分布式无线移动通信系统中的一种越区切换分析模型.pdf

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1、 第25卷 第3期2007年5月应用科学学报JOURNAL OF APPLIED SCIENCESVol.25 No.3May 2007收稿日期:2006206207;修订日期:2006207227基金项目:国家自然科学基金资助项目(60496311)作者简介:蒋占军,博士生,研究方向:未来移动通信理论与技术,E2mail:jzjang ;尤肖虎,教授,博导,研究方向:未来移动通信理论与技术、智能信号处理,E2mail:xh2yu 文章编号:025528297(2007)0320221206分布式无线移动通信系统中的一种越区切换分析模型蒋占军1,2,潘 文1,尤肖虎1(1.东南大学 移动通信国

2、家重点实验室,江苏 南京210096;2.兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州730070)摘 要:首先介绍一种远端天线单元选择模型,被选择的天线单元构成激活集为移动台服务,在此基础上提出了一种分布式移动通信系统中广义小区之间的越区切换模型,切换阈值由激活集平均功率自适应控制,文章对模型作了详细的理论分析及仿真验证.关键词:分布式无线移动通信系统;越区切换;远端天线单元选择;激活集中图分类号:TN929.5 文献标志码:AA H andoff Model in Distributed R adio Mobile Communication SystemJIANG Zhan2jun1,2

3、,PAN Wen1,Y OU Xiao2hu1(1.National Mobile Communications Research Laboratory,Southeast University,Nanjing210096,China;2.School of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou730070,China)Abstract:A model for RAU selection is presented,in which the active set(AS)is compr

4、ised of selected RAUs andservesfor the mobile station.Based on this,we propose a handoff model in distributed radio mobile communicationsystem.The received signal strength(RSS)threshold of handoff is controlled by average power of the AS adaptively.Performance analysis shows that numerical data obta

5、ined from the model are in good agreement with simulation results.Keywords:distributed radio mobile communications system;handoff;RAU selection criterion;active set 分布式无线移动通信系统是由多个广义小区(G N2cell)组成的多天线无线网络结构,多个远端天线单元(RAU:remote antenna units)通过光纤、电缆连接到相同的基站(BS:base station)形成一个G N2cell.RAU可以根据环境需要灵活放

6、置,每个RAU的无线信号覆盖范围称为一个射频小区(RF2cell),通常一个射频小区覆盖几十至几百米范围.这种网络结构可提高系统无线信号的覆盖能力和系统容量,并且获得较高的系统功率效率1.鉴于这些优点,分布式天线系统被认为是未来移动通信网络中一种关键的多天线接入方式,并已成为移动通信领域的研究热点2,3.分布式网络中,下行信号由多个RAU同时广播出去;上行方向,移动台(MS)由多个RAU接收并在BS完成信号合并.因此就无线的信号传输模式而言,分布式天线系统可视为软切换(soft handoff)方式的一种逻辑延拓结构.文献4,5对传统的单天线蜂窝网络中,基于接收信号强度(RSS)的切换模型作了

7、详细的分析.文献6已证明软切换能够扩大无线小区的覆盖范围,提高上行链路的性能;然而对于下行链路,软切换会引入更大的干扰以及占用更多的信道资源7.为了克服分布无线系统中存在的类似缺点,文献8提出了一种分布式系统的收发控制策略,并通过仿真验证了采用RAU选择可以提高链路质量,但是并没有给出具体的理论分析模型.目前对分布式移动通信系统切换方面的研究还很少.文献3给出了一种基于广义小区内总平均接收功率的切换方案,该方案简单易行,但由于没有采用天线选择,势必不能获得由天线选择所取得的链路增益.本文首先给出一个基于软切换中激活集(AS:active set)思想的RAU选择模型,并在其基础上提出一种分布式

8、移动通信系统中越区切换的分析模型,并作了详细的分析,最后给出了数值与仿真分析.1 分布式无线网络分布式无线网络结构1如图1所示,MSC为移动交换中心.本文将以图1所示的两个G N2cell的系统结构来分析,假设每个G N2cell中有N个RAU,记G N2cell1中的第i个为RAU(1)i,i=1,2,N.为了分析方便,文中采用离散时间模型,抽样时间间隔为ts,抽样时刻统一使用k表示,MS以速度v匀速运动,所以vts对应为在MS运动路径上的距离抽样尺度.图中d(1)i(k)表示k时刻MS与RAU(1)i之间的距离.图1 分布式无线移动通信系统结构Fig.1Distributed radio

9、mobile communications system 和经典的切换模型4,5相同,假设信道快衰落可以通过时间平均消除其影响,故RSS仅考虑路径衰耗和阴影的作用,记k时刻MS接收到来自RAU(j)i的RSS为s(j)i(k),j=1,2.则s(j)i(k)=L(j)i(k)+u(j)i(k)=C1-10C2lg(d(j)i(k)+u(j)i(k)(dB)(1)式中,L(j)i(k)是导频信号平均强度,C1是参考点在1 m处的接收功率,C2是路径衰减系数,u(j)i(k)为阴影大小,其自相关函数为10Eui(k)ui(k+n)=2exp(-|n|tsvdcorr)(2)式中,dcorr为阴影自

