异构无线通信系统的越区切换算法研究本科毕业论文设计

深 圳 大 学本 科 毕 业 论 文（设计）题目: 异构无线通信系统的越区 切换算法研究 姓名: 专业: 学院: 学号: 指导教师: 职称： 20 年 月 日深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目异构无线通信系统的越区切换算法研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。 毕业论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日目 录摘要（关键词）.11 绪论21.1 无线移动通信的发展趋势21.2 切换技术21.2.1 切换控制的方式21.2.2 切换技术的分类21.3 异构无线网络发展对现有蜂窝网络规划理念的影响22. 越区交换的基本分类22.1 硬切换22.2 软切换22.3 更软切换22.4 接力切换22.5 垂直切换23. 典型的越区切换方案23.1 非优先的跨区切换方案23.2 信道预约的跨区切换方案23.3 信道预约和切换请求排队相结合的越区切换方案24. 越区切换算法的建模24.1 中继和服务等级24.2 信道模型24.3 同频干扰25. MATLAB仿真25.1 簇的大小对系统容量的影响25.2 仿真说明及参数设置25.3 仿真26. 结束语2参考文献2致谢2Abstract (Key words) . 23附录 程序2深圳大学本科毕业论文异构无线通信系统的越区切换算法研究异构无线通信系统的越区切换算法研究 学号： 【摘要】本文研究了在同时存在2G、3G、LTE等不同移动通信系统重叠覆盖的情况下，终端移动时，从系统整体角度考虑选择适当的通信系统进行越区切换的问题。相比于以往单纯考虑一个系统的场景，综合考虑多重覆盖，能够更好的利用无线资源，提高用户的服务质量。本文通过对异构系统覆盖传输特性的分析，选取了具有代表性的WIFI和LTE无线接入技术,提出了在此场景下用户越区切换的原则和算法。最后，通过MATLAB软件进行数值仿真和分析，得到了该模型各参数的关系曲线。 【关键词】异构无线网络；切换；算法1 绪论1.1 无线移动通信的发展趋势正在2G系统技术持续蓬勃发展的时期，国际上开始议论第三代移动通信3G的前景，既要尽量采用可预见的先进技术，又要照顾现已装置的系统设备，再要订定全世界都认可的标准，普遍称为IMT-2000,设备采用2000MHz频谱，于2000年起开始试用1。这种3G系统不仅保持移动电话，还要十分重视开展数据通信，使无线系统和有线通信网一样重视数据传输，包括Internet/互联网规约IP和宽带业务，以至数据速率为2Mb/s的多媒体通信。国际标准组织已经评审各国提交的无线电传输方案，包括我国的方案，有频分双工FDDCDMA、TDMA,还有时分双工TDD的CDMA。总是没法使无线通信在性能、成本和容量等方面都显出优势。在无线数字式移动通信，为了充分节约利用频谱，话音编码技术非常重要。这与有线通信大不相同，有线数字电话利用脉码调制PCM,每路电话64kb/s，或自适应脉码调制ADPCM,每路32kb/s，对通信网络容量没有困难2。无线通信的话音编码，从早期的“线性预测编码”,至80年代开始的“码激励线性预测”，每路话音的数字速率降至513kb/s。同时，在编码过程中还要考虑克服无线电波传播过程引起损害和背景噪音，保证通话质量。到了3G系统，还要考虑多媒体通信所需的音频和视频的编码技术，既节约频谱、又保证通信质量3。无线移动通信网有时为了公共安全的原因，需要相当精确地测定某一移动终端或个人在某一时间移动至地理上的位置，称为定位技术。现在已有一种独立的手持机能够附带设备，利用全球定位系统，在室外测定移动个人自己的位置。将来进入3G时代，个人移动无线手机本身可能附有定位功能，它在得到网的协助下进行定位工作，不必另外携带独立的GPS手持机。就是说，新式的移动通信手机附装协助的AGPS,测定自己在室外，甚至室内的地理位置。通信手机于需要时由网提供情况，不必由通信手机本身连续跟踪GPS卫星。蜂窝网3G4系统向未来的分组交换有线网看齐，着重于提供尽量高速率的数据通信。蜂窝网也要提供不对称数字传输。象有线网的不对称数字用户线ADSL那样，无线电基台至用户的方向提供较高速率的数据传输。有线网是在交换局设置多载波离散多音调装备，而无线网是在基台设置多载波正交频分多路装备，这对于移动用户接上Internet索取大量信息时非常需要。1.2 切换技术1.2.1 切换控制的方式切换过程控制的方式主要有三种。（1）移动台控制切换（MCHO）移动台控制切换是通过移动台持续监视通信端口的信号强度和质量，当满足切换条件时，移动台选择一个最好的切换候选项并发出切换请求。目前欧洲的增强型数字无绳技术（DECT）和北美的太平洋地区通信系统（PACS）均采用这种切换控制。