一种新的话务均衡方法的研究

    作者：夏明华  周渊平  中山大学信息与通信技术研究中心

    【摘要】文章提出了一种针对室内分布系统与室外宏蜂窝系统之间的新的话务均衡方法，介绍了该方法的工作原理、过程。最后通过MonteCarlo仿真证实其有效性。

    【要害词】室内分布系统室外宏蜂窝话务均衡 电调天线

    1  引言

    随着移动通信网络覆盖的进一步完善，基站密度增加，城市的室外区域已经基本做到了无缝覆盖，热点地区的室内区域也通过直放站或者室内分布系统实现了有效覆盖。但是，到目前为止，室内分布系统只是专门为楼宇内部的用户服务，这就会造成系统资源的极大浪费。比如，超市和娱乐场所的室内分布系统通常在晚上有较大的话务量，而白天的话务量极低；展览中心、会议中心等地只在周末等某些举行活动的特定日子存在大量的话务量，其余时段则十分空闲。因此，与传统的话务均衡方法[1,2,3]不同，我们提出，给室内分布系统加装一副室外电调天线，根据其话务分布模型，自适应地利用它的低话务量时段去吸收室外宏蜂窝系统的部分话务量，最终实现话务均衡，这既提高了室内分布系统的资源利用率，也降低了室外宏蜂窝的话务负荷，从而增加宏蜂窝覆盖区域内能够容纳的用户数量，提高整个移动通信系统的服务质量。

    2  系统工作原理

    图1是系统的工作原理图。位于D点的BS1代表室外宏蜂窝基站的天线，位于E点的BS0代表我们为室内分布系统安装的室外电调天线。S1、S2、S3代表室外宏蜂窝的三个扇区，室内分布系统位于S2扇区内。我们的目标是，通过不断调节BS0的下倾角和发射功率来改变其覆盖范围；通过用户在空闲模式下的小区选择，使越来越多的原来接入BS1的用户转向接入到BS0当中去，最终实现BS1和BS0的话务均衡，这就使得BS1的S2扇区的话务负荷降低。进一步，从系统的观点来看，由于扇区间切换的存在，BS1的S2扇区话务负荷降低，会有助于降低BS1的S1、S3扇区的负荷和拥塞状况；同理，由于小区间切换的存在，BS1负荷和拥塞状况的改善，会导致整个系统性能的改善。

    图1  系统工作原理

    值得注重的是，一方面，为了尽可能不造成对其它小区的干扰，BS0的覆盖范围既受限于设计时设置的最大覆盖半径，也受限于BS0与BS1两基站之间的距离，即不超过图1中的E、F两点之间的距离；另一方面，话务均衡的精度与覆盖半径的调节精度密切相关，这直接影响到天线控制算法的复杂度。

    3  小区选择与话务均衡

    当室内分布系统的室外电调天线开启时,原来处于室外宏蜂窝系统覆盖区域内的用户在空闲状态下将进行小区选择。根据GSM规范GSM05.08[4]，小区选择准则包含接收信号强度指标（接收信号功率、小区选择参数C1），结合考虑接收信号质量指标（接收载干比CIR）。小区选择的流程图如图2所示：

    图2  小区选择流程图

    话务均衡是指位于同一区域的不同基站的无线信道资源应根据话务和覆盖的需求进行配置，使无线信道的话务负荷大致相当，从而降低网络阻塞率、提高无线信道利用率[2]。我们采用的话务均衡准则为：室外宏蜂窝和室内分布系统的单位话务量所支持的用户数相当，即：

    （1）

    其中，Num_User_Macro，Num_User_Micro分别代表室外宏蜂窝和室内分布系统所承担的用户数；Traffic_Macro，Traffic_Micro分别代表室外宏蜂窝和室内分布系统所支持的理论话务量。