10、相关衰落距离,2是阴影方差,v是MS的移动速度.文献9提出了一种依赖于距离的阴影模型,该模型在切换算法中得到了广泛应用.本文采用与文献3相同的一阶自回归模型产生ui(k)ui(k)=1-2zi(k)+ui(k-1)(3)式中,=exp(-tsvdcorr)为产生阴影的自相关系数,zi(k)为均值是0、方差是2的统计独立的高斯随机变量,从而ui(k)服从与zi(k)相同的分布.为了便于分析,假设不同RAU到MS的路径上的阴影彼此相互不相关.2 模型分析本节首先介绍一种基于软切换中激活集(AS)思想的RAU选择模型,并在其基础上对分布式移动通信系统中的越区切换作详细分析.2.1RAU选择模型RAU

11、选择模型选用了3个参数11:加入阈值(adding threshold)、退出滞后量(drop hysteresis)和退出计时器(drop2timer)来确定RAU进出MS的AS,分别记作Tadd,hdrop和tdrop,记Tdrop=Tadd-hdrop.Tadd是决定激活集大小的主要因素,hdrop和tdrop是为了克服阴影的影响,保证AS的相对稳定性,AS不能频繁更新,因为这将占用更多的系统资源.这里以MS在G N2cell1中移动为例来介绍模型,记k时刻MS的AS为SAS(k),若RAU(1)iSAS(k-1),且s(1)i(k)Tadd,则RAU(1)iSAS(k);若RAU(1)

12、iSAS(k-1),而s(1)i(k)Tdrop,则启动退出计时器,但是RAU(1)i仍然保持在AS中,当s(1)i(k+tdrop)Tadd,mtdrop时,则RAU(1)i仍然保留在AS中,同时计数器复位.对于一个特定MS的AS而言,在k时刻,RAU(1)iSAS(k)或者RAU(1)iSAS(k).又因为RAU之间彼此独立,故仅需分析其中一个RAU即可,考虑到退出计数器的作用,设tdrop=Mts,RAU(1)i的状态转移过程可以由Markov链建模11,如图2所示.222应 用 科 学 学 报第25卷 图2k时刻RAUi的状态转移模型Fig.2The state transition

13、diagram of RAUiat timek 图2中各状态转移概率定义如式(4)中所示,并可以通过数值积分对其求解11p(1)i-,1(k)=Ps(1)i(k)Taddp(1)i-,2(k)=Ps(1)i(k)Tdrops(1)i(k-1)Tadds(1)i(k-1)Tdrops(1)i(k-1)Tho(k)+hadd(9)maxs(1)i(k);i=1,2,N Tho(k)+hadd(10)根据上面的描述,在时刻k,只有一个G N2cell是MS服务小区,所以越区切换可以通过图3所示的两状态Markov过程描述.图中状态“1”和“2”分别表示MS的当前服务小区是G N2cell1或者G N

14、2cell2;p21(k)和p12(k)分别表示MS由G N2cell1切换到G N2cell2和由G N2cell2切换到G N2cell1的概率.图3MS状态转移图Fig.3The state transition diagram of the MS at timek 记V(j)(k)=maxs(j)i(k);i=1,2,NRAU;j=1,2,记Th(k)=Tho(k)+hadd,且s(j)i(k)彼此统计独立,则p21(k)=PV(2)(k)Th(k)V(2)(k-1)Th(k)V(1)(k-1)Th(k-1)=1-F(1)V(k)V(k-1)(Th(k-1),Th(k)F(1)V(k-

15、1)(Th(k-1)(12)式(11)和(12)中,F(j)V(k)(v)和F(j)V(k)V(k-1)(v1,v2)分别是V(j)(k)的一维和二维概率分布函数(CDF).F(j)V(k)(v)=PV(j)(k)v=Pmaxs(j)i(k);i=1,2,NRAU v=NRAUi=1Ps(j)i(k)v=NRAUi=1v-Li(k)-fu(k)(x)dx(13)F(j)V(k)V(k-1)(v1,v2)=PV(j)(k)v2,V(j)(k-1)v1=Ps(j)i(k)v2,s(j)i(k-1)v1;i=1,2,N=NRAUi=1v2-L(j)i(k)-v1-L(j)i(k-1)-fu(k)u(

16、k-1)(x1,x2)dx1dx2(14)式中,fu(k)(x)和fu(k)u(k-1)(x1,x2)分别是u(k)的一维和二维概率密度函数(PDF).将MS在k时刻由G N2cell1或G N2cell2服务的概率分别记作p(1)in(k)和p(2)in(k),则p(1)in(k)=p(1)in(k-1)(1-p21(k)+(1-p(1)in(k-1)p12(k)(15)p(2)in(k)=p(2)in(k-1)(1-p12(k)+(1-p(2)in(k-1)p21(k)(16)且p(1)in(k)+p(2)in(k)=1.进而可以得到k时刻有一次越区切换发生的概率为pho(k)=p(1)i

