移动蜂窝系统中负载平衡与多准则切换算法

文摘

高效的交通负载平衡算法是非常重要的服务更多的移动用户在蜂窝网络。本文是基于移动负载平衡使用模糊逻辑切换算法。服务和周边基础的秩收发站(bts)计算每半第二双线的测量报告的帮助下传播模型。该算法能够平衡负载的BTS,将一些不断呼吁BTS边缘的高度加载BTS BTS重叠轻负载,这样的覆盖区域加载BTS几乎萎缩对BTS加载中心部门。在低负载情况下,BTS的覆盖范围被认为是几乎掩盖的部分服务领域扩大BTS相邻。这有助于一个高度加载邻近BTS或失败BTS由于权力或传播。仿真表明新呼叫阻塞和切换阻塞使用该算法明显提高。

1。介绍

负载平衡是一种机制,重载bts分发他们的一些流量减少加载邻居为了使无线电资源更有效(1]。

电信基础设施最初设计进行了一定数量的交通经常拥堵的压倒性的请求的资源。一个天真的解决办法是扩大基础设施的不断增长的需求相匹配。由于可用空间的限制和呼吸急促资源,这个解决方案是不可能的。最好的解决方案是仔细调整现有系统的参数,以适应新的交通需求(2]。

有许多方法来平衡之间的交通负载BTS (3]。最重要的一个方法是基于天线向下倾斜(4]。向下倾斜,进一步指导一个天线辐射到地面。下倾斜建议当一个人希望减少干扰和覆盖在某些特定领域,每个BTS只能满足其设计区域。选择最佳倾角时,目标是尽可能高信号强度在BTS应该服务的地方交通(4]。除了BTS的服务区域,信号强度应尽可能低。过于激进向下倾斜策略然而导致整体覆盖和损失下降最终导致称之为创建覆盖漏洞。

第二种方法是通过改变发射机功率调整BTS报道。发射机功率最小有效不允许更遥远的手机访问BTS,从而减少覆盖范围,禁止遥远的移动用户访问BTS (5]。因此,降低BTS覆盖范围运行时创建覆盖漏洞的危险。有报道孔蜂窝系统影响蜂窝系统导致调用的性能下降。相反最大发射机功率有效地允许访问BTS移动距离,在那些BTS生产干预的成本使用相同的频率(5]。

天线高度是BTS覆盖范围的基础。如果天线高度增加,路径损耗将会减少。天线高度和覆盖范围之间的关系表示双线模型(6]。如果天线高度是翻了一倍,然后覆盖将增加6 db (6]。禁止遥远的移动用户访问BTS,减少天线的高度是不错的选择。

移动台(MS),手机信号重叠的随机网络的存在,可以连接到任何bts。女士在一个无线网络交换机当前点的附件(PoA)到一个新的无线网络使用这一过程被称为切换(7]。全球连通性,传递非常重要的细胞通讯,因为细胞架构用来最大化频谱利用率。当一个移动终端远离基站的信号水平下降,需要切换另一个基站的通信通道。那个时候有一个需要执行切换。切换的过程变化与当前正在进行相关的通信通道连接在打电话过程中(8]。

因此,通过调整切换区域在相邻BTS,有可能导致过载BTS细胞边缘用户迁移到更少的加载BTS相邻。这种方法被称为移动负载平衡,从而提高资源利用的效率9]。

许多指标被用来支持切换决策,包括接收信号强度(RSS),信号噪声比(先生),功率预算,和移动站之间的距离和BTS,交通负荷,和移动速度等。单一标准切换决策比较的指标从服务BTS的邻国BTS,使用一个常数切换阈值。阈值的选择对切换性能很重要。如果阈值太小,很多不必要的传递可能发生。相反,服务质量(QoS)可能是低并调用可能被删除,如果阈值太大。

然而,上述不自适应负载均衡技术。网络拥塞控制的问题仍然是一个关键问题和一个高优先级,主要是考虑到不断增长的规模、需求,和网络的速度。因此,网络拥塞是成为一个真正的威胁到现有的实时网络的增长(线路交换)。这是一个不容忽视的问题。

多准则切换算法可以提供更好的性能比单一标准切换算法由于额外数量的评价参数和更大的潜力实现所需的平衡在不同的系统特征。这个算法的多准则性质允许同时考虑切换过程的几个重要方面,以提高系统性能(8]。