（2）网络控制切换（NCHO）网络控制切换是通过通信端口监视信号强度和质量，当信号恶化到低于某阈值时，网络就安排切换到新的通信端口5。在此过程中，网络要求所有端口监视由移动台来的信号，并将结果报告结网络。当网络选择新端口后，它同时通知新、旧端口完成切换，移动台在切换过程中是被动的。目前的TACS及AMPS系统均采用这种切换控制，即由基站检测，由交换中心控制完成，当前基站监视并测量所有通信链路，移动交换中心（MSC）命令周围基站不时地测量各自的通信链路，基于这些测量，MSC决定何时何地发生切换。（3）移动台辅助切换（MAHO）移动台辅助切换可以说是网络控制切换（NCHO）的一种演化，网络要求移动台测量周围端口的信号强度并报告给旧端口，然后由网络来判断是否切换和切换到哪个端口6。因此MAHO是通过移动台测量通信链路，而由网络控制切换，在切换过程中移动台和网络同时参与切换，移动台负责测量，网络负责判决，目前的GSM及CDMA系统均采用这种切换控制。1.2.2 切换技术的分类当用户接入时，系统根据所测量得的信号强度和各小区的容量为某一呼叫选择最恰当的小区（宏小区、微小区或微微小区）7。发生切换时有两种切换方式：相同层次小区之间的水平切换和不同层次小区之间的垂直切换8。（1）水平切换技术水平切换就是普通的小区切换（包括：硬切换、软切换、更软切换）。通常情况下，移动速率没有较大的改变、相同小区的容量未饱和都只需要水平切换即可。可以这样来概括水平切换：移动节点在相同系统的基站（扇区、信道）之间的切换称为水平切换。（2）垂直切换技术垂直切换是移动节点在不同系统的基站（扇区、信道）之间的切换。垂直切换分为两种类型：下行垂直切换和上行垂直切换。下行垂直切换指MT从覆盖范围较大的网络切换至较小的网络，相反，上行垂直切换指MT从覆盖范围较小的网络切换到较大的网络。通常，下行垂直切换没有严格的时间要求（Time-Critical），而上行垂直切换则是时间严格要求的。如果接收信号强度（ReceivedSignalStrength，RSS）快速减弱，则MT必须尽快执行上行垂直切换。而MT则不必立即执行下行切换，因为MT可以在短时间内通过无线网络。垂直切换的过程通常分为三步：1）MT必须知道哪些无线网络是可达的，这一过程被称为网络发现；2）MT将评价所有可达的网络，然后做出切换的决定，该过程被称为切换判决；3）MT垂直切换到新的无线网络。1.3 异构无线网络发展对现有蜂窝网络规划理念的影响异构无线网络规划目前指在2G、3G、LTE、WLAN等多种接入技术共存的背景下，立足于融合和协同，结合用户行为和业务特征，引入先进的无线资源管理算法和规划理念，做到无线资源的异构协同和异构融合，形成资源管理科学、运行机制高效的异构网9。鉴于我国通信产业的实际情况，异构无线网络融合的发展过程，不会是产生全新的网络，而是不断融合新的接入网。在现有多制式共存的基础上发展异构无线融合网络，主要存在的问题体现在接入网、核心网、规划优化、维护管理四个层面。结合异构无线网络发展出现的问题，从四个层面分析问题对现有网络规划和运营产生的影响，进而提出每个问题解决的思路建议，服务于异构无线网络融合的实现10。智能终端和平板电脑的普及，加速了宽带无线通信局域化趋势11。由于无线网和移动网在技术体制上差异较大，在融合初期可优先考虑两者的协同覆盖，为全面融合做准备。协同覆盖要求新型终端根据APN或业务分类表识别业务类型，结合网络特性，选择不同的路由策略，将不同的业务承载到不同的网络中去，从而达到资源优化配置，提升用户感知的目的12。2. 越区交换的基本分类当一次切换被触发后，一个新的信道将被建立，通信将转接到新的链路，同时，原来的信道被释放13。切换处理过程可以根据新链路的建立途径（旧链路的释放是发生在新链路的建立之前、之中或之后）来分类。2.1 硬切换硬切换最主要的特点就是移动台在硬切换情况下，同一时刻只占用一个无线信道，它必须在一个指定时间内，先中断与原基站的联系，调谐到新的频率上，再与新基站取得联系，在切换过程中可能会发生通信短时中断。硬切换主要是不同频率的基站和扇区之间的切换。在硬切换中，为了使中断时间尽量短，在网络中要预先建立新的链路。硬切换的一个主要优点是在同一时刻，移动台只占用一个无线信道。硬切换的缺点是通信过程会出现短时的传输中断，因此硬切换在一定程度上会影响通话质量。而且如果在中断时间内受到干扰或切换参数设置不合理等因素的影响，会导致切换失败，引起掉话；当硬切换区域面积狭窄时，会出现新基站与原基站之间来回切换的“乒乓效应”，影响业务信道的传输。硬切换主要用于GSM系统中14。2.2 软切换在软切换过程中，两条链路及相对应的两个数据流在一个相对较长的时间内同时被激活，一直到进入新基站并测量到新基站的传输质量满足指标要求后，才断开与原基站的连接。软切换是同一频率下不同基站之间的切换。