陳立明 郭慶 楊明川

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱150001)

發(fā)展下一代星座系統(tǒng)和提供廣泛的業(yè)務(wù)支持正在成為當(dāng)前低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)(LEO-MSS)的發(fā)展方向［1-4］.信道分配是無(wú)線資源管理的一個(gè)重要方面，在提供多速率業(yè)務(wù)的系統(tǒng)中又稱為帶寬分配.由于不同類型的業(yè)務(wù)具有不同的統(tǒng)計(jì)特性和QoS要求，如何在LEO衛(wèi)星波束頻繁切換的環(huán)境下為廣泛的業(yè)務(wù)類型提供滿意的支持，不僅是當(dāng)前無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，更是我國(guó)進(jìn)行LEO衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)中亟待解決的問題.信道預(yù)留策略是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在多業(yè)務(wù)條件下保障不同業(yè)務(wù)各自QoS要求的經(jīng)典方法，如蜂窩系統(tǒng)中的保護(hù)信道策略［5］，通過對(duì)即將發(fā)生的切換呼叫提前預(yù)留資源，保證用戶得到滿意的QoS.

相比新呼叫被拒絕接入，正在進(jìn)行的通話在切換時(shí)由于資源不足而被迫中斷將會(huì)大大降低用戶的服務(wù)滿意度;因此大量文獻(xiàn)對(duì)LEO-MSS切換的帶寬預(yù)留分配機(jī)制進(jìn)行了研究［6-15］.文獻(xiàn)［6］提出了基于時(shí)間的信道預(yù)留機(jī)制(TCRA)，在繼承經(jīng)典GH(Guarded Handover)算法優(yōu)勢(shì)的同時(shí)降低了新呼叫阻塞率;文獻(xiàn)［10］提出了彈性信道鎖定(ECL)機(jī)制，根據(jù)當(dāng)前的新呼叫阻塞率和切換呼叫失敗率彈性地調(diào)整在切換過程中用戶向目標(biāo)蜂窩發(fā)送切換請(qǐng)求的時(shí)間，提高了預(yù)留信道的利用率.這些算法都是針對(duì)簡(jiǎn)單語(yǔ)音業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，針對(duì)多業(yè)務(wù)條件(即不同業(yè)務(wù)類型具有不同的帶寬要求和平均服務(wù)時(shí)間)的研究并不多.文獻(xiàn)［11］針對(duì)非高軌衛(wèi)星提出了多業(yè)務(wù)自適應(yīng)切換(MAH)機(jī)制，從一定程度上解決了多業(yè)務(wù)用戶間的不公平問題，但是在實(shí)際系統(tǒng)中，MAH需要實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)并通知地面用戶，代價(jià)很大且難以實(shí)現(xiàn).

文中通過基于概率的帶寬自適應(yīng)預(yù)留策略(APRS)進(jìn)行切換管理機(jī)制的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在連接級(jí)對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行高效的配置，實(shí)現(xiàn)用戶QoS要求和系統(tǒng)資源利用率的平衡.根據(jù)LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中地面終端運(yùn)動(dòng)的可預(yù)測(cè)性與確定性，利用終端發(fā)生切換的概率對(duì)預(yù)留的帶寬進(jìn)行調(diào)整，為即將到達(dá)小區(qū)的呼叫進(jìn)行非全額帶寬預(yù)留，并基于系統(tǒng)切換性能對(duì)預(yù)留帶寬進(jìn)行實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)整，從而在不影響切換成功率的同時(shí)充分利用預(yù)留資源，減小新呼叫的阻塞，增大系統(tǒng)用戶數(shù)目.

1 系統(tǒng)覆蓋模型與參數(shù)

首先建立系統(tǒng)移動(dòng)模型以分析移動(dòng)用戶通話服務(wù)質(zhì)量及系統(tǒng)性能.由于低軌衛(wèi)星環(huán)繞地球做高速運(yùn)動(dòng)(如銥星系統(tǒng)，vtrk=26600km/h≈7389m/s)，可以將地面終端速度忽略不計(jì)，近似認(rèn)為衛(wèi)星靜止不動(dòng)，地面終端沿著平行于衛(wèi)星軌跡的方向以vtrk的速度運(yùn)動(dòng).同時(shí)，由于衛(wèi)星采用多波束天線將衛(wèi)星腳印劃分為多個(gè)相鄰的波束小區(qū)以實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，當(dāng)相鄰的波束小區(qū)有足夠大的重合區(qū)域時(shí)，每個(gè)圓形蜂窩可以用邊長(zhǎng)為蜂窩直徑(L=425 km)的正方形代替［4］.因此，文中建立一維的 LEO-MSS移動(dòng)模型，如圖1所示.模型中小區(qū)固定不動(dòng)，小區(qū)中所有用戶沿著與衛(wèi)星相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)方向相反的方向以相同的速率運(yùn)動(dòng)，用戶穿越小區(qū)所需的時(shí)間為 tcell=L/vtrk=57.5s.

