基于罰函數的自適應全半切換算法

紀純妹　許文輝

提出了一種全半速率自適應切換的算法，基于話務情況，自適應調整話務忙門限，實現全半速率占比動態分配。該算法通過網絡選擇路損、轉換電平門限和質量保護門限來保證質量及容量，通過全半切換的統計、判決時間來避免乒乓切換和保證信道連續性，并最終歸結為約束優化問題，且利用罰函數法進行求解。最后應用于現網高話務量場景進行功能驗證。

罰函數 自適應 全半切換

中圖分類號：TN911.14 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-06-0077-04

1 引言

GSM、TD-SCDMA、WLAN、LTE四網在未來將長期共存并互為補充，而GSM主要承載話音、短信業務等。隨著投資緊縮，如何利用現有資源為用戶提供更大的容量成為當前GSM研究的重點。為了根據實時話務動態調整小區全速率和半速率（以下簡稱全半速率）占比，提升用戶語音感受，引入了全半速率切換技術。然而，傳統的全半速率占比調整方法[1]由人工根據過往話務進行評估，既耗時又耗力。

本文將考慮全半速率分配問題，這個問題一般被建模成網絡選擇路損受限等約束條件下的話務忙門限優化問題，因此可以用拉格朗日乘子法進行求解[2]。將該算法應用于現網，以驗證算法的有效性。

2 系統模型

全速率話音信道采用脈沖激勵長期預測編碼方式，半速率話音信道采用矢量和激勵線性預測編碼方式。話務忙門限THRTCHBUSY0是用戶接入網絡時分配全半速率信道的標準。當小區負荷低于話務忙門限，用戶接入/切入網絡時分配全速率信道；當小區負荷高于話務忙門限，用戶質量優于路損門限，則為用戶分配半速率信道。當小區負荷高于全半切換負荷門限時，網絡選擇路損最小（電平最優）的全速率用戶觸發全半切換，以降低網絡負載和保證半速率用戶的質量；在該過程中根據小區的實際負荷精確計算待切換的用戶個數，以盡量降低半速率占比。當小區負荷低于半全切換負荷門限時，網絡根據信道位置選擇用戶觸發半全切換，以保證用戶的語音感受和PS信道連續性[3]；在該過程中根據小區的實際負荷精確計算待切換的用戶個數，以防止乒乓切換。

針對實時接入用戶i的優化目標應該是在保證用戶質量的前提下，最小化系統的資源占用[4]，其目標函數如下：

（1）

為保證用戶話音質量，需選擇路損最小即信號電平最好的用戶來分配半速率，可用式（2）表示：

（2）

同時同個小區內，每個載波j最多分配2個用戶，可用式（3）表示：

（3）

為用戶分配的信道只有半速率信道和全速率信道兩種，可用式（4）表示：

（4）

網絡根據信道位置選擇用戶觸發全半/半全切換，以保證用戶感知和信道使用的連續性。總載波數可用式（5）表示：

（5）

同時為防止乒乓切換，用戶要進行切換前需達到切換統計時間才進入切換候選隊列，且切換持續時間必須達到設置值，即：

Tcount≥Tcount0，Tlast≥Tlast0 （6）

3 自適應全半切換算法

在滿足用戶通話質量的前提下，為使小區內占用的資源最少，可得到以下優化問題：

Pi∈（1，1/2）

將約束問題放到目標函數中，能使目標函數成為一個罰函數，可用式（7）所示：

P（x，Mk）=f（x）+Mk{[min（0， g（x））]2} （7）

則：

g （8）

其中，Mk是一個按一定步長變化的相對大的數。

因此，每次有新用戶接入時，則按全半切換算法流程執行全半速率信道的分配，如圖1所示。由于目標函數可以歸結為一個罰函數，因此能用各種最優化方法來求解。本文所提出的問題模型比較簡單，可采用直接搜索的方法經過若干次迭代搜索到最優點。