不管是从移动台的角度还是从网络的角度看，两条链路传输的是同一个数据流，保证了通信不会发生中断。在软切换中，移动台只有在取得了与新基站的链接之后，才会中断与原基站的联系，因此在切换过程中没有中断，不会影响通话质量；软切换由于是在频率相同的基站交界处，移动台同时与多个基站通信，起前向业务信道和反向业务信道的路径分集的作用，因而可大大减少切换造成的掉话。而且在软切换中移动台和基站均采用分集技术和反向功率控制，能很好的提高系统的性能。但是软切换同时也存在需要占用的信道资源较多、信令复杂导致系统负荷加重、增加下行链路干扰、增加设备投资和系统背板的复杂性等的缺点。软切换主要用于CDMA系统中。2.3 更软切换在CDMA 系统中，移动台在扇区化小区的同一小区的不同扇区之间进行的软切换称为更软切换。实际上是相同信道板上的导频之间的切换。这种切换是由BSC 完成的，并不通知MSC。2.4 接力切换接力切换流程接力切换是一种基于智能天线的切换方案。接力切换是利用精确的定位技术，在对移动台的距离和方位进行定位的基础上，根据移动台方位和距离作为辅助信息来判断移动台是否移动到了可进行切换的相邻基站临近区域。如果移动台进入这个切换区，则RNC（无线网络控制器）通知该基站做好切换的准备，从而实现快速、可靠和高效切换。这样既节省信道资源、简化信令、减少系统负荷，也适应不同频率小区之间的切换。在第三代移动通信标准中TD-SCDMA中采用了接力切换。实现接力切换的必要条件是：网络要准备获得移动台的位置信息，包括移动台的信号到达方向以及移动台与基站的距离15。2.5 垂直切换上面介绍的几种切换方式按照切换的方向来分都可以归为水平切换，而与此相对应，还存在一种切换方式，即垂直切换。可以这样来概括水平切换和垂直切换：移动台在相同系统的基站（扇区、信道）之间的切换称为水平切换，而移动台在不同系统的基站（扇区、信道）之间的切换就称为垂直切换。在移动通信系统中，通过在宏蜂窝下引入微蜂窝从而形成分级小区结构，从而解决网络内的“盲点”和“热点”，同时也针对用户的不同运动状态，用不同级别的小区提供通信能力。宏蜂窝主要满足以高速移动的移动终端或由于缺乏信道而不能由微蜂窝服务的移动终端，因此可以降低切换的速率并同时增加系统的容量16。移动终端通话时，它同时保持与宏蜂窝、信号最强的相邻微蜂窝的连接。并不断地测量宏蜂窝和相邻的微蜂窝的信号强度，报告基站系统控制器，基站系统控制器调整移动台与它自己相邻的微蜂窝的连接。当移动终端低速移动发生切换时，基站根据移动终端测量的信号强度，优先把移动终端切换到信号最强的微蜂窝，由于移动终端一直都保持与信号最强的微蜂窝的连接，所以切换速度很快，切换完成后才调整移动终端与微蜂窝的连接。当然移动终端快速移动发生切换时，基站根据移动终端的速度，优先把移动终端切换到宏蜂窝，这样移动终端连续经过微蜂窝的时候都不会发生切换，减少了切换的发生；当移动终端速度降低到一定程度时，基站又把移动终端切换到信号最强的微蜂窝，保证用户得到最好的通信质量与提高系统的容量。3. 典型的越区切换方案在介绍几种典型的越区切换算法之前，我们对系统的参数做如下规定：在这些系统中，整个服务区被很多小区所均匀覆盖，每个小区的基站中有C个信道。小区中新呼和越区切换的呼叫请求的到达过程均为泊松过程，其到达强度分别为o和H。话音信道占用时间T是服从均值为ET=的指数分布的随机变量。3.1 非优先的跨区切换方案在该方案中，小区中所有的C个信道均被新呼和越区切换的呼叫所共享。基站处理一个具有越区切换请求的话音呼叫的方法与处理一个新呼请求的方法完全相同。不论是新呼还是越区切换的呼叫，如在其到达的时刻基站内没有空闲信道，那么到达的呼叫都将被系统阻塞。图1中给出了系统的模型框图。图1呼叫模型框图从切换策略可以看出，我们可以用一个具有C+1个状态的一维Markov链来描述一个小区的状态变化。每一个状态由目前被占用的信道数i（i=0，1，2，C）表示。状态转移图如图2所示。可见该模型是一个典型的M/M/S/S排队模型。图2系统状态转意设P（i）为平衡状态下系统处于状态i的概率。从图2，可以得到系统平衡状态方程组 （1）附加条件： （2）可以得到新呼的阻塞概率为： （3）新呼切换请求被阻塞的概率为： （4）越区切换请求被阻塞的概率为： （5）（5）式即为著名的Erlang-B公式。3.2 信道预约的跨区切换方案在信道预约的越区切换方案中，系统专门为越区切换的呼叫请求在S个信道中预留了Sr个信道。剩余的Sc=S-Sr个信道则由新呼和越区切换的呼叫所共享。当个新呼到达小区时，如果基站中剩余的信道数小于或等于Sr那么该新呼请求将被系统阻塞。当个越区切换的呼叫请求到达小区时，如果基站中没有空闲信道，那么该切换请求将被系统阻塞。系统的模型如图3所示。设P（i）为平衡状态下系统处于状态i的概率。图3系统模型同样，我们可以用一个具有S+1个状态的一维Markov链来描述一个小区的状态变化。