圖1 LEO-MSS移動(dòng)模型Fig.1 Mobility model of LEO-MSS

同時(shí)，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，單一的語(yǔ)音通話業(yè)務(wù)已經(jīng)無(wú)法滿足人們的需要，多業(yè)務(wù)條件下的衛(wèi)星通信技術(shù)日趨成熟.不同業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求差別很大.在3G系統(tǒng)中，3GPP將承載的業(yè)務(wù)類型分為4類，如表1所示，它們代表了當(dāng)前絕大部分無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用［16］.

表1 無(wú)線通信系統(tǒng)的承載業(yè)務(wù)Table 1 Bearer services of wireless communication system

為了保證不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量以及帶寬資源的利用率，在進(jìn)行帶寬分配時(shí)要區(qū)別對(duì)待不同的業(yè)務(wù).文中，將提供給LEO-MSS的業(yè)務(wù)分為ClassⅠ業(yè)務(wù)、ClassⅡ業(yè)務(wù)兩類.ClassⅠ業(yè)務(wù):多媒體業(yè)務(wù)，對(duì)于時(shí)延敏感，且要求通信系統(tǒng)為其提供持續(xù)的信道帶寬保證，可分為對(duì)帶寬要求嚴(yán)格的多媒體業(yè)務(wù)ClassⅠa以及帶寬可調(diào)整的多媒體業(yè)務(wù)ClassⅠb;ClassⅠa包括語(yǔ)音/視頻電話、高可靠性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等;ClassⅠb包括交互多媒體業(yè)務(wù)、視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)等.ClassⅡ業(yè)務(wù):非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，例如電子郵件、短消息服務(wù)等，此類業(yè)務(wù)對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延要求相對(duì)寬松.

2 算法框架描述

2.1 基于概率的預(yù)留思想

由于ClassⅠ類業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延敏感，需要持續(xù)的信道帶寬來保證用戶的QoS體驗(yàn)，因此在傳統(tǒng)的信道預(yù)留策略中，系統(tǒng)為這類業(yè)務(wù)的切換提供高強(qiáng)度的帶寬預(yù)留.如圖2(a)所示，用戶B提出信道預(yù)留請(qǐng)求后，蜂窩N將給用戶B預(yù)留一個(gè)信道并鎖定，在B到達(dá)蜂窩N之前的這段時(shí)間，此信道資源不能被其他用戶使用.由此，在系統(tǒng)資源夠用的情況下，所有的ClassⅠ類切換呼叫都能夠保證100%的成功率，但是這種高強(qiáng)度的預(yù)留方式造成了用戶B過早地鎖定信道的現(xiàn)象，使蜂窩N的新用戶C無(wú)法接入系統(tǒng)，大量的系統(tǒng)資源被白白地浪費(fèi)了.

若是仔細(xì)觀察便可以看出，在圖2(a)中，若是將系統(tǒng)為用戶B鎖定的信道分配給用戶C使用，則用戶C可以成功接入系統(tǒng)，同時(shí)，B本身的切換也將不受影響，因?yàn)镃將在20s后離開蜂窩N并返還所占用信道，而B的切換在40s之后才發(fā)生.

圖2 影響切換預(yù)留資源的因素Fig.2 Factors affecting bandwidth reservation for handovers

或者，如圖2(b)所示，用戶B在蜂窩N－1內(nèi)向蜂窩N提出了信道預(yù)留請(qǐng)求，傳統(tǒng)的信道預(yù)留策略將為其在蜂窩N內(nèi)預(yù)留對(duì)應(yīng)的資源，在B到達(dá)蜂窩N之前這段時(shí)間內(nèi)預(yù)留的資源不能被其他用戶所使用.但是若用戶B在蜂窩N－1內(nèi)就結(jié)束了此次通話，那么在蜂窩N內(nèi)為其預(yù)留的資源就白白地浪費(fèi)了.也就是說，傳統(tǒng)的信道預(yù)留資源沒有考慮到用戶呼叫時(shí)長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)特性.

