng)資源的極大浪費(fèi)。比如，超市和娛樂場所的室內(nèi)分布系統(tǒng)通常在晚上有較大的話務(wù)量，而白天的話務(wù)量極低；展覽中心、會(huì)議中心等地只在周末等某些舉行活動(dòng)的特定日子存在大量的話務(wù)量，其余時(shí)段則十分空閑。因此，與傳統(tǒng)的話務(wù)均衡方法[1,2,3]不同，我們提出，給室內(nèi)分布系統(tǒng)加裝一副室外電調(diào)天線，根據(jù)其話務(wù)分布模型，自適應(yīng)地利用它的低話務(wù)量時(shí)段去吸收室外宏蜂窩系統(tǒng)的部分話務(wù)量，最終實(shí)現(xiàn)話務(wù)均衡，這既提高了室內(nèi)分布系統(tǒng)的資源利用率，也降低了室外宏蜂窩的話務(wù)負(fù)荷，從而增加宏蜂窩覆蓋區(qū)域內(nèi)能夠容納的用戶數(shù)量，提高整個(gè)移動(dòng)通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

2　系統(tǒng)工作原理

　　圖1是系統(tǒng)的工作原理圖。位于D點(diǎn)的BS1代表室外宏蜂窩基站的天線，位于E點(diǎn)的BS0代表我們?yōu)槭覂?nèi)分布系統(tǒng)安裝的室外電調(diào)天線。S1、S2、S3代表室外宏蜂窩的三個(gè)扇區(qū)，室內(nèi)分布系統(tǒng)位于S2扇區(qū)內(nèi)。我們的目標(biāo)是，通過不斷調(diào)節(jié)BS0的下傾角和發(fā)射功率來改變其覆蓋范圍；通過用戶在空閑模式下的小區(qū)選擇，使越來越多的原來接入BS1的用戶轉(zhuǎn)向接入到BS0當(dāng)中去，最終實(shí)現(xiàn)BS1和BS0的話務(wù)均衡，這就使得BS1的S2扇區(qū)的話務(wù)負(fù)荷降低。進(jìn)一步，從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，由于扇區(qū)間切換的存在，BS1的S2扇區(qū)話務(wù)負(fù)荷降低，會(huì)有助于降低BS1的S1、S3扇區(qū)的負(fù)荷和擁塞狀況；同理，由于小區(qū)間切換的存在，BS1負(fù)荷和擁塞狀況的改善，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能的改善。


圖1 系統(tǒng)工作原理

　　值得注意的是，一方面，為了盡可能不造成對(duì)其它小區(qū)的干擾，BS0的覆蓋范圍既受限于設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置的最大覆蓋半徑，也受限于BS0與BS1兩基站之間的距離，即不超過圖1中的E、F兩點(diǎn)之間的距離；另一方面，話務(wù)均衡的精度與覆蓋半徑的調(diào)節(jié)精度密切相關(guān)，這直接影響到天線控制算法的復(fù)雜度。

3　小區(qū)選擇與話務(wù)均衡

　　當(dāng)室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外電調(diào)天線開啟時(shí), 原來處于室外宏蜂窩系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶在空閑狀態(tài)下將進(jìn)行小區(qū)選擇。根據(jù)GSM規(guī)范GSM05.08[4]，小區(qū)選擇準(zhǔn)則包含接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)（接收信號(hào)功率、小區(qū)選擇參數(shù)C1）， 結(jié)合考慮接收信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)（接收載干比CIR）。小區(qū)選擇的流程圖如圖2所示：


圖2 小區(qū)選擇流程圖

　　話務(wù)均衡是指位于同一區(qū)域的不同基站的無線信道資源應(yīng)根據(jù)話務(wù)和覆蓋的需求進(jìn)行配置，使無線信道的話務(wù)負(fù)荷大致相當(dāng)，從而降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率、提高無線信道利用率[2]。我們采用的話務(wù)均衡準(zhǔn)則為：室外宏蜂窩和室內(nèi)分布系統(tǒng)的單位話務(wù)量所支持的用戶數(shù)相當(dāng)，即：

（1）

　　其中，Num_User_Macro，Num_User_Micro分別代表室外宏蜂窩和室內(nèi)分布系統(tǒng)所承擔(dān)的用戶數(shù)；Traffic_Macro，Traffic_Micro 分別代表室外宏蜂窩和室內(nèi)分布系統(tǒng)所支持的理論話務(wù)量。

　　在實(shí)際的天線調(diào)節(jié)過程當(dāng)中,由于調(diào)節(jié)步長的限制，不可能做到嚴(yán)格滿足式(1)。在室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外電調(diào)天線開啟之前，式(1)的左邊遠(yuǎn)大于右邊；當(dāng)電調(diào)天線開啟之后，我們通過自動(dòng)調(diào)節(jié)天線參數(shù)逐步增大室內(nèi)分布系統(tǒng)在室外的覆蓋范圍，使式(1)的右邊逐步增大，與此同時(shí)，由于用戶在空閑模式下的小區(qū)選擇作用的存在，式(1)的左邊相應(yīng)減小，當(dāng)天線調(diào)節(jié)到達(dá)一定程度的時(shí)候，式(1)的左邊近似等于式(1)的右邊，那么停止天線調(diào)節(jié)、固定此時(shí)的天線參數(shù)。當(dāng)然，為了不影響其它小區(qū)的正常工作，室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外覆蓋范圍和發(fā)射功率嚴(yán)格受限，也就可能出現(xiàn)式(1)的左邊永遠(yuǎn)大于式(1)的右邊的情況，此時(shí)，只能使室內(nèi)分布系統(tǒng)天線的有效覆蓋范圍達(dá)到最大，以充分提高室內(nèi)分布系統(tǒng)的資源利用率。