切换过程中使用模糊逻辑的理由。网络参数如RSS,功率预算、信噪比和交通负荷本质上是不精确的,模糊的,不确定10]。由于这种模糊性的本质,这些网络参数的精确测量在无线环境中是一个艰巨的任务。模糊逻辑方法似乎产生更好的结果当用于系统设计在这种条件(10]。

模糊逻辑可以模仿人类专家推理和许多术语用来描述无线电信号(弱,到目前为止,坚强,和拥挤的)本质上是模糊使模糊逻辑执行切换决策的强有力的候选人。模糊逻辑可以很容易地适应这些决策可以克服无线环境不确定性和波动和能处理异构系统参数(阴影效果,流量变化等)(11]。

2。系统模型

2.1。网络模型

我们考虑一个GSM手机网络细胞全向每个细胞是由中央BTS和有100个交通通道。移动用户的覆盖范围内BTS是假定为对数正态分布分布。BTS连接到单个BTS控制器(BSC)算法是位于的地方。移动站措施接收到的信号强度,路径损耗和接收到的信号干扰比从当前服务BTS BTS,所有的邻国。这测量报告是通过移动电台每半秒,报告BTS通过共同控制通道。该算法的指数排名整个集群中的所有bts并确定如果切换。

在本文中,我们假设一个郊区的环境。在实例的低负载情况下,细胞的覆盖范围领域被认为是几乎可扩展掩盖的部分服务区域附近的BTS当BTS低或中等负载。这有助于附近的一个高度加载或失败的BTS由于权力或传播。图1显示一组七个细胞,每一个BTS已经六个相邻细胞。在交通拥堵的情况下,相邻的细胞将覆盖它的直接细胞。

3所示。传播模型

双线模型时使用一个单一的地面反射主导着多路径效应。接收到的信号是由两个部分组成的:视线组件就是通过自由空间传输信号传播和反射组件传输信号反射地面(6]。方程(1反向)接收功率下降的四次方和独立的波长。公关是dbm的接收功率,pt dbm发射功率,Gr在db接收机天线增益,Gt是发射机天线增益在db, ht是发射机身高米,人力资源接收天线高度米,然后呢在米发射机和接收机之间的距离。

图2显示接收到的信号强度从两个相邻的bts (RSS)。假设RSS平均随着时间的推移,所以无线电环境的波动由于多径特性可以消除13]。图2显示了一个女士从BTS我降低BTS J . RSS的BTS女士远离BTS和从BTS J增加方法。与传统算法,看着从要么BTS RSS的变化;可以知道4500是最佳区域切换。然而,传统的算法与滞后允许移动站(MS)做出切换决定只有在RSS来自邻近的BTS足够比当前的一个指定的滞后,提供一定的最低信号电平是有保证的。

用这种方法可以实现负载均衡,将在重载的细胞迁移到细胞边缘用户负荷不足的BTS相邻。但这种类型的负载平衡手册。优化工程师必须调整滞后。

3.1。路径损耗

链路预算计算损益的传输系统。它关注的元素将决定接收机的信号强度传入的。它是必要的,以确定链接的预算在整个无线通信系统的设计。链路预算计算用于计算功率通缉蜂窝通信系统和获取BTS覆盖率14]。

确定预算方程的联系,有必要看看所有领域的收益和损失可能发生在发射机和接收机之间。计算的基本预算如下链接。

在链路预算的基本计算方程假设扩散的力量同样从发射机天线在各个方向的来源。理论计算,这很好但不实用的计算(14]。在哪里公关是dbm接收功率,Pt在dbm发射机输出功率,在db Gt是发射机天线增益,Gr在db接收机天线增益,LT是传输馈线和相关损失(db馈线、连接器等),LFS自由空间损耗或路径损耗,从多方面的信号传播损失(包括衰落余量、极化失配和损失与媒介相关的信号是旅行),LR是接收机馈线损失(馈线、连接器等)在db。

图3显示了两个相邻bts路径损耗。在蜂窝网络中,切换过程需要确保任何女士的责任总是与最合适的BTS。

功率预算(PBGT)交接,确保在正常情况下,任何女士是由BTS,提供最小路径损耗,因此切换路径损耗发生在约4700米。然而,传统的算法与滞后允许移动站(MS)做出切换决定只有在从邻近的BTS接收路径损耗比当前的一个指定的滞后保证金,确保提供一定的阈值路径损耗。一样在基于RSS的切换算法,可以实现负载平衡手动将在重载的细胞迁移到细胞边缘用户负荷不足的BTS相邻。

