一种5g异种网络间基于时间门限的优先级垂直切换方法
阅读说明：本技术 一种5g异种网络间基于时间门限的优先级垂直切换方法 (Priority vertical switching method based on time threshold between 5G heterogeneous networks ) 是由 蔡家麟 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种5G异种网络间基于时间门限的优先级垂直切换方法,该方法以5G网络在无线资源管理方面采用的CoMP技术为基础,针对5G异种网络应用环境提出一种改进基于时间门限的优先级跳变垂直切换的方法。该方法通过改进异种网络间双重覆盖区内在线语音呼叫的DVH决策算法以减轻蜂窝覆盖区内信道占用的拥塞程度。本发明具有在保持系统整体高信道利用率的同时,明显改善系统优先级UVH呼叫丢失率、非优先级UVH呼叫丢失率和新增蜂窝呼叫阻塞率性能,实现网络信道资源有效利用的有益效果。(The invention discloses a time threshold-based priority vertical switching method among 5G heterogeneous networks, which is based on a CoMP technology adopted by the 5G network in the aspect of wireless resource management and aims at providing a method for improving time threshold-based priority jump vertical switching aiming at a 5G heterogeneous network application environment. The method reduces the congestion degree of channel occupation in a cellular coverage area by improving a DVH decision algorithm of online voice calls in a dual coverage area among heterogeneous networks. The invention has the advantages of obviously improving the performances of UVH call loss rate of system priority, UVH call loss rate of non-priority and call blocking rate of newly-added honeycomb while keeping the integral high channel utilization rate of the system, and realizing the effective utilization of network channel resources.)
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体地说是一种5G异种网络间基于时间门限的优先级垂直切换方法。
背景技术
当前，随着人们对移动接入业务需求的不断增长，5G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新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 channelpreemption 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:AComprehensive 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 Handoffin 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 FairBandwidth Allocation Scheme for Multimedia Handoff Calls in CellularNetworks”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，用户将非常恼怒，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，其目的是要在保证时间敏感型用户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，论文“A Time-threshold-based Upward Priority Scheme for Vertical Handoff inCellular/WLAN Interworking”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间的垂直切换中，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时间敏感型用户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。在此基础上，在2017年“IEEE Computer and Communications”国际会议上发表的论文“A Time-threshold-based Priority Hopping Scheme for Vertical Handoff inCellular/WLAN Interworking”中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：TPHS方法)。该方法在基于时间门限的垂直切换方法基础上提出一种针对蜂窝覆盖区内呼叫占用和抢占信道的优先级跳变算法以调节各类呼叫在不同环境下竞争蜂窝移动信道的能力，同时通过设计双重覆盖区内在线语音呼叫的DVH决策算法减轻蜂窝覆盖区内信道的拥塞度。尽管如此,如何进一步改善UVH呼叫丢失率和新增蜂窝呼叫阻塞率性能仍是研究的重要目标。由于5G网络在无线资源管理方面采用了CoMP(协作多点传输)技术，即在基站覆盖边缘区域采用多基站间协作共享信道状态信息和调度有用信息，通过协作基站间的信息联合处理和发送有效降低干扰，从而使得在异种网络间存在空闲切换信道条件下因执行切换过程而造成分组数据丢失的可能性大大减小。由此，以往异种网络间垂直切换算法中因顾虑时间敏感型在线语音呼叫执行DVH过程可能造成语音数据丢失而设计的允许其暂留蜂窝覆盖区的方法可进行修改，以达到进一步改善5G网络蜂窝覆盖区信道拥挤度的目的。
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5G异种网络间基于时间门限的优先级垂直切换方法，该方法以5G网络在无线资源管理方面采用的CoMP技术为基础，针对5G异种网络应用环境提出一种改进基于时间门限的优先级跳变垂直切换的方法。该方法通过改进异种网络间双重覆盖区内在线语音呼叫的DVH决策算法以减轻蜂窝覆盖区内信道占用的拥塞程度。本发明具有在保持系统整体高信道利用率的同时，明显改善系统优先级UVH呼叫丢失率、非优先级UVH呼叫丢失率和新增蜂窝呼叫阻塞率性能，实现网络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5G异种网络间基于时间门限的优先级垂直切换方法，所述5G异种网络间是指基于5G无线技术的蜂窝移动网与无线局域网间，该方法包括：
a)在线语音和宽带数据呼叫分类