4　仿真結(jié)果與分析

　　我們采用Monte Carlo方法在一個(gè)3*7頻率復(fù)用模式的多小區(qū)蜂窩系統(tǒng)環(huán)境中驗(yàn)證我們提出的話務(wù)均衡方法，在目標(biāo)小區(qū)外考慮第一層的六個(gè)同頻干擾小區(qū)[5]。我們假設(shè)室外宏蜂窩的小區(qū)覆蓋半徑為500m；室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外覆蓋范圍的最大半徑為300m，調(diào)節(jié)步長為50m。對(duì)我們的實(shí)測數(shù)據(jù)采用MMSE準(zhǔn)則處理并經(jīng)傳播模型校正之后[6]，分別取路徑損耗指數(shù)PLE=3.77，反映陰影效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差Sigma=7.42；最小允許接入電平ACCMIN設(shè)為-90dBm，載干比門限值CIR0設(shè)為12dB。仿真流程如圖3所示：


圖3 仿真流程圖

　　表1對(duì)應(yīng)的仿真參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)了話務(wù)均衡,此時(shí)，室內(nèi)分布系統(tǒng)1的室外天線的覆蓋半徑為250m,小于設(shè)計(jì)的最大覆蓋半徑300m。表1顯示，經(jīng)過話務(wù)均衡之后，接入室外宏蜂窩的用戶數(shù)量顯著降低，相反，接入室內(nèi)分布系統(tǒng)1的用戶數(shù)量明顯增加，這同時(shí)也意味著室外宏蜂窩所覆蓋的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)可以容納更多的用戶。如圖4所示，經(jīng)過話務(wù)均衡之后，室內(nèi)分布系統(tǒng)1的相對(duì)于理論最大支持用戶數(shù)量配置的歸一化用戶數(shù)量稍大于室外宏蜂窩系統(tǒng)，之所以沒有精確實(shí)現(xiàn)式（1）所示的相等，是由于天線覆蓋范圍調(diào)節(jié)步長的限制造成的。

表1 仿真參數(shù)配置1與相應(yīng)的仿真結(jié)果



圖4 話務(wù)均衡分

　　表2對(duì)應(yīng)的仿真參數(shù)配置與表1相比，室內(nèi)分布系統(tǒng)2的理論話務(wù)量增大了，使得室內(nèi)分布系統(tǒng)2的覆蓋半徑達(dá)到我們約束的最大覆蓋半徑300m。如圖5所示，室內(nèi)分布系統(tǒng)2的歸一化用戶數(shù)量小于室外宏蜂窩。因此，由于天線最大覆蓋范圍的限制，盡管沒有實(shí)現(xiàn)完全話務(wù)均衡，但是室內(nèi)分布系統(tǒng)2的利用率達(dá)到最高。

　　表1和表2也分別給出了使室內(nèi)分布系統(tǒng)1、2達(dá)到話務(wù)均衡或者最大利用率時(shí)候的電調(diào)天線控制參數(shù)。

表2 仿真參數(shù)配置2與相應(yīng)的仿真結(jié)果



圖5 話務(wù)均衡分析

5　結(jié)束語

　　通過給室內(nèi)分布系統(tǒng)安裝一副室外電調(diào)天線，我們可以將其在低話務(wù)量時(shí)段的系統(tǒng)容量調(diào)配給室外宏蜂窩系統(tǒng)。通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)室外天線的下傾角和發(fā)射功率，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)分布系統(tǒng)和室外宏蜂窩的話務(wù)均衡，既提高了室內(nèi)分布系統(tǒng)的利用率，也降低了室外宏蜂窩的話務(wù)負(fù)荷，結(jié)合切換技術(shù)，這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的用戶容量的增加和擁塞率的降低。
本文提出的方案打破了目前的室外宏蜂窩和室內(nèi)分布系統(tǒng)相互獨(dú)立吸收話務(wù)量的局面，它在高話務(wù)密度的熱點(diǎn)地區(qū)的廣泛應(yīng)用，必將顯著提高室內(nèi)分布系統(tǒng)的資源利用率，并有效改善整個(gè)移動(dòng)通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。


參考文獻(xiàn)
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【5】William H Tranter，et al．Principles of Comunication Systems Simulation with Wireless Applications．Printice Hall，2003．
【6】Theodore S　Rappaport．Wireless Communications Principles and Practice．Prentice Hall Inc., 1996．

【作者簡介】
夏明華：中山大學(xué)博士生，主要研究方向?yàn)榭?時(shí)無線通信。
周淵平：博士，教授，博士生導(dǎo)師，中山大學(xué)信息與通信技術(shù)研究中心主任，主要研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)中的空時(shí)域信號(hào)處理。