每一个状态由目前被占用的信道数i（i=0，1，2）来表示。状态转移如图4所示。图4状态转移图3.3 信道预约和切换请求排队相结合的越区切换方案该策略假定：具有切换请求的移动用户，将在相邻小区间的“越区切换区”内逗留一段时间。如果当移动台从基站接收到的信号强度小于越区切换的门限，同时又大于接收机的接收门限，我们说移动台处于“越区切换区”内。在这段时间内，移动台既可以同目标小区的基站通信，也可以同原小区中的基站通信17。在这个方案中，除了允许暂时未获得信道的越区切换请求在队列中排队等待以外，其他的信道分配方法同“信道预约”方案中的方法。对于新呼来讲，不提供等待队列。当一个新呼到达小区时，如果基站中剩余的信道数小于或等于Sr=S-Sc，那么该新呼请求将被系统所阻塞。当一个越区切换的呼叫请求到达小区时，如基站中没有空闲信道，该呼叫请求将在目标小区的队列中排队等待。这里假设队列的容量为无穷大。如果在该移动用户离开“越区切换区”之前，未能获得信道，那么，该呼叫将被强制中断。系统模型如图5所示。图5系统模型框图另外，移动台在“越区切换区”中驻留时间的长短取决于系统的某些参数，如移动台的运动速度、方向以及小区的大小等等。这里我们将移动台在“越区切换区”中驻留的时间视为个随机变量Thd。为了分析方便起见，我们假设Thd为服从指数分布且均值为EThd的随机变量。定义状态i（i=0，1，2，.，）为被占用的信道数与排队等待的切换请求数的和。从以上假设可见，整个系统可用一维Markov链来描述，如图6示出系统状态移动图。图6系统状态转移图根据系统的状态转移图可以得到系统平衡状态方程组。新呼的阻塞率： （6）切换呼叫的阻塞率： （7）其中，队列中第k+1位置排队等待的切换请求失败的概率。4. 越区切换算法的建模4.1 中继和服务等级与固定电话系统相似，蜂窝系统使用有限的资源（这里指可用的无线频谱或可用的信道），依靠中继概念为大量用户提供通信服务。由于用户的统计特性，中继技术是可能的。用户的统计特性主要描述包括：（1）单个用户随机的接入系统，即随机地发出一个呼叫请求。同一用户的两个连续呼叫请求之间的时间间隔服从指数分布。对应的pdf（概率分布函数）为 （8）其中，是单个用户在单位时间内呼叫请求的平均次数（单位时间呼叫数）。我们假设有个用户，由任意两个用户发出的两个连续呼叫请求之间的时间间隔也服从指数分布，呼叫请求的平均次数是 （9）（2）呼叫周期（duration）也服从指数分布的随机变量，因此短呼叫比长呼叫发生的次数要多。呼叫周期用s表示，则s的pdf为 （10）其中，其中，是平均呼叫周期（单位时间）。基于这个统计特性，大量用户可以共享信道库（channel pool）中数量较少的信道数。对蜂窝系统中的每一个基站，可供其覆盖范围内所有用户使用的中继信道数为C。因为单个用户不需要在所有的时间内接入蜂窝系统，因此可以仅在呼叫期间给用户分配信道。呼叫一旦终止，信道将返回到可用信道库。因为基站可用的信道有限，所以可以很直观地预测到单个用户不是任何时候都能接入到基站的。在这种情况下，由于所有信道都在为其他的用户提供服务，信道变得繁忙，于是新的呼叫请求被阻塞。根据对用户的统计特性、信道库中可用的信道数、中继系统的一些特征，我们可以确定由于缺乏空闲信道而阻塞用户呼叫的概率。这个概率通常称为阻塞概率，是中继系统的“服务等级”的一个度量。单个用户的统计特性可以概括在用户产生的话务量Au中，用爱尔兰做单位可以定义为 （11）一个包含着个用户的系统中，总流入话务量为 （12）为了确定中继系统提供的用户服务质量，一个重要考虑是系统怎样处理呼叫阻塞。有两个基本的处理策略。第一个策略是：呼叫请求在找不到可用的信道时就被阻塞和清除，这时的中继系统称作阻塞呼叫清除系统。第二个策略是：将阻塞呼叫保持在一个队列中，当有可用信道时再提供服务，采用这种策略的中继系统称作阻塞呼叫延迟系统。我们主要讨论前者，因为实际中这种类型的系统更常见。因此，若假设：阻塞呼叫清除系统。呼叫到达无记忆，曾被阻塞用户可在任何时间发出请求。无限多个用户。可使用的中继信道数为C。则阻塞率可以用爱尔兰B公式表示 （13）爱尔兰公式能将中继信道数C、阻塞率以及话务量A关联起来。其中话务量A可以是流入话务量（offered traffic），也可以是承载话务量（carried traffic）。在前一种情况下，所有用户为包含C个信道的中继系统产生流入话务量A，则是这些用户所经历的阻塞率；而在后一种情况下，包含C个信道的中继系统在阻塞率时的最大承载话务量是A。中继系统的承载话务量也是系统容量的一个量度。通过爱尔兰B公式，可以估算蜂窝系统中小区簇的大小对系统容量（以用户数表示）的影响。4.2 信道模型接收信号（有用信号和干扰信号）的统计特征主要牵涉到两个重要的传播效应：小尺度衰落和阴影（大尺度衰落）。