切换单元（精选3篇）
切换单元 篇1
摘要：为适应中国民航对单脉冲二次雷达的双机热备份功能要求, 采用现场可编程门阵列 (FPGA) , 并使用硬件描述语言对可擦除可编程逻辑器件 (EPLD) 进行编程控制, 以实现单脉冲二次雷达切换单元的主要功能:响应监控系统的切换命令, 当设备故障时自动或者手动地切换到非故障机柜, 使雷达连续地输出航迹数据。现场可编程门阵列的运用增强了射频切换单元控制的灵活性与可靠性, 大大提高系统的检测性能与处理性能。
关键词：单脉冲二次雷达,切换单元,双机热备份,现场可编程门阵列
0引言
二次雷达也叫做空管雷达信标系统 (Air Traffic Control Radar Beacon System, ATCRBS) 。它最初是在空战中为了使雷达分辨出敌我双方的飞机而发展的敌我识别系统, 当把这个系统的基本原理和部件经过发展后用于民航的空中交通管制后, 就成了二次雷达系统。二次雷达是在地面站和目标应答器的合作下, 采用问答方式工作, 它必须经过两次有源辐射电磁波信号才能完成应有的功能[1]。
单脉冲二次雷达是按照雷达方位角度定位体制的不同而定义的, 有别于常规的二次监视雷达。常规二次监视雷达实现一个目标定位需要利用雷达定向主波瓣中对这个目标的所有应答, 而单脉冲二次雷达理论上只需要利用一次询问的应答即能准确定位。单脉冲技术应用于二次雷达, 使对目标的测量可以方便的基于多个波束, 有效地增加了数据冗余度, 提高了角度测量的精度。对应答处理而言, 单脉冲技术的应用, 大大提高了在混叠或交织情况下对应答码的解码能力, 使单脉冲二次雷达与常规二次雷达相比实现了一次质的飞跃[2]。
国内自主研发航管二次雷达在近10年间才开始, 落后于国外20世纪80年代就发展起来的二次雷达系统。现今国内主要民用机场使用的二次雷达大多使用的是国外设备。如美国Raytheon二次雷达, 意大利Alenia二次雷达, 日本东芝雷达。在中央大力提倡国内自主研发的政策下, 国内的一些厂家也紧跟国外技术开始研发属于中国的二次雷达及其终端显示系统。
民航航管系统的基本要求是安全、迅速和有秩序地将乘客和货物从某一地点空运到另一指定地点。空中交通管制就是为达到此目的而建立的重要服务体系。为了满足民航系统对雷达系统可靠性的要求, 雷达的设计采用了双通道热备份设计, 目的是在当前通道故障的情况下, 保证航迹输出的连续性, 双通道之间的切换单元在监控计算机命令下迅速切换。
1射频切换系统组成
单脉冲二次雷达应答信号处理的基本流程如图1所示。
在射频切换系统中, 切换控制板接收监控计算机发出的切换命令, 当确认要求进行切换时, 通过切换控制板向切换开关发出切换信号, 实现对三路射频信号与两个通道间的切换, 三路 (Σ, Δ, Ω) 开关的工作状态一致, 即同时工作在A通道或同时工作在B通道, 三路开关的状态随时通过控制电缆以TTL差分方式送给数据处理。根据二次雷达的技术指标[3], 射频开关的耐峰值功率大于2.5 kW, 耐平均功率大于20 W。
在设计中, 选择了射频开关TN6K31, 该开关有足够的频宽和线性, 确保信号不失真, 插入损耗小于0.3 dB, 通道隔离度大于70 dB, 满足雷达系统的指标。
射频切换系统中切换控制单元的原理如图2所示。
在射频切换系统的控制电路中, 选用Lattice公司的EPLD作为主处理芯片 (ispLSI1032E) , 该芯片有64个I/O端, 8个指定输入端, 6 000个逻辑门, 192个寄存器, 最大时延小于等于12 ns, 通过简单的5线接口, 即可用PC机对线路板上菊花链结构的最多8个芯片进行编程[4]。
切换开关工作原理为:A通道输入选通控制脉冲时, 如当前开关工作在A通道, 则维持在A通道, 不作切换;如当前开关工作在B通道, 则切换到A通道。同样, B通道输入选通控制脉冲时, 如当前开关工作在B通道, 则维持在B通道, 不作切换;如当前开关工作在A通道, 则切换到B 通道。即同时工作在A通道或同时工作在B通道, 三路开关的状态随时通过控制电缆以TTL差分方式送给数据处理。