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，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的时间设定值，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的时间设定值，由此对蜂窝覆盖区内的在线语音和宽带数据呼叫进行优先级分类；小于语音时间门限的在线语音呼叫和大于宽带数据时间门限的在线宽带数据呼叫称为优先级呼叫，而大于或等于语音时间门限的在线语音呼叫和小于或等于宽带数据时间门限的在线宽带数据呼叫称为非优先级呼叫；
b)5G异种网蜂窝覆盖区内呼叫占用和抢占信道的优先级算法
针对5G异种网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，设计呼叫占用和抢占信道的优先级算法如下：当蜂窝覆盖区内存在空闲蜂窝移动信道时，优先级UVH呼叫、非优先级UVH呼叫和新增蜂窝呼叫具有相同占用信道的优先级；而当蜂窝覆盖区内无空闲蜂窝移动信道，需要通过竞争抢占处于5G蜂窝网和无线局域网双重覆盖范围内的可抢占蜂窝信道时，非优先级UVH呼叫和新增蜂窝呼叫的抢占优先级跳降至低于优先级UVH呼叫的优先等级，即此时优先级UVH呼叫相比非优先级UVH呼叫和新增蜂窝呼叫具有更强的抢占信道能力；
c)5G异种网双重覆盖区内在线语音呼叫DVH决策算法
只要5G双重覆盖区内WLAN存在空闲无线信道，进入双重覆盖区域的在线语音呼叫即包括优先级语音呼叫和非优先级语音呼叫应执行DVH过程，即，该类呼叫直接放弃蜂窝移动信道转而占用WLAN无线信道，但如果此时无空闲WLAN无线信道存在，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语音呼叫即包括优先级语音呼叫和非优先级语音呼叫暂时仍继续占用蜂窝移动信道，以免增加不必要的在线语音掉线
d)5G异种网蜂窝覆盖区内蜂窝移动信道分配
5G异种网络内蜂窝小区信道总容量为B个基本带宽单位，Bu为优先级UVH呼叫允许占用蜂窝移动信道的信道门限值，Bn为非优先级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，其中Bu与Bn仅为区别于B的标识；若蜂窝小区当前已占用信道数低于Bu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Bn个基本带宽单位，非优先级UVH呼叫和新增蜂窝呼叫可占用蜂窝移动信道；本发明中定义信道门限值B、Bu和Bn间满足关系式：B＝Bu＝Bn。
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5G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宽带数据呼叫应尽可能执行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，如果此时无空闲WLAN无线信道，在没有蜂窝移动信道抢占发生的情形下也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，以免增加不必要的在线宽带数据掉线。
本发明在基于5G异种网络环境的上行垂直切换执行过程中对改善优先级UVH切换呼叫丢失率、非优先级UVH切换呼叫丢失率和新增蜂窝呼叫阻塞率性能有明显优势。
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2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；
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；
图4为新增蜂窝呼叫阻塞率与蜂窝负荷的关系曲线仿真图；
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；
图6为WLAN无线信道利用率与蜂窝负荷的关系曲线仿真图。
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，图中：单蜂窝覆盖区1、垂直切换2及双重覆盖区3；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54BBUs。蜂窝移动信道设置的信道门限Bu和Bn均为20BBUs。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指标主要受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、图3和图4分别示出了优先级UVH呼叫丢失率、非优先级UVH呼叫丢失率和新增蜂窝呼叫阻塞率与蜂窝负荷的关系曲线仿真图。图2中：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A为本发明、B为TPHS；图3中：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A为本发明、B为TPHS；图4中：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A为本发明、B为TPHS。由仿真结果可知：与TPHS方法相比，本发明提出的以5G无线技术为基础的异种网络间基于时间门限的优先级垂直切换方法在保持系统整体高信道利用率的同时，明显改善了系统优先级UVH呼叫丢失率、非优先级UVH呼叫丢失率和新增蜂窝呼叫阻塞率性能。这是因为通过改进双重覆盖区内在线语音呼叫的DVH决策算法，使大量原先因顾虑执行切换过程掉线的在线语音呼叫可以直接通过DVH垂直切换过程占用空闲的WLAN无线信道，从而大大减轻重负荷条件下蜂窝覆盖区内蜂窝移动信道的拥挤度。由图2可知：当蜂窝小区新增呼叫的平均到达率λc达到较重负荷的0.08call/s时，本发明方法和TPHS方法的优先级UVH呼叫丢失率分别为2.50E-3和7.20E-3，本发明方法相对于TPHS方法对优先级UVH呼叫丢失率的改善度达到65.28％；同样，此时在图3中：本发明方法和TPHS方法的非优先级UVH呼叫丢失率分别为1.30E-2和2.20E-2，本发明方法相对于TPHS方法对非优先级UVH呼叫丢失率的改善度为40.91％；再者，通过图4可以进一步看出：当蜂窝小区新增呼叫的平均到达率λc同样为0.08call/s时，本发明方法和TPHS方法的新增蜂窝呼叫阻塞率分别为3.60E-2和6.40E-2，本发明方法相对于TPHS方法对新增蜂窝呼叫阻塞率的改善度达到43.75％，改善效果相当明显。图5和图6示出了蜂窝移动信道利用率和WLAN无线信道利用率与蜂窝负荷的关系曲线仿真图。图5中：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A为本发明、B为TPHS；图6中：横坐标为蜂窝呼叫到达率；纵坐标为WLAN无线信道利用率；曲线A为本发明、B为TPHS。尽管图5显示本发明方法与TPHS方法相比蜂窝移动信道利用率下降了，但这恰是本发明方法的目的。在不影响语音通信质量的条件，本方法通过让大量处于双重覆盖区的在线语音呼叫执行DVH过程，去占用信道资源相对充裕的WLAN无线信道，从而使蜂窝覆盖区蜂窝移动信道的分配压力大大降低，能够接纳更多处于单蜂窝覆盖区的呼叫，因为这些呼叫一旦无法获得蜂窝移动信道，将直接面临掉线的危险。所以，从整体来看，系统整体信道利用率并没有降低，只是部分的从5G蜂窝移动网络转移到了WLAN网络，即WLAN网络分担了部分负荷。
因此，通过附图与实施例分析证明：本发明提出的基于5G无线技术的时间门限优先级垂直切换方法，在保持系统整体信道利用率的同时，明显改善系统优先级UVH呼叫丢失率、非优先级UVH呼叫丢失率和新增蜂窝呼叫阻塞率性能，实现信道资源有效利用的有益效果。
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