其中小尺度衰落是由局部区域的多径所造成的，而阴影则是由诸如树木、建筑物、地形等因素引起本地平均信号的随机衰减造成的。测量表明，无线通信系统中的本地平均电平可以用对数正态随机变量精确地建模。当用分贝表示时，本地平均信号电平服从正态分布，由面积均值（area mean value）和标准差来刻画。面积均值是发射机或接收机分隔距离（T-R）、发射机功率级、天线增益的函数，而阴影的标准差取决于物理环境18-19。尽管在某些情况下，有用信号和干扰信号的阴影是性能变差的主要原因，但在一般的系统设计和仿真中，必须同时考虑小尺度衰落和阴影的影响。例如，空间分集、扩频、编码与交织技术等已被广泛用于抵消小尺度衰落的影响，因此接收信号主要取决于大尺度信道变化。在本论文的分析中，为了简单起见，假设平均掉了小尺度衰落的影响，因此仅考虑阴影和路径损耗。假设平均掉了小尺度衰落的影响，而有用信号或单个干扰信号的本地平均功率级（这里一般性地用表示）呈现出对数正态变化。如果用dBW形式，则本地平均功率级可以建模为 dBW （14）这里，是用dBW表示的区域平均功率级（或换种说法，是用dB表示的大尺度传播路径损耗）；是标准差为（用dB表示）的零均值正态随机变量（也用dB表示），这是由于大尺度障碍造成的阴影。区域平均功率通常建模为接收机与发射机之间分隔距离d、路径损耗指数、发射功率（dBW表示）及发射和接收天线增益、（二者均用dB表示）的函数。具体来说， dBW （15）式中的常数K由模型中所有不改变的项组成；和是信号发射端到接收端的发射俯仰角和方位角；和是信号到达接收天线的到达俯仰角和方位角；角度、和取决于移动台和基站天线的相对位置。从实际测试中得出一个重要的结论是，对于宏蜂窝系统，蜂窝的半径大于1km，收发距离T-R远大于基站和移动台天线之间的高度差时，可以假设并省略式中的和。于是得： （16）4.3 同频干扰考虑接收机收到来自N个同频发射机的N个干扰信号。第个信号的本地平均功率电平呈对数正态变态，使用分贝作单位，本地平均功率级可建模为 dBW （17）这里的是区域平均功率（area mean power，或者是说，大尺度平均路径损耗）；是以dB为单位的零均值正态分布随机变量，且具有标准差（dB）,它是由大型障碍物引起的阴影所造成的。区域平均功率常被建模为以下参数的函数：收发器间距，路径衰减指数n，发送功率 （dBm），发射机和接收机的天线增益和（dB）。可以得到： dBW （18）基于接收到的单个干扰信号仅受阴影和路径损耗的影响这一假设，总的同频干扰可以建模为单个干扰信号的复合。他们的本地平均功率级服从对数正态变化。通常假设每一个干扰的相移因散射而变化显著，于是我们可以假设相位是随机的，因而在本地区域作平均时，信号是非相干叠加的（如他们的功率相加）。因此，给定位置的总同频干扰可以建模为N个对数正态分布信号之和，即 （19）数学理论上，对数正态分布变量的和可以近似地表示为另一个对数正态分布。已经有人提出了几种用dB来计算所得对数正态分布的均值和标准差的方法。两种最流行的方法是Wilkinson方法和Schwartz与Yeh方法。在本文的工作中，在知道了的均值和标准差后，采用Wilkinson方法来计算中的干扰的均值和标准差。接下来将简要的介绍Wilkinson方法的推导过程及计算步骤。首先，讲I的分布用另一个对数正态分布来近似，或者，等效地 （20）服从正态分布。假设总和I呈对数正态分布，则接下来我们用Wilkson方法来计算均值和标准差。定义随机变量为 （21）其均值和标准差分别由下式给出： 和 （22）这里。注意。考虑到假定单个信号之间相关会有利于提高通用性。这种相关可能是由于特定传播路径上的共同物理障碍（如植被或建筑物等）引起的阴影衰落所造成的。因此即使是来自不同方向的信号也有可能会被同样的障碍物所衰减，造成接受信号之间的这种相关性。考虑干扰信号相关的情况，我们可以定义和的相关系数为 （23）由于是由按比例缩放而成的，因此也是和之间的相关系数。使用式（4.12）和式（4.14），并且使用一个对数正态分布来近似I的分布，可得 （24）这里的Z（对数单位）和X（分贝单位）是正态分布，且。根据Wilkinson方法，我们可以通过匹配I的第一、二阶矩和的第一、二阶矩来求式（4.17）中Z的均值和标准差。第一阶矩为 （25）式（4.18）中的各阶矩可以基于如下观察来估算：对均值为和方差为的正态分布随机变量u及任意整数l，可以推导出 （26）这里l表示正态随机变量u的矩的阶次。因此要估算exp（Z）的第一阶矩，这里假定Z为高斯随机变量，我们可以证明 （27）和 （28）将式（4.20）和式（4.21）带入式（4.18），我们可以得到 （29）式（4.22）的和式是被加数的均值和标准差的函数，可以假设通过测量或者使用传播模型让这些量已知。