4 現網驗證

基于上文提出的系統模型，采用罰函數法進行求解。由于在不同場景下無線信道資源使用情況不同，為最優化進行資源的使用，研究分場景進行了細分。選擇現網中半速率話務量較高、半速率占比較大（接近或大于30%）的場景，根據每線話務量0.8前后和半速率占比達到30%前后分別選取了A、B小區進行全半速率信道切換的驗證。場景參數如表1所示：

表1 場景參數

場景 小區 半速率話務比/% 每線話務量

場景一：半速率占比接近30%，每線話務量大于0.6 A 24.4 0.68

場景二：半速率占比大于30%，每線話務量大于0.8 B 42.53 0.9

試驗后，場景一在TCH話務量保持不變的情況下，半速率話務比由功能開啟前的39.45%下降為5.16%（見圖2）；場景二在TCH話務量保持不變的情況下，半速率話務比由功能開啟前的48.73%下降為17.37%（見圖3）。

功能開啟后，上下行TBF建立成功率、下行HQI和干擾帶無明顯變化。在功能開啟后切換擁塞和CS搶占導致PS掉話次數有小幅上升，通過對參數進行微調后，指標趨于正常。如圖4所示。

該算法實時對用戶負荷情況進行判斷，檢測數據總量相對15分鐘統計少很多，不需要專門的存儲器來存儲和處理數據，對系統負荷影響不大，且CPU負荷基本不變。

5 結論

由于載頻等無線資源是非常寶貴的[5]，因此必須充分利用。歸結起來，本文的目的就是通過采用拉格朗日乘子法進行全半/半全速率分配，并應用于現網。文中所提出的方法在保持話務量不變的情況下，能夠大大降低半速率比例，在實際應用中可以作為參考。

參考文獻：

[1] M Ivanovich， M Zukerman， P Fitzpatrick， et al. Channel Allocation Schemes for Full and Half Rate Connections in GSM[A]. Proc IEEE Int Conf Communications[C]. 1996： 1756-1760.

[2] Dou Ni， Fangjiong Chen， Cunmei Ji. Lagrange Multiplier Based Fair Resource Allocation for MIMO-OFDMA Systems[A]. Proceedings of the 2009 International Conference on Networks Security， Wireless Commnunications and Trusted Computeing[C]. 2009： 218-221.

[3] J Penttinen， F D Calabrese， D Valerdi. Prediction Model for the GSM Dual Half Rate Gain in a Noise-limited Environment Based on Field Measurements and Simulations[A]. Computers and Communications[C]. 2011： 597-602.

[4] 趙清利，紀純妹. 多小區OFDMA系統基于改進PSA的資源分配算法[J]. 電訊技術， 2011（7）： 133-137.

[5] 張彤. 利用半速率技術解決突發話務頻發小區的話務擁塞[J]. 蘇州大學學報： 工科版， 2005（2）： 70-72.★endprint

提出了一種全半速率自適應切換的算法，基于話務情況，自適應調整話務忙門限，實現全半速率占比動態分配。該算法通過網絡選擇路損、轉換電平門限和質量保護門限來保證質量及容量，通過全半切換的統計、判決時間來避免乒乓切換和保證信道連續性，并最終歸結為約束優化問題，且利用罰函數法進行求解。最后應用于現網高話務量場景進行功能驗證。

罰函數 自適應 全半切換

中圖分類號：TN911.14 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-06-0077-04

1 引言

GSM、TD-SCDMA、WLAN、LTE四網在未來將長期共存并互為補充，而GSM主要承載話音、短信業務等。隨著投資緊縮，如何利用現有資源為用戶提供更大的容量成為當前GSM研究的重點。為了根據實時話務動態調整小區全速率和半速率（以下簡稱全半速率）占比，提升用戶語音感受，引入了全半速率切換技術。然而，傳統的全半速率占比調整方法[1]由人工根據過往話務進行評估，既耗時又耗力。

本文將考慮全半速率分配問題，這個問題一般被建模成網絡選擇路損受限等約束條件下的話務忙門限優化問題，因此可以用拉格朗日乘子法進行求解[2]。將該算法應用于現網，以驗證算法的有效性。