在射频切换控制板中信号流程如下:监控计算机发出的差分切换脉冲经差分接收器接收后, 进入可编程EPLD, 在EPLD内利用硬件语言实现了对切换脉冲的滤波、脉冲判断、框架判断等, 确认该信号为计算机切换命令而不是外来干扰后, 发出切换信号到驱动单元, 切换信号经驱动单元到开关TN6K31的控制端, 实现切换动作。
2系统实现的具体细节
2.1 信号滤波与毛刺抑制
二次雷达监控计算机发出的通道切换信号是脉冲编码信号。由于雷达工作电磁环境复杂, 所以在系统内部要判断该信号是否为干扰信号, 在系统中首先进行切换信号前、后沿的提取, 将切换信号输入两个寄存器, 加以门电路实现, 如图3所示。
LE与TE分别切换信号的前沿与后沿, 在经过一系列寄存器, 使前沿与后沿分别用触发器进行延时, 根据前沿与后沿间间隔可以判断出脉冲的宽度, 对于不符合切换条件的毛刺与噪声进行抑制。
2.2 框架检测
正常情况下, 监控计算机发出的切换脉冲的两个脉冲的间隔为20 ms, 在切换控制系统中使用的时钟为8.276 MHz, 因此, 一个切换命令的两个脉冲的时间间隔就认为两个前沿间有167, 168或169个时钟周期。在该系统中, 脉冲编码的检测是根据比较延时的前沿与非延时情况下的重合情况, 延时的前沿对应于框架脉冲F1, 非延时的前沿对应脉冲F2, F1相对于F2延时20 ms, 由于F2相对于F1有三个时钟脉冲的变化范围, F2与F1的前沿延时167, 168或169个时钟周期的任一个对齐, 都认为是一个正确的框架。框架检测示意如图4所示。
3结语
雷达的发展和更新换代不仅对雷达的性能提出了更高的要求, 而且对实现的方式也提出了新的要求。集成度高、性能好、体积小已经成为雷达设计的必然要求。飞机密度的不断增加, 对雷达系统的可靠性, 提出了更严格的要求, 为了提高可靠性, 现代雷达使用双机热备份冗余设计, 双机中切换部分的可靠性关系到雷达的整体性能, 用硬件设计语言编程EPLD方法处理二次雷达的切换信号具有很大的优越性。
参考文献
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切换单元 篇2
主要内容
DX系列发射机控制单元TCU智能切换系统的研发着眼于解决DX系列发射机故障高发的公共部位, 通过采用硬件冗余技术和TCU智能切换技术后, 可将此类故障处理时间由几个小时缩短为5min之内, 对于改善不间断安全播出具有非常重要的意义。它主要包括五个切换分系统:TCU子机柜切换系统、CCU子机柜切换系统、PLC子机柜切换系统、TCU电源切换系统、CCU电源切换系统和一个SIMENS PLC控制中心组成。作用是将进口的发射机控制单元TCU柜和国产化的发射机控制单元柜间故障时具备本地切换/远程切换/智能切换的功能。
主要技术创新点
DX系列发射机控制单元TCU智能切换系统
TCU切换系统采用以PLC为控制核心的智能切换系统, 外围整合了计算机科技应用技术、过程监控和无线监测报警技术等。为真正意义上实现了中波台发射机房“有人留守, 无人值班”的新运维模式奠定坚实的基础。
主要技术特性有:
高可靠性:主备用TCU控制柜在物理上相互隔离, 避免了两套控制系统间相互串扰, 保证了主、备柜之间各自的完整性、独立性和可靠性;
高效率性:TCU柜故障判断处理时间由几个小时缩短为3min之内, 对于不间断安全播出具有非常重要的意义;
功能齐全:有本地切换、远程切换和智能切换三种切换模式可供选择;
扩展性强:采用积木化设计, 适用于DX-400/600/800/1000/1200全系列并机中波发射机。
安装便捷:充分考虑DX系列发射机布局的特点, 利用发射机闲置的空间, 合理布局, 安装方便, 具有一定的通用性。
DX系列发射机MMI人机控制接口屏主要是用来控制和监测并机网络的所有功能, 用来对功放单元进行较高级别控制以及用来对整流器机柜和冷却系统进行监测。其作用是提供一个中心控制和监测位置。
我们通过采用普洛菲斯 (PROFACE) 触摸屏GP-2501S-24V, 编写出MMI人机控制接口屏程序, 各项性能、指标均符合要求, 技术指标达到甲级, 取得了完全替换进口Quick Panel Operator Interfaces (23万) 的目的。