通过匹配I和的第二阶矩，我们有 （30）在式（4.23）两边同时使用式（4.19）的性质，我们得到 （31）式（4.24）可以使用均值和标准差以及相关系数进行计算。式（4.22）和式（4.24）构成了未知数和的方程组。求解这个方程组，并使用，我们最后得到 （32）因此，Wilkinson方法包括以下两步：使用式（4.22）和式（4.24）来计算，；使用被加数的均值、标准差和相关系数，求解式（4.25）所定义的方程组。5. MATLAB仿真5.1 簇的大小对系统容量的影响通过给定的爱尔兰的公式，可以估计异构无线通信系统中小区簇的大小对系统容量（以用户数表示）的影响。假设小区的可用中继信道数从1到100变化，分析话务量与阻塞率之间的关系。结果如图7所示。图7 爱尔兰B图从图中我们可以看出，信道数一定时，流入话务量越大，阻塞率越大；当流入（最大承载）话务量一定时，信道数越多，阻塞率越小；当可接受的阻塞率一定时，信道数越多，话务量越大。因为总信道数一定时，小区的可用信道数为总信道数与簇的大小之比。因此，通过减少簇的大小，可以获得更好的系统容量。5.2 仿真说明及参数设置在本仿真中，主要做了以下一些假设：（1）宏蜂窝系统；（2）阻塞呼叫清除系统；（3）呼叫到达无记忆，曾被阻塞用户可在任何时间发出请求；（4）无限多个用户；（5）平均掉了小尺度衰落的影响，仅考虑阴影和路径损耗；（6）移动台的天线在前向和反向链路上都是全向的；（7）所有基站的发射都具有相同的功率级；（8）小区内的用户均匀分布；（9）位于中央小区和同频小区的移动台处于同一越区（基于同频干扰仅发生在分配了同一信道的越区内的原因）。相应的，仿真中的参数设置如表1所示；此外，需要用户根据其所想要的系统配置进行信息输入。如表2所示。表1 仿真系统参数设置r_cell=1000小区半径(m)n_co_ch_users=6共信道数量（第一层）P_BS=0BS发送功率（dBW）P_MS=0MS发送功率 （dBW）corr_fwd=0.0前向链路相关系数corr_rev=0.0反向链路相关系数K=1链路方程常数in_beam=0扇区天线的最大增益SIR0=18信干比阈值表2 用户信息输入num_snapshots仿真次数cluster_size簇的大小（可选，3，4，7）n_path路径损耗指数sigma_int阴影的标准差（dB）sigma_S有用信号的标准差（dB）sec扇区模式选择（全向；3扇区；6扇区）ftb天线正反向比（dB）5.3 仿真以下为基本的网络图：图8 基本的网络图涉及到的仿真包括：（1）接收信号的强度的设计。（2）大尺度衰落：路径损耗和阴影效应(ShadowGenerate.m)。（3）小尺度衰落：利用jakes模型进行仿真。（4）参数有：移动台的运动速度为10m/s;LTE的载波频率是2000MHz，Wimax的载波频率是2500MHz，发射功率分别是33dbm、23dbm。覆盖半径分别为1Km和0.3Km。最小距离为35m。基站的坐标分别为（0,0）和（500,0）。信号的检测间隔为0.4s，切换时延为1s（仿真情况下）。移动台从坐标为（100,0）以10m/s的速度向右运动。1）只考虑路径衰落的时候，接收信号强度的变化：图9 只考虑路径衰落的时候，接收信号强度的变化切换的变化：图10 变化后的接收信号强度假设此时用户由一般LTE网络覆盖区域穿过Wimax覆盖区域，此时Wimax信号在40-70s区间内强于一般LTE信号，当移动终端检测到Wimax信号强于LTE信号时执行切换。2）考虑到小尺度衰落的信号接收的变化：图11 考虑到小尺度衰落的信号接收的变化切换的变化：图12 变化后的小尺度衰落的信号假设此时用户穿过Wimax覆盖区域，当终端检测到Wimax信号强于LTE信号时，终端进入二次检测，若检测到Wimax信号持续强于LTE信号时，则执行切换，反之保持LTE信号链接。3）同时考虑到阴影效应下的接收信号强度变化：图13 同时考虑到阴影效应下的接收信号强度变化切换的变化：图14 变化后的同时考虑到阴影效应下的接收信号强度假设此时用户穿过Wimax覆盖区域，加入信号受到干扰时产生的波动参数，当终端检测到Wimax信号强于LTE信号时，终端进入二次检测，若检测到Wimax信号持续强于LTE信号时，则执行切换，反之保持LTE信号链接。6. 结束语随着移动通信系统的发展，人们对移动通信系统支持的业务也提出了更多更高的要求。移动通信系统不仅要支持实时的话音业务，而且也要支持非实时的数据业务。提出了一种针对数据业务的越区切换算法。在今后的无线通信系统中，系统应该能够同时支持多种业务。在设计越区切换策略时，也应充分利用不同业务的不同特点。本次设计提出了一种用于话音/数据集成的基于信道预约的越区切换方案。由于数据业务的切换请求对系统的处理延迟要求不高，因此在该方案中，只为具有越区切换请求的话音呼叫提供了信道预约的优先权。提出了一种话音业务可强占数据业务的切换方案。