4所示。信号噪声比

值得一提的是,在蜂窝系统cochannel干扰实际上是效率和性能的限制因素,而不是总带内噪声的系统。这是由于不必要的信号功率非常远高于总带内噪声(热、人造)电力系统中;因此,噪声可以忽略(12]。

数学上, RSS是希望信号功率,是不必要的cochannel干扰信号功率,系统中是总带内噪声功率。信号干扰比是一个有价值的衡量蜂窝系统中调制技术的性能,它确实可以影响它的频谱效率。

图4显示了从两个邻近bts。在蜂窝网络中,切换过程需要确保任何女士的责任总是与BTS有更好的。因此,切换由于干涉发生在约5000,以确保更好的。

常数滞后也可以引入干扰切换算法为基础,系切换过程当BTS我是拥挤的。这次BTS边缘的女士我可以迁移到BTS J和负载BTS我可以反拥挤。如果下次BTS J是拥挤的,优化工程师必须调整滞后,用意BTS J .这个任务显示了如何手动负载之间共享邻近BTS,它不能被有效。

4.1。地理模型与二线

这个模型中,指控图5,是建立取决于BTS的相对地理位置服务和干扰对移动站(12]。路径损耗模型占信号由于自由空间和平坦地球传播损耗。

在完全六角型蜂窝系统中,总有6米cochannel细胞th层,无论每个集群的细胞数。它假定所有cochannels干扰BTS,到th层认为,活跃在忙时的情况(12]。还假定BTS高阶层(即的干扰。, 层起)可以忽略不计。移动用户中心可以干扰BTS六BTS第一层,12 BTS第二梯队,18 BTS第三层,等等。

在女士的用户,被BTS服务中心的集群,RSS是由(12] 在哪里之间的距离是一个女士和BTS米路径损耗不变。

所有cochannel细胞的总干扰是由(12] 在哪里是米频率复用距离。

因此, 在哪里层的数量和吗路径损耗不变

的二级cochannel细胞上面的方程将减少以下第三和更高的层可以忽略因为(9)是泰勒级数。

在db相同的方程将减少

4.2。数学地理模型的合理性

传播的分析结果在一个平面地球或双线模型派生(6]。BTS和移动电台升高高度ht和人力资源,分别高于地面,分开一段距离分开,接收功率公关的发射功率pt

公关是期望信号权力收到移动电台的BTS,服务BTS的发射功率,在米服务BTS天线的高度,人力资源是移动电台天线的高度米,是服务BTS天线增益,Gr是移动电台天线增益。女士之间的距离和BTS米。

BTS同样干扰信号功率的干扰,

是不需要的信号功率收到干扰BTS,移动站干扰BTS的发射功率,在米BTS干扰天线的高度,人力资源在米移动电台天线的高度,是干扰BTS天线增益,是移动电台天线增益,是米频率复用距离。

因此结合方程

从(14),它可以表明,信噪比可以通过最大化最大化 , ,和。

方程(15)同意(10基于辐射功率相等的假设整个集群;然而(10)对混合单元尺寸时仍然有效 , 。

5。使用Matlab仿真

5.1。模糊化

在切换过程的第一步,该模型将收集的参数如RSS,路径损耗、信噪比和流量负载的基站和美联储fuzzifier。fuzzifier将实时测量转换成模糊集。为了提高系统的可靠性和健壮性,高斯隶属度函数(MFs)作为替代传统的三角MFs [15]。例如,如果RSS被认为是在脆,它只能弱或强。不能每次都RSS。然而,在模糊集信号可以被视为弱信号和介质与分级会员在同一时间。会员获得的值映射得到的值为特定参数隶属函数。

5.2。模糊推理

第二步切换过程包括喂养的模糊集推理引擎,在一组模糊if - then规则应用于获得模糊决策集(15]。这些集映射到对应的高斯隶属度函数。因为有四个模糊输入和他们每个人都有三个子集, 规则(例如,如果RSS强,信噪比高和路径损耗小,负载较低,那么就没有切换)。模糊规则可以被定义为一组可能的场景。对于简单的理解,一组(没有切换,等待,小心,和切换)用于表示输出切换决策的模糊集;决策矩阵的范围从0到1,0 =没有切换和1是完全切换。