详细技术内容
由于发射机控制单元TCU是DX型发射机控制的核心, 系统相当复杂, 近些年来, 由于该系统故障而引发了多起重特大停播事故, 给发射机控制单元TCU智能切换系统的研发提出了迫切的要求。
发射机控制单元TCU智能切换系统
系统设计要求
为了让全国产化的发射机控制单元TCU柜和原机的TCU柜之间能有机地结合起来, 当进口的TCU柜出现故障时, 可快速通过智能切换系统使主、备TCU柜的各相关功能柜之间互相切换, 大大缩短了故障处理时间。
切换系统的硬件组成
如图1所示。
TCU智能切换系统的工作原理
“TCU SUB SWITCH SYSTEM”TCU子机柜切换系统板主要功能是TCU分机柜出现故障时, 通过切换, 将主用TCU快速切换至备用TCU, 实现将故障的TCU机柜进行物理隔离, 继续维持正常播出。切换系统的主要器件为继电器, 需要将涉及TCU子机柜中的所有出入“8A1A10-TCU INTERFACE BOARD”的控制信号都采集到TCU子机柜切换系统板上, 然后通过继电器NC节点和NO节点实现主用TCU柜与备份TCU柜之间的切换。
继电器采用的是日本Omron公司生产的G6A微型继电器, 该继电器具有:抗电磁干扰性能强, 可实现高密度安装;耐冲击电压1, 500V FCC规格标准, 实现耐高压;包金双接点, 而且低接点振动, 可以发挥高接触可靠性。该继电器内部共有4组接点, 可以提供4路信号的切换, 其参数如表1所示。
TCU智能切换系统的软件
TCU智能切换系统包括几个相对独立的子单元:SLC 5/04 PLC故障判断及开机单元、西门子S7-200切换单元、上位机HMI监控及操作单元、无线报警系统单元。
切换S7-200为整个智能切换系统的核心。它与主/备DX型系列发射机控制单元TCU的SLC 5/04之间通过接线的方式 (DI/DO) 传递信号和命令。切换S7-200通过DO控制PLC SUB……CCU PS, 共5个部分的切换电路, 实现这5个子单元的主/备切换。通过DI/DO接口和通讯接口, 就将上述的4个子系统连结为一个整体, 达到发射机控制单元TCU控制单元 (TCU) 智能切换的目标。
故障判断模块通过对本机柜的5个子单元:PLCSUB;TCU SUB;CCUSUB;TCU PS;CCUPS故障点进行判断。当检测到其中一个有故障时, 输出故障信号给切换S7-200做出相应的动作。
S7-200切换程序包括:故障确认模块、运行图判断模块、切换模块以及开机程序模块。各个模块顺序执行, 一个模块执行完毕后输出执行结果, 下一模块根据上一模块的结果判断是否满足执行条件。最后完成输出开机命令到SLC 5/04, 启动发射机控制单元TCU。
TCU智能切换系统
DX系列发射机控制单元智能切换系统概述
主备TCU机柜通过智能切换系统进行主备切换, 工作原理如图2所示。
S1~S5分别控制TCU POWER SUPPLY、CCU POWER SUPPLY、TCU SUB、CCU SUB和PLC SUB子机柜5个部分的单独切换, S6 (未画出) 控制TCU柜的整柜切换。他们的切换过程由智能切换系统模块进行控制。智能切换系统模块采用西门子 (SIEMENS) 公司的S7-200, 通过编程实现。
S7-200为通用的PLC, 本身集成了I/O, 并且可通过扩展增加I/O的数量, 采用标准的梯形图编程。
DI点接收主/备DX系列发射机控制单元TCU控制柜中的SLC 5/04 PLC的故障检测信号。当接收到故障信号后, 根据编写的程序判断主或备的哪部分产生故障。在判断发射机因故障原因已经造成停机, 发出切换命令到相应的切换电路 (如TCU SUB故障, 则发送到S3) 。切换电路将这部分的子机柜切换到备用机柜。
在切换系统将子机柜切换到备用后, S7-200通过DO点发出复位/开机指令给PLC SUB单元的SLC5/04。在发射机运行图期间, SLC 5/04自动对发射机系统进行一系列的复位与判断, 达到符合开机条件后自动控制发射机开机。