然而，该策略中并未区分具有越区切换请求的话音呼叫和新近产生的话音呼叫，因此服务的强制中断概率偏高。未来的个人通信系统要能同时支持话音、视频以及数据等实时/非实时业务混合的多媒体业务。为了实现这个目标，在设计越区切换策略时，应当考虑到实时业务和非实时业务的不同特点。所以，在有限的资源上如何对实时业务和非实时业务占有的资源进行划分一直是个非常关键的技术。【参考文献】1 郭梯云，邬国扬，李建东.移动通信M.西安：电子科技大学出版社，2006.2 无线电通信技术J作者：无;刊名:计算机与网络.2007年(15期).3 谢显中.基于TDD的第四代移动通信技术M.第1版，北京:电子工业出版社，2005.4 胡泊.蜂窝移动通信系统越区切换技术J.常州信息职业技术学院学报,2005,(01).5 王冠英,宋华俐.IEEE802.16e系统中的切换技术分析J.中央民族大学学报(自然科学版),2006,15(03).6 吴伟陵,刘凯.移动通信原理M.第1版.北京:电子工业出版社,2005.7 庄宜松.现代通信技术M.重庆：重庆大学出版社，2004年5月.8 刘连青.数字通信技术M.北京：机械工业出版社，2003年2月.9 (美)普罗克斯等刘树棠译现代通信系统（MATLAB版）M.北京：电子工业出版社2005年.10 王卫东，高鹏，张英海.第3代移动通信系统设计原理与规划M.北京：电子工业2007年.11 谢显中.基于TDD的第四代移动通信技术M.北京：电子工业出版社，2005年7月.12 彭木根,王文博.TD-SCDMA移动通信系统（第3版）M.北京：机械工业出版社.2009.13 （美）比斯利.现代电子通信M.北京：清华大学出版社.2009.14 陈吉，颜晓莉，李方伟，TD-SCDMA系统中的接力切换研究M.无线通信技术，2003.15 陈泽强，WCDMA技术与系统设计M.北京：电子工业出版社,2004.16 王文博等,时分双工CDMA移动通信技术M.北京：北京邮电大学出版社,2006.17 李小文、李贵勇、陈贤亮等,TD-SCDMA第三代移动通信系统、信令及实现M.北京：人民邮电出版社,2003.18 Jingao Wang，Qing-An Zeng and Dharma P. Agrawal，Performance Analysis of Preemptive Handoff Scheme for Integrated Wireless Mobile Networks Proceedings of IEEE GLOBECOM01，San Antonio，TX，2001.19 Q.A.Zeng and D.P.Agrawal，Performance Analysis of a Handoff Scheme in Integrated Voice/Data Wireless Networks，Proceedings of IEEE VTC-2000, Sep.2000.致谢在毕业设计写作的三个多月的时间里，通过自己的努力和王兰老师的耐心指导，毕业设计已经基本完成。在这段时间里，老师严谨的治学态度令我十分的感激和钦佩，她的指导使我受益匪浅。经过这样一次毕业设计的写作，使我深刻地体会到学好专业知识的重要性，也让我明白了理论联系实际的意义，并且有效的检验了在大学期间的学习成果。毕业设计是大学生涯中的最后一份答卷，美好的大学生活将因此划上一个句号，我们都将踏入人生另一段不一样的旅程，但对于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。大学的求学生涯走得辛苦却也收获满囊。在论文终于完工的时候，我的心里百感交集，思绪万千。在这些年的求学生涯中，我很感谢家人及朋友的关心和支持，你们的支持使我一路在困难中大步往前，作为我时时刻刻的港湾让我带着温暖向前，这份恩情我会永远铭记。最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参与本人毕业设计答辩的各位老师表示诚挚谢意。The Handoff Algorithm Research of the Heterogeneous Wireless Communication System 【Abstract】The paper studies the handoff issues of selecting the appropriate mobile communication systems froman overall perspective,when the users move among2G, 3G, LTE and other communication systems overlapping areas. Comparing with the pervious handoff scenarios which simply considered one