    在实际的天线调节过程当中,由于调节步长的限制，不可能做到严格满足式(1)。在室内分布系统的室外电调天线开启之前，式(1)的左边远大于右边；当电调天线开启之后，我们通过自动调节天线参数逐步增大室内分布系统在室外的覆盖范围，使式(1)的右边逐步增大，与此同时，由于用户在空闲模式下的小区选择作用的存在，式(1)的左边相应减小，当天线调节到达一定程度的时候，式(1)的左边近似等于式(1)的右边，那么停止天线调节、固定此时的天线参数。当然，为了不影响其它小区的正常工作，室内分布系统的室外覆盖范围和发射功率严格受限，也就可能出现式(1)的左边永远大于式(1)的右边的情况，此时，只能使室内分布系统天线的有效覆盖范围达到最大，以充分提高室内分布系统的资源利用率。

    4  仿真结果与分析

    我们采用MonteCarlo方法在一个3*7频率复用模式的多小区蜂窝系统环境中验证我们提出的话务均衡方法，在目标小区外考虑第一层的六个同频干扰小区[5]。我们假设室外宏蜂窝的小区覆盖半径为500m；室内分布系统的室外覆盖范围的最大半径为300m，调节步长为50m。对我们的实测数据采用MMSE准则处理并经传播模型校正之后[6]，分别取路径损耗指数PLE=3.77，反映阴影效应的标准差Sigma=7.42；最小答应接入电平ACCMIN设为-90dBm，载干比门限值CIR0设为12dB。仿真流程如图3所示：

    图3  仿真流程图

    表1对应的仿真参数配置实现了话务均衡,此时，室内分布系统1的室外天线的覆盖半径为250m,小于设计的最大覆盖半径300m。表1显示，经过话务均衡之后，接入室外宏蜂窝的用户数量显著降低，相反，接入室内分布系统1的用户数量明显增加，这同时也意味着室外宏蜂窝所覆盖的目标区域内可以容纳更多的用户。如图4所示，经过话务均衡之后，室内分布系统1的相对于理论最大支持用户数量配置的归一化用户数量稍大于室外宏蜂窝系统，之所以没有精确实现式（1）所示的相等，是由于天线覆盖范围调节步长的限制造成的。

    表1  仿真参数配置1与相应的仿真结果

    图4  话务均衡分

    表2对应的仿真参数配置与表1相比，室内分布系统2的理论话务量增大了，使得室内分布系统2的覆盖半径达到我们约束的最大覆盖半径300m。如图5所示，室内分布系统2的归一化用户数量小于室外宏蜂窝。因此，由于天线最大覆盖范围的限制，尽管没有实现完全话务均衡，但是室内分布系统2的利用率达到最高。

    表1和表2也分别给出了使室内分布系统1、2达到话务均衡或者最大利用率时候的电调天线控制参数。

    表2  仿真参数配置2与相应的仿真结果

    图5  话务均衡分析

    5  结束语

    通过给室内分布系统安装一副室外电调天线，我们可以将其在低话务量时段的系统容量调配给室外宏蜂窝系统。通过自适应调节室外天线的下倾角和发射功率，能够实现室内分布系统和室外宏蜂窝的话务均衡，既提高了室内分布系统的利用率，也降低了室外宏蜂窝的话务负荷，结合切换技术，这会导致整个系统的用户容量的增加和拥塞率的降低。

    本文提出的方案打破了目前的室外宏蜂窝和室内分布系统相互独立吸收话务量的局面，它在高话务密度的热点地区的广泛应用，必将显著提高室内分布系统的资源利用率，并有效改善整个移动通信系统的服务质量。

    参考文献

    【1】朱东照，吴松．GSM系统中话务均衡的研究．电信科学，2002（12）．

    【2】张威．GSM网络优化原理与工程．北京：人民邮电出版社，2003-10．

    【3】啜钢，CDMA无线网络的规划与优化，北京：机械工业出版社，2004-04．

    【4】GSM05.08(ETS300568)．Digital cellular telecommunication system (Phase 2)．Radio Subsystem Link Control.

    【5】WilliamHTranter，etal．PRinciples of Comunication Systems Simulation with Wireless applications．Printice Hall，2003．

    【6】TheodoreSRappaport．WirelessCommunicationsPrinciples and Practice．Prentice Hall Inc., 1996．

    【作者简介】

    夏明华：中山大学博士生，主要研究方向为空-时无线通信。

    周渊平：博士，教授，博士生导师，中山大学信息与通信技术研究中心主任，主要研究方向为通信系统中的空时域信号处理。