2 系統模型

全速率話音信道采用脈沖激勵長期預測編碼方式，半速率話音信道采用矢量和激勵線性預測編碼方式。話務忙門限THRTCHBUSY0是用戶接入網絡時分配全半速率信道的標準。當小區負荷低于話務忙門限，用戶接入/切入網絡時分配全速率信道；當小區負荷高于話務忙門限，用戶質量優于路損門限，則為用戶分配半速率信道。當小區負荷高于全半切換負荷門限時，網絡選擇路損最小（電平最優）的全速率用戶觸發全半切換，以降低網絡負載和保證半速率用戶的質量；在該過程中根據小區的實際負荷精確計算待切換的用戶個數，以盡量降低半速率占比。當小區負荷低于半全切換負荷門限時，網絡根據信道位置選擇用戶觸發半全切換，以保證用戶的語音感受和PS信道連續性[3]；在該過程中根據小區的實際負荷精確計算待切換的用戶個數，以防止乒乓切換。

針對實時接入用戶i的優化目標應該是在保證用戶質量的前提下，最小化系統的資源占用[4]，其目標函數如下：

（1）

為保證用戶話音質量，需選擇路損最小即信號電平最好的用戶來分配半速率，可用式（2）表示：

（2）

同時同個小區內，每個載波j最多分配2個用戶，可用式（3）表示：

（3）

為用戶分配的信道只有半速率信道和全速率信道兩種，可用式（4）表示：

（4）

網絡根據信道位置選擇用戶觸發全半/半全切換，以保證用戶感知和信道使用的連續性。總載波數可用式（5）表示：

（5）

同時為防止乒乓切換，用戶要進行切換前需達到切換統計時間才進入切換候選隊列，且切換持續時間必須達到設置值，即：

Tcount≥Tcount0，Tlast≥Tlast0 （6）

3 自適應全半切換算法

在滿足用戶通話質量的前提下，為使小區內占用的資源最少，可得到以下優化問題：

Pi∈（1，1/2）

將約束問題放到目標函數中，能使目標函數成為一個罰函數，可用式（7）所示：

P（x，Mk）=f（x）+Mk{[min（0， g（x））]2} （7）

則：

g （8）

其中，Mk是一個按一定步長變化的相對大的數。

因此，每次有新用戶接入時，則按全半切換算法流程執行全半速率信道的分配，如圖1所示。由于目標函數可以歸結為一個罰函數，因此能用各種最優化方法來求解。本文所提出的問題模型比較簡單，可采用直接搜索的方法經過若干次迭代搜索到最優點。

4 現網驗證

基于上文提出的系統模型，采用罰函數法進行求解。由于在不同場景下無線信道資源使用情況不同，為最優化進行資源的使用，研究分場景進行了細分。選擇現網中半速率話務量較高、半速率占比較大（接近或大于30%）的場景，根據每線話務量0.8前后和半速率占比達到30%前后分別選取了A、B小區進行全半速率信道切換的驗證。場景參數如表1所示：

表1 場景參數

場景 小區 半速率話務比/% 每線話務量

場景一：半速率占比接近30%，每線話務量大于0.6 A 24.4 0.68

場景二：半速率占比大于30%，每線話務量大于0.8 B 42.53 0.9

試驗后，場景一在TCH話務量保持不變的情況下，半速率話務比由功能開啟前的39.45%下降為5.16%（見圖2）；場景二在TCH話務量保持不變的情況下，半速率話務比由功能開啟前的48.73%下降為17.37%（見圖3）。

功能開啟后，上下行TBF建立成功率、下行HQI和干擾帶無明顯變化。在功能開啟后切換擁塞和CS搶占導致PS掉話次數有小幅上升，通過對參數進行微調后，指標趨于正常。如圖4所示。

該算法實時對用戶負荷情況進行判斷，檢測數據總量相對15分鐘統計少很多，不需要專門的存儲器來存儲和處理數據，對系統負荷影響不大，且CPU負荷基本不變。

5 結論

由于載頻等無線資源是非常寶貴的[5]，因此必須充分利用。歸結起來，本文的目的就是通過采用拉格朗日乘子法進行全半/半全速率分配，并應用于現網。文中所提出的方法在保持話務量不變的情況下，能夠大大降低半速率比例，在實際應用中可以作為參考。

參考文獻：

[1] M Ivanovich， M Zukerman， P Fitzpatrick， et al. Channel Allocation Schemes for Full and Half Rate Connections in GSM[A]. Proc IEEE Int Conf Communications[C]. 1996： 1756-1760.