system, considering multiple covers can make better use of the wireless resources and improve the quality of service. By analyzing the transmission characteristics of heterogeneous systems, this paper selectsthe typical WIFI and LTE overlapping scenario and proposes the principles and algorithms of users handoff in this scenario. Finally, we obtain the curves of each parameter in the model by MATLAB simulation.【Key words】Heterogeneous wireless networks; handoff; algorithm 指导教师： 第 27 页 共 27 页附录 程序1.Main.m%thesimulationofthisprogramisforheterogeneous%networkinverticalhandoff;%initialtheparametersofnetworkclearclcglobalfc_LTEfc_WimaxLTE_BS_coordinateWimax_BS_coordinate.Wimax_BS_coordinateLTE_BS_coordinatelarge_scale_time_interval.large_scale_LTElarge_scale_wimaxlarge_scale_time_start.large_scale_time_endNservice_type=0;%thesubscribertypeofservice%0referstorealtimeservice,onthe%contrary,1referstononreal-timeservicelarge_scale_time_interval=100;N=10;large_scale_time_start=0;large_scale_time_end=large_scale_time_interval;large_scale_LTE=ShadowGenerate(3,0.5,N);large_scale_wimax=ShadowGenerate(3,0.5,N);MS_coordinate=100,0;LTE_BS_coordinate=0,0;%thecoordinateofLTEBSWimax_BS_coordinate=600,0;%thecoordinateofwimaxEBSMS_speed=10;%thespeedofmobilestationfc_LTE=2000*106;%thefrequencyofthecarrierforLTEfc_Wimax=2500*106;%thefrequencyofthecarrierforWimaxNet_state=0;%0referstoLTE;1referstoWimaxhandoff_drop=1;handoff_clock=0;count_handoff_number=0;Tc=0.4;%timeofmeasureintervalrecord_time=0;%recordthenumberofintervaltimeofsystemcountinue_run=true;whilecountinue_run%#measurethereceievedsignalstrength#%ifthemobilestationisintheLTEnetworkifis_in_LTE_coverage(MS_coordinate)RSS_LTE=calculate_RSS(MS_coordinate,MS_speed,LTE,record_time*Tc,Tc);elseRSS_LTE=-inf;end%ifthemobilestationisintheLTEnetworkifis_in_Wimax_coverage(MS_coordinate)RSS_Wimax=calculate_RSS(MS_coordinate,MS_speed,Wimax,.record_time*Tc,Tc);elseRSS_Wimax=-inf;end%#decidewhethertohandoffaccordingtoRSS#ifNet_state=0&RSS_LTEhandoff_dropcount_handoff_number=count_handoff_number+1;Net_state=1;h