以上的一系列动作均在主/备SLC 5/04、切换系统的S7-200 PLC之间完成, 通过预先编制的程序实现, 无需人工参与。
另外, 为了检修过程中切换的灵活性, 在智能切换系统中还设置手动切换功能, 实现分别对TCU子机柜的单独切换或整个TCU机柜的全部切换。
智能切换控制主电路的组成及作用
智能切换控制电路板主要S7-200、交流接触器, 开关电源、端子等组成, 与主/备DX控制系统中的SLC 5/04 PLC组成智能控制中心。
智能切换控制主电路
TCU智能切换系统控制信号原理如图3所示, 主要由S7-200 PLC可编程控制器及外围电路组成, 分别实现手动切换、远程切换和智能切换功能。S7-200上设置S1~S9对应的切换开关、手自动切换开关。当手自动切换开关处于手动状态时, 可由操作人员独立对S1~S6进行手动切换。手动分体切换主要应用于检修和故障排队情况, 利用各单元分体性, 通过各种组合, 实现快速查找故障点。
S7-200 PLC与主/备DX控制系统中的SLC5/04 PLC构成智能切换控制中心
S7-200 PLCDI点接收主/备DX控制系统中的SLC 5/04 PLC的故障状态信号。当接收到故障信号后, 根据编写的程序判断主或备的哪分单元出现故障, 在判断发射机已经出现停机, 发出切换命令到相应的S切换电路 (如TCU SUB故障, 则发送到S2) 。切换电路将这部分的子系统切换到备用。其主要构造如图3所示。
交流接触器
由于TCU电源控制箱和CCU电源控制箱由于电流较大, 故采用交流接触器完成切换。
维护
为了保证本产品能正常运行, 需对它进行定期检查和维护。
定期检查紧固件、连接件是否松动, 保证各端子接触良好。
定期使用压缩空气吹风机, 清除电路板上灰尘, 以防聚集太多。
定期检查两路+24V电源是否正常工作。
结束语
综上所述, 发射机控制单元备份系统投入一年多来, 在2016年3月PLC子机柜中的PLC突然死机导致发射机关机, 值班员利用切换系统倒到备份使发射机迅速恢复正常播音。处理此故障用了不到20s间大大缩短了停播的时间, 说明这套系统在实际应用的效果很明显。
切换单元 篇3
当前各种异构无线网络间的融合势必将是下一代无线网络发展的趋势, 异构无线网络间的协同合作能为用户提供更好的服务。若用户要在异构无线网络下实现无缝漫游将涉及到网络切换的问题, 包括水平切换和垂直切换, 尤其是垂直切换给融合网络体系架构下的切换管理带来了巨大的挑战。传统研究水平切换的切换判决算法考虑的因素相对单一, 虽然便于实施, 但是在垂直切换场景下有很大的局限性。在垂直切换场景下必须考虑其它很多因素比如网络资费、网络状况、用户偏好、终端特性以及用户附近网络的容纳能力等。因此在垂直切换的场景下为了更好的满足用户的业务要求, 我们需要一种更智能的垂直切换判决算法。
当前常见研究垂直切换的方法主要分为两类, 第一类采用基于RSS[1]及其相关信息的研究方法和第二类采用基于一些重要指标的研究方法, 但这两种方法都无法回避由于多径衰落带来的乒乓效应, 乒乓效应带来了不必要的切换, 虽然一些文献通过引入一些额外的机制 (滞留电平、驻留时间) 可以一定程度上避免乒乓效应, 但是随之带来的是切换时延的增加, 切换性能的降低, 一方面造成网络资源的浪费, 另外也增加了用户呼叫阻塞或业务中断的概率, 造成了用户业务体验满意度的下降, 而且考虑的因素简单, 垂直切换后不一定能满足用户业务的要求。第二类中采用层次分析 (AHP) [2]、灰色关联分析 (GRA) [3]、接近理想值排序 (TOPSIS) [4]、模糊逻辑[5]的研究方法都存在算法复杂度较高, 处理开销较大的问题, 对于计算能力有限的终端而言, 可行性较差, 而且处理过程的复杂也带了切换性能的损失。上述几类研究方法在制定垂直切换判决算法过程中都是以终端作为切换最小单位, 通常通过比较网络性能评价函数或者接入代价函数后将整个终端切换至目标网络。由于用户的业务众多, 这样就可能会造成切换后的网络不一定能很好的满足每种业务的Qo S要求。