17、n(k-1)p21(k)+(1-p(1)in(k-1)p12(k)(17)所以整个路程上发生越区切换的平均次数为Nho=Kk=1pho(k)(18)式中,K是总的抽样次数.已假设MS由G N2cell1向G N2cell2运动,即p(1)in(0)=1,p(2)in(0)=0,所以式(15)(18)可以通过迭代求解得出.此外亦可得到k时刻AS的平均大小Nact(k)=2j=1p(j)in(k)Ni=1p(j)i(k)(19)3 数值分析图4给出了一个分析场景,每个G N2cell由4个均匀分布的RAU构成,MS以速度v=10 ms由A点匀速运动到B点.本节将以其为例作理论计算与仿真分析,并对二

18、者的结果作比较,所得结论同样适用于其他结构的G N2cell.为了得到准确的仿真统计结果,在MS的运动路径上作10 000次仿真后完成数据统计.各参数取值如下:ts=0.1 s,tdrop=2ts,此时对应的路径抽样距离为ds=vts=1 m;C1=0 dB,C2=3,=6 dB,dcorr=20 m,hdrop=1 dB.图4 广义小区结构及MS移动轨迹Fig.4G N2cell structure and MS trajectory 图5给出了Tadd=-85 dB,hadd=2 dB时的曲线比较,其中图5(a)给出了MS由A运动到B整个过程中G N2cell1在其服务小区的概率,两小区边

19、交422应 用 科 学 学 报第25卷 界处该概率大约为0.5,正是预期的结果;图5(b)为不同位置有一次越区切换发生的概率;图5(c)反映了MS在不同位置处激活集的平均大小,可以看出在越区切换时,激活集变化平滑,从而提供了稳定的分集效果.图中实线为理论分析结果,经数值积分得到,虚线为仿真结果,可见二者吻合良好,故后续图中为方便起见,针对不同的模型参数仅给出理论分析曲线作比较.(a)(b)(c)图5 理论分析与仿真结果比较Fig.5Analysis data compared with simulation results(a)MS服务小区是G N2cell1的概率(b)MS越区切换概率(c)

20、激活集平均大小图6给出了hadd取值变化时对切换性能的影响.在切换模型中,hadd被称为切换滞后量是因为它将引起切换延时.切换延时通常通过切换交叉点(COP:crossover point)衡量4,COP定义为MS由G N2cell1和G N2cell2服务的概率相等时MS所在的位置,本例中COP的理想位置应该在图中横轴上1 000 m处.图6中(a)和(b)分别给出了不同hadd下对应的p(1)in(k)和pho(k)曲线,由图6(b)可看出增大hadd可以明显降低切换概率,从而减少切换次数Nho,但此时切换延时也将增大即COP位置远离1 000 m处.由于图6(a)中不能够很清楚地看出CO

21、P的位置,这里给出具体数据:当hadd=5 dB时,Nho=18.86,COP在1 003.7 m处,hadd=10 dB时,Nho=4.21,COP在1 013.8 m处,此外,当hadd=15 dB时,Nho=1.32,但延时更大,COP在1 061.6 m处.(a)(b)图6hadd不同时分析结果比较Tadd=-85 dBFig.6Analysis data comparison whenhaddis different andTaddequals-85 dB(a)MS服务小区是G N2cell1的概率(b)MS越区切换概率 图7给出了Tadd取值变化时,切换概率pho(k)和AS平均大

22、小Nact(k)的曲线变化情况.Tadd的取值大小是决定Nact的主要因素,其取值较小时AS较大,反之则AS较小,如图7(a)中所示;此外,由于AS的大小会影响切换阈值的变化即式(7)和(8)的结果,从而Tadd的取值对pho具有一定影响,降低Tadd会降低切换概率,如图7(b)中所示,但同时也会减小激活集大小,从而降低了分集效果,所以Tadd的选择会存在Nho和Nact之间的折衷(tradeoff).(a)(b)图7Tadd不同时分析结果比较hadd=2 dBFig.7Analysis data comparison whenTaddis different andhaddequals 2

23、dB(a)激活集平均大小(b)MS越区切换概率522 第3期蒋占军,等:分布式无线移动通信系统中的一种越区切换分析模型4 结 束 语分布式无线移动通信系统具有功率效率高,覆盖范围大等优点,从而被认为是未来移动通信系统中的一种关键的多天线接入方式,并已成为移动通信领域的研究热点.本文在远端天线单元选择的基础上,提出了一种分布式移动通信系统的越区切换模型,切换阈值Tho由激活集平均功率自适应控制,Tadd的选择决定了激活集的大小,同时也会影响到切换概率的变化.和传统的单天线蜂窝系统相同,hadd可以减少不必要的切换,但会增加切换延时,但是只要合理地选择参数,该切换模型就能够表现出良好的性能.参考文

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