5.3。去模糊化

最后,聚合到单个输出模糊决策集模糊集和传递给defuzzifier转化为一个精确的数量在过去的切换决策阶段。当选为面心方法defuzzify改变模糊值到脆设置(11]。图6显示了该算法的结构,四个输入和一个输出,fuzzifier defuzzifier。

提出了系统仿真Mamdani模糊推理系统由于事实Mamdani方法是适合人类输入和无线的本质是非线性的15]。模糊推论收集RSS的输入值和路径损耗和信噪比是收集从传播模型和负载的BTS BTS控制器(BSC),然后根据模糊干扰规则评估的基础。规则的组合和聚合输出评价defuzzified使用面心方法获得和脆输出(11]。

6。多准则切换算法

显示在图7模糊逻辑推理方案适用于非线性数据集映射到标量输出图。当怀疑和模棱两可的问题,预测正确的值在所有不确定性选择模糊逻辑开发计算技术,可以进行推理和问题解决的任务,需要人类智慧(16]。因此,模糊逻辑是用来选择最优服务BTS给邻近的BTS之间切换决策建立在多个参数(RSS、路径损耗 ,并且负载BTS)的输入和给出最好的答案BTS选择最佳。

使用单一的标准可能会导致低效的交接和交通负荷分布不均匀。决定切换更准确地说,需要更多的参数(15]。在我们的研究中,我们提出四个标准来决定切换。这些输入参数是RSS,路径损耗, BTS,交通负荷。前三个标准用户移动性相关参数;与此同时交通负载BTS网络相关参数(15]。

流动性相关参数收集的无线环境中使用传播模型和送入模糊系统的交通负载BTS (15]。

拟议的切换算法给出了切换索引服务的BTS,所有的邻国BTS和切换过程执行邻近BTS一旦确认好。模糊系统的输出是在0和1之间,0 =没有切换和1就是切换;为女士服务(越低越好15]。

7所示。结果和讨论

图8显示了一个移动站从一个BTS(名为BTS我)到另一个BTS(名为BTS J)。BTS我传递指数的增加作为一个移动台移动和减少移动电台接近正常状态下的BTS J . BTS我是第一个5000米和BTS J是第二个5000米。BTS传递指数根据负载变化。越高负载的BTS传递指数越高的BTS,切换过程发生得很快。中低负荷BTS,传递指数将较小的切换过程将被推迟。

最快的传递发生在大约1700当BTS我高负载和BTS J低负载,这BTS的覆盖范围我几乎可以向内收缩和移动在该地区的邻国BTS J .这种技术称为动态流动负载平衡。这种方法背后的逻辑是由偏置调整切换区域根据负载切换地区bts,导致细胞边缘用户加载细胞迁移到低加载重叠细胞,从而释放一些交通通道被优势占领用户的调用可以继续。可以解决在这一过程中新的呼叫阻塞在邻近的BTS负载较低,满足所需的最小RSS。如果邻国BTS高负载的切换发生在理想的边界BTS作为传统的切换,如图8。

最延迟切换发生在约7400 BTS我有低负荷和BTS J有高负载。BTS在这种情况下,我几乎可以覆盖区域扩大对加载BTS J .这是由于事实,即如果没有可用频道BTS J,切换调用阻塞导致过早地终止由于辍学的电话。女士继续BTS我只要RSS,路径损耗,和信噪比的BTS我推荐的阈值。切换阻塞的方法减少和避免调用下降是由于交接失败没有通道可用BTS J [17]。如果邻国BTS也低负载,那么没有必要延迟切换过程。切换将于理想的基站之间的边界。

图3表明该地区移动之间的1700米和7400米之间的波动BTS I和J动态根据负载BTS,这样BTS的覆盖范围可以动态地扩展对附近的加载单元或缩小细胞中心加载部门。因此,这种机制激活切换过程加载细胞的某些交通转向一个轻的负载细胞。

同样的负载要么BTS多准则有相同的性能作为单个标准(基于RSS的基础,基于路径损耗和信噪比)切换算法;之间的切换过程发生在一个理想的边界的bts 5000米。

8。结论

在本文中,我们表明,可以平衡流量负载的蜂窝网络,将一些持续呼吁细胞边缘高度加载细胞迁移到重叠的轻负载细胞,这样的覆盖区域加载BTS几乎萎缩对细胞加载中心部门。在低负载情况下,BTS的覆盖范围被认为是几乎掩盖的部分服务领域扩大BTS相邻。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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模糊系统的进步

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