鉴于上述问题, 本文将切换的单位细化到用户具体的业务, 提出一种基于业务切换的垂直切换判决算法, 并设计了一种基于业务切换的代价函数。由于垂直切换是典型的多属性多标准的判决问题, 我们还设计了一种垂直切换相关指标归一化的方法, 以便于业务比较候选网络的性能, 从而选择最适合的切换网络。并通过与传统基于代价函数的垂直切换判决算法对比分析, 验证本文提出的算法在业务Qo S保障上的优势。
1 基于业务切换的代价函数设计
制定合理和有效的切换代价函数对于垂直切换及时、准确的执行至关重要。我们已经分析了传统切换代价函数存在的不足, 因此我们制定了一种基于业务切换的代价函数。我们假设当前存在N个候选切换网络, 若采用传统基于代价函数切换判决算法, 最终选择的目标切换网络具有最小的代价函数值, 切换网络判决选择的过程可用公式1表示:
其中Cn为接入网络n的代价函数。由于终端通常包含多种业务, 因此我们定义, Csn为用户从网络n请求业务s的代价函数, 为了考虑到每种业务的Qo S要求, 我们定义Csn用公式2表示:
, Qns, i为业务s关心的网络n的Qo S参数i的归一化表示, ws, i为对应参数的权重, 反映参数i对于业务的重要性。本文的研究重点不在参数权值的确定上, 下面涉及到权值取值时我们选取参考文献[6]中相关参数权重的取值。
由于异构无线网络的不对称性, 即使是相同的网络参数的取值范围也不尽相同, 例如当前3G网络的带宽的范围是 (0~3) Mbit/s, 而IEEE 802.11的WLAN的带宽范围在 (0~54) Mbit/s。由于本文采用的代价函数是线性加权相加, 显然取值范围较大的参数对代价函数的结果的影响要比参数取值范围小的对最终结果的影响要大。若不对异构无线网络的相关参数归一化处理, 那么直接比较各个网络的代价函数就会毫无意义。因此为了得到准确的网络代价函数值, 我们有必要在进行垂直切换判决前对不同网络的相关参数进行归一化处理。
我们首先将网络参数进行分类。根据对网络性能的影响把网络参数分为两类:
(1) 参数值越大, 网络性能越好, 例如网络带宽、信号强度、安全性等。
(2) 参数值越大, 网络性能越差, 例如网络时延、时延抖动、阻塞率、丢包率等。
对这两类网络参数要采用不同的归一化方法。我们以网络n为例, 来讨论参数归一化方法。我们设定imax和imin分别为参数i的上限值和下限值, N (i) 表示对参数i归一化处理。经过归一化处理后显然有Qns, i=N (i) 。
若i为第一类参数, N (i) 分为三种情况进行处理:
若i为第二类参数, N (i) 分为三种情况进行处理:
通过文本提出的参数归一化方法, 将不同网络的参数归一化到一个相同的区间范围内, 这样再将这些参数代入代价函数进行计算比较才有意义, 一定程度上保证了根据代价函数值作为切换依据的准确性。
2 算法介绍
传统基于代价函数的垂直切换判决算法, 把终端作为切换的最小单位, 通过比较各个网络的代价函数, 选择代价函数最小的网络作为切换网络。由于用户业务种类繁多, 加上每种业务对网络性能又有不同的要求, 比如常见的语音业务就对时延很敏感, 而数据业务对网络带宽的要求较高。然而由于当前各种无线网络的异构性和不对称性, 没有哪一种网络能够全部很好的支持种类繁多的业务。比如蜂窝移动通信网络就适宜承载对时延要求较高的语音业务, 而WLAN网络适宜承载对数据传输速率要求较高的数据业务。若采用传统基于代价函数的垂直切换判决算法, 通过判决选择后的切换网络只能是整体上的一个最优结果, 但是并不能保证当前用户每个业务都能得到很好的Qo S保障。而且这种算法将终端作为最小单位, 经切换判决后通常选择性能最优的网络作为目标切换网络后, 终端中包含的所有业务都将切换至目标网络中, 这样势必容易造成被选择网络负载的急剧上升, 进而导致用户业务请求阻塞率的增加。因此本文提出一种基于业务切换的垂直切换判决算法, 希望让用户的每个业务都能选择到满足业务Qo S要求的网络, 同时也充分利用当前各种网络, 将业务负载分担到各个网络中以缓解网络负载的压力。算法的流程图如图1所示。