[2] Dou Ni， Fangjiong Chen， Cunmei Ji. Lagrange Multiplier Based Fair Resource Allocation for MIMO-OFDMA Systems[A]. Proceedings of the 2009 International Conference on Networks Security， Wireless Commnunications and Trusted Computeing[C]. 2009： 218-221.

[3] J Penttinen， F D Calabrese， D Valerdi. Prediction Model for the GSM Dual Half Rate Gain in a Noise-limited Environment Based on Field Measurements and Simulations[A]. Computers and Communications[C]. 2011： 597-602.

[4] 趙清利，紀純妹. 多小區OFDMA系統基于改進PSA的資源分配算法[J]. 電訊技術， 2011（7）： 133-137.

[5] 張彤. 利用半速率技術解決突發話務頻發小區的話務擁塞[J]. 蘇州大學學報： 工科版， 2005（2）： 70-72.★endprint

提出了一種全半速率自適應切換的算法，基于話務情況，自適應調整話務忙門限，實現全半速率占比動態分配。該算法通過網絡選擇路損、轉換電平門限和質量保護門限來保證質量及容量，通過全半切換的統計、判決時間來避免乒乓切換和保證信道連續性，并最終歸結為約束優化問題，且利用罰函數法進行求解。最后應用于現網高話務量場景進行功能驗證。

罰函數 自適應 全半切換

中圖分類號：TN911.14 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-06-0077-04

1 引言

GSM、TD-SCDMA、WLAN、LTE四網在未來將長期共存并互為補充，而GSM主要承載話音、短信業務等。隨著投資緊縮，如何利用現有資源為用戶提供更大的容量成為當前GSM研究的重點。為了根據實時話務動態調整小區全速率和半速率（以下簡稱全半速率）占比，提升用戶語音感受，引入了全半速率切換技術。然而，傳統的全半速率占比調整方法[1]由人工根據過往話務進行評估，既耗時又耗力。

本文將考慮全半速率分配問題，這個問題一般被建模成網絡選擇路損受限等約束條件下的話務忙門限優化問題，因此可以用拉格朗日乘子法進行求解[2]。將該算法應用于現網，以驗證算法的有效性。

2 系統模型

全速率話音信道采用脈沖激勵長期預測編碼方式，半速率話音信道采用矢量和激勵線性預測編碼方式。話務忙門限THRTCHBUSY0是用戶接入網絡時分配全半速率信道的標準。當小區負荷低于話務忙門限，用戶接入/切入網絡時分配全速率信道；當小區負荷高于話務忙門限，用戶質量優于路損門限，則為用戶分配半速率信道。當小區負荷高于全半切換負荷門限時，網絡選擇路損最小（電平最優）的全速率用戶觸發全半切換，以降低網絡負載和保證半速率用戶的質量；在該過程中根據小區的實際負荷精確計算待切換的用戶個數，以盡量降低半速率占比。當小區負荷低于半全切換負荷門限時，網絡根據信道位置選擇用戶觸發半全切換，以保證用戶的語音感受和PS信道連續性[3]；在該過程中根據小區的實際負荷精確計算待切換的用戶個數，以防止乒乓切換。