下面我们通过具体的例子来介绍该算法的切换判决过程, 我们假设终端当前处于3G和WLAN重叠覆盖的区域内, 当前终端执行的业务只有语音业务 (Voice Services) 和数据业务 (Date Services) , 只考虑网络时延 (Delay) 和网络带宽 (Bandwidth) 这两种网络参数。
若这两种业务的优先级相同, 那么网络切换的代价函数为每个业务的代价函数之和。
表示用户向3G网络请求语音业务 (Voice Services) 时带宽的权重, 为3G网络为用户提供语音业务 (Voice Services) 时带宽经过归一化处理的规范值, w3GD-D表示用户向3G网络请求数据业务 (Date Services) 网络延时的权重, Q3GD-D为3G网络为用户提供数据业务 (Date Services) 时网络延时经过归一化处理的规范值。WLAN网络的相关表示含义类似。通过计算各个网络的代价函数值选择代价函数值最小的网络作为最终目标切换网络。这种情况下和传统算法一样也只能得到一个整体最优的结果。
若语音业务的优先级比数据业务的优先级要高 (优先级可以由用户在终端自行设定) , 则首先让语音业务进行网络的判决选择。由于网络的时变性, 当语音业务执行切换后, 必须更新相关信息 (网络参数重新采集及归一化) 后, 才对剩余业务进行网络的判决选择。这种情况下语音业务的代价函数计算过程如下面的公式所示。
这时语音业务根据业务函数的计算结果选择目标切换网络, 等语音业务执行完切换后, 数据业务再根据更新后的信息进行计算判决。计算过程和上面一样, 不再赘述。
3 算法分析
由于传统基于代价函数的垂直切换判决算法都以是终端为最小的切换单位, 通过判决算法选择的网络只能是整体上的一个最优结果, 因此文本提出把业务做切换的最小的单位的初衷是想在实行切换时考虑的更全面, 希望能根据每个业务的特性选择最优的网络。下面我们来分析本文提出的算法是否较传统算法有上述优势。
我们仍以上面的网络环境和业务类型来举例分析。
若采用传统基于代价函数的垂直切换判决算法, 那么接入3G网络的代价函数可用公式7表示:
假设语音业务和数据业务优先级相同, 则采用我们设计的基于业务的代价函数, 接入3G网络的代价函数可以用公式8表示:
通过比较公式7和8我们不难发现终端从3G网络获取的总的带宽和总的时延的归一化值为语音业务和数据业务从3G网络获取的带宽和延时的归一化值之和。可用公式9和10表示:
如果我们考虑一种特殊情况:wB3G=w3GV-B=w3GD-B且wD3G=w3GV-D=w3GD-D, 这时基于业务切换的代价函数表示如公式11所示:
将公式9和10带入公式11, 我们可以发现:
;对于WLAN网络在这样在特殊情况下, 也会有这种特殊现象:
通过以上分析, 我们可以发现当满足一定特定条件时传统的基于终端切换的代价函数是本文提出的基于业务切换的代价函数的子集, 因此若采用本文提出的基于业务切换的代价函数相比采用传统的基于终端切换的代价函数的适用范围更广。
下面我们进一步分析基于业务切换的判决算法和传统的基于代价函数的判决算法在满足业务Qo S要求上的优劣。
我们以语音业务在上述网络环境和业务背景下的Qo S要求满足情况来举例分析。我们假设一种特殊情况:
采用传统的代价函数来计算各个网络的切换代价。
如果代价函数的计算结果为:CTWLAN
若在这样的情况下:
我们可以得出以下结果: (CTWLAN=CWLAN) < (CT3G=C3G) 且CWLANvioce>C3Gvioce。若此时我们采用传统的基于代价函数的判决算法, 那么此时整个终端的业务都将切换到WLAN网络中, 而语音业务并没有切换到能够给它提供最好Qo S保障的3G网络中, 因此传统的切换算法并不准确, 也证实了我们上面关于这种算法只是整体上的最优并不能保障每个业务得到最好的Qo S保障的假设。这也从侧面体现了我们制定的基于业务切换的判决算法的优点。
4 仿真结果
4.1 仿真环境
采用传统基于代价函数的垂直切换判决算法确定目标切换网络后, 终端中所有的业务将会切换至目标网络。一旦被目标切换网络拒绝, 那么所有业务请求都将被阻塞。由于本文提出的算法将切换单位细分至单独的业务, 那么用户的业务请求有可能只会是部分被阻塞, 这样相比前者能更好的保障用户的满意度, 同时也能一定程度上缓解网络的负载压力。
假设当前用户由网络的边界进入到Network1 (3G) 、Network2 (WLAN1) 、Network3 (WLAN2) 重叠覆盖范围内, 如图2所示:
关于网络阻塞率的数学模型, 参考文献[7]中提出的网络阻塞率的数学模型研究两种算法在垂直切换场景下对网络阻塞率的影响, 网络阻塞率公式如19所示:
其中Nn=Bn/D, Bn为网络带宽, D为用户业务平均传输速率。λ/µ为当前切换业务负荷, λ为切换业务的达到率, µ为切换业务的离去率, λ和µ服从泊松分布。ρn=θnλ/µ为有效切换业务负荷, θn为用户切换至网络n的业务的百分比。对于传统基于代价函数的垂直切换判决算法, 由于在确定目标切换网络后, 终端中所有的业务都将切换至目标网络, 因此此时θn=1。由公式19, 我们不难计算两种算法下的网络阻塞率。
为采用传统基于代价函数的垂直切换判决算法下切换至网络n时的网络阻塞率, 为采用本文算法下切换至网络n时的网络阻塞率。假设重叠覆盖范围内的每个用户都包含相同种类的业务, 业务平均传输速率相同。根据上述公式, 我们可以计算出两种算法下用户业务请求的平均阻塞率 (The average of blocking rate) 。对于传统算法, 由于θn=1, 因此有:
其中P1、P2、P3分别为用户切换至Network1、Network2、Network3的概率, 并且p1+p2+p3=1。由于本文提出的算法将切换最小单位细分到业务, 在执行切换时用户业务有可能只会被其中某一个网络承载或者用户业务负载分担到三个网络中, 对于前者此时Bave-T=Bave, 对于后者此时的用户业务请求的平均阻塞率为:
下面我们结合实际的网络环境, 利用MATLAB仿真软件对上述两种算法下的网络阻塞率和用户业务请求平均阻塞率进行仿真。由于网络的时变性, 网络能为切换请求分配的可用带宽随时变化, 本文让Nn在 (1~BnD) 范围内随机取整数值。加之在切换网络选择上的随机性, 本文让pn和θn在 (0~1) 范围内随机取值, 且p1+p2+p3=1, θ1+θ2+θ3=1。通过10000次的仿真计算得出两种算法下的网络阻塞率和用户业务请求平均阻塞率的结果。相关网络参数的设置如表1所示。
4.2 仿真结果
仿真结果如图1、2、3所示:
从图1和图2我们可以发现随着λ/µ (切换业务负荷) 的增加, 网络的阻塞率也随之上升, 我们还可以发现在切换业务负荷较重的情形下, 本文算法下三个网络的阻塞率都低于传统算法下三个网络的阻塞率, 这也从侧面反映了本文算法相比传统算法在缓解网络负载压力上的优势。在图3中, 反映了两种算法下的用户业务请求平均阻塞率, 显然本文算法下的平均阻塞率小于传统算法下的平均阻塞率, 换而言之本文算法相比传统算法能更好的保障用户的业务请求的满意度。通过上述仿真结果, 很好的验证和支撑了我们上面的分析。
5 结论
在本文中, 我们提出一种基于业务切换的垂直切换判决算法, 设计了一种基于业务切换的代价函数以评价接入候选目标网络的代价。通过数学分析证明了本文提出的基于业务切换的代价函数比当前基于终端切换的代价函数适用范围更广, 后者只是前者在满足一定特定条件下的特例。最后通过仿真分析验证了本文算法相对传统算法在保障用户业务请求满意度和缓解网络负载压力上的优势。
摘要：在下一代异构无线网络环境中, 为满足在异构无线网络架构下采用不同切换方式的垂直切换请求, 我们提出一种基于业务切换的垂直切换判决算法, 并设计了一种基于业务切换的代价函数。通过数学分析和在UMTS/WLAN融合的网络环境下对该方案的切换失败率的仿真分析, 证明了该方案在支持终端的移动性、保障用户业务请求满意度以及缓解网络负载压力上相比传统基于代价函数的垂直切换判决算法更具优势。
关键词：异构无线网络,垂直切换,代价函数
参考文献
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