針對實時接入用戶i的優化目標應該是在保證用戶質量的前提下，最小化系統的資源占用[4]，其目標函數如下：

（1）

為保證用戶話音質量，需選擇路損最小即信號電平最好的用戶來分配半速率，可用式（2）表示：

（2）

同時同個小區內，每個載波j最多分配2個用戶，可用式（3）表示：

（3）

為用戶分配的信道只有半速率信道和全速率信道兩種，可用式（4）表示：

（4）

網絡根據信道位置選擇用戶觸發全半/半全切換，以保證用戶感知和信道使用的連續性。總載波數可用式（5）表示：

（5）

同時為防止乒乓切換，用戶要進行切換前需達到切換統計時間才進入切換候選隊列，且切換持續時間必須達到設置值，即：

Tcount≥Tcount0，Tlast≥Tlast0 （6）

3 自適應全半切換算法

在滿足用戶通話質量的前提下，為使小區內占用的資源最少，可得到以下優化問題：

Pi∈（1，1/2）

將約束問題放到目標函數中，能使目標函數成為一個罰函數，可用式（7）所示：

P（x，Mk）=f（x）+Mk{[min（0， g（x））]2} （7）

則：

g （8）

其中，Mk是一個按一定步長變化的相對大的數。

因此，每次有新用戶接入時，則按全半切換算法流程執行全半速率信道的分配，如圖1所示。由于目標函數可以歸結為一個罰函數，因此能用各種最優化方法來求解。本文所提出的問題模型比較簡單，可采用直接搜索的方法經過若干次迭代搜索到最優點。

4 現網驗證

基于上文提出的系統模型，采用罰函數法進行求解。由于在不同場景下無線信道資源使用情況不同，為最優化進行資源的使用，研究分場景進行了細分。選擇現網中半速率話務量較高、半速率占比較大（接近或大于30%）的場景，根據每線話務量0.8前后和半速率占比達到30%前后分別選取了A、B小區進行全半速率信道切換的驗證。場景參數如表1所示：

表1 場景參數

場景 小區 半速率話務比/% 每線話務量

場景一：半速率占比接近30%，每線話務量大于0.6 A 24.4 0.68

場景二：半速率占比大于30%，每線話務量大于0.8 B 42.53 0.9

試驗后，場景一在TCH話務量保持不變的情況下，半速率話務比由功能開啟前的39.45%下降為5.16%（見圖2）；場景二在TCH話務量保持不變的情況下，半速率話務比由功能開啟前的48.73%下降為17.37%（見圖3）。

功能開啟后，上下行TBF建立成功率、下行HQI和干擾帶無明顯變化。在功能開啟后切換擁塞和CS搶占導致PS掉話次數有小幅上升，通過對參數進行微調后，指標趨于正常。如圖4所示。

該算法實時對用戶負荷情況進行判斷，檢測數據總量相對15分鐘統計少很多，不需要專門的存儲器來存儲和處理數據，對系統負荷影響不大，且CPU負荷基本不變。

5 結論

由于載頻等無線資源是非常寶貴的[5]，因此必須充分利用。歸結起來，本文的目的就是通過采用拉格朗日乘子法進行全半/半全速率分配，并應用于現網。文中所提出的方法在保持話務量不變的情況下，能夠大大降低半速率比例，在實際應用中可以作為參考。

參考文獻：

[1] M Ivanovich， M Zukerman， P Fitzpatrick， et al. Channel Allocation Schemes for Full and Half Rate Connections in GSM[A]. Proc IEEE Int Conf Communications[C]. 1996： 1756-1760.

[2] Dou Ni， Fangjiong Chen， Cunmei Ji. Lagrange Multiplier Based Fair Resource Allocation for MIMO-OFDMA Systems[A]. Proceedings of the 2009 International Conference on Networks Security， Wireless Commnunications and Trusted Computeing[C]. 2009： 218-221.

[3] J Penttinen， F D Calabrese， D Valerdi. Prediction Model for the GSM Dual Half Rate Gain in a Noise-limited Environment Based on Field Measurements and Simulations[A]. Computers and Communications[C]. 2011： 597-602.

[4] 趙清利，紀純妹. 多小區OFDMA系統基于改進PSA的資源分配算法[J]. 電訊技術， 2011（7）： 133-137.

[5] 張彤. 利用半速率技術解決突發話務頻發小區的話務擁塞[J]. 蘇州大學學報： 工科版， 2005（2）： 70-72.★endprint