因此，若是結(jié)合考慮LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中用戶位置以及呼叫時(shí)長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)資源預(yù)留的影響，按照用戶距離蜂窩邊界的遠(yuǎn)近(即切換發(fā)生的緊急程度)以及呼叫時(shí)間大于其蜂窩滯留時(shí)間的概率進(jìn)行資源預(yù)留，則預(yù)計(jì)將能進(jìn)行更為合理的預(yù)留.雖然為每個(gè)用戶預(yù)留的資源都不是全額預(yù)留，但是考慮到用戶確定性的運(yùn)動(dòng)不斷地進(jìn)入和離開蜂窩，且有一定比例的用戶會(huì)遵循呼叫統(tǒng)計(jì)特性，在當(dāng)前蜂窩內(nèi)就結(jié)束通話并返還占用帶寬和預(yù)留帶寬，系統(tǒng)可以將寶貴的資源優(yōu)先用于滿足切換最迫切的呼叫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的更充分利用.

2.2 預(yù)留算法描述

基于上述分析，文中提出APRS.APRS將綜合考慮用戶的業(yè)務(wù)種類、位置信息、用戶呼叫的統(tǒng)計(jì)特性，在各類業(yè)務(wù)的切換呼叫預(yù)留與新呼叫請(qǐng)求的接入之間尋求平衡，從而提高系統(tǒng)資源利用率，增加系統(tǒng)用戶數(shù)，為各類用戶提供滿意的QoS.

具體來說，APRS工作在3個(gè)階段.

(1)呼叫建立

ClassⅠ類業(yè)務(wù)的呼叫建立如圖3所示.

圖3 ClassⅠ類業(yè)務(wù)的呼叫建立Fig.3 Connection setup for Class I traffic

在呼叫建立階段，針對(duì)ClassⅠ類業(yè)務(wù)，APRS引入了短期保證的概念，即在ClassⅠ類新呼叫接入的，同時(shí)檢查源小區(qū)和第一個(gè)切換小區(qū)的帶寬可用情況，只有當(dāng)兩個(gè)小區(qū)都有可用帶寬時(shí)才允許新呼叫接入，否則，拒絕接入新呼叫;這樣可大大提高了用戶接入后的切換保證，防止出現(xiàn)呼叫在接入系統(tǒng)不久就由于帶寬不夠而發(fā)生掉線的情況.考慮到用戶位于蜂窩左邊界的情況不多，且呼叫時(shí)長(zhǎng)往往大于單個(gè)蜂窩滯留時(shí)間，短期保證的做法是合理的.

(2)切換管理

由于在呼叫建立階段引入了短期保證，本階段只需考慮至少經(jīng)歷過一次切換的連接.對(duì)于此類連接，引入計(jì)數(shù)器來確定用戶的位置，從而避免GPS等定位裝置的使用，減少系統(tǒng)復(fù)雜度.

ClassⅠ類業(yè)務(wù)的切換管理如圖4所示.

圖4 ClassⅠ類業(yè)務(wù)切換管理Fig.4 Handover management for Class I traffic

在切換管理階段，APRS根據(jù)呼叫發(fā)生切換的概率為ClassⅠ類業(yè)務(wù)預(yù)留非全額帶寬，在保證切換呼叫連續(xù)性的同時(shí)避免了過度預(yù)留所帶來的資源浪費(fèi);同時(shí)，把未能成功預(yù)留帶寬的呼叫排隊(duì)，在切換發(fā)生之前若蜂窩有可用帶寬，則執(zhí)行預(yù)留，否則，預(yù)留失敗.

具體來說，經(jīng)歷過切換的呼叫將被分配一個(gè)計(jì)數(shù)器θ，此計(jì)數(shù)器的值被設(shè)置為58 s，每過一個(gè)單位時(shí)間間隔，此計(jì)數(shù)器的值減小1，這樣，當(dāng)用戶運(yùn)動(dòng)到小區(qū)的邊緣時(shí)，計(jì)數(shù)器的值將變?yōu)?.設(shè)某一時(shí)刻計(jì)數(shù)器的值為t(i)，則根據(jù)圖2(a)中用戶位置對(duì)資源預(yù)留的影響，算法引入如式(1)所示的位置因子來對(duì)預(yù)留資源進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)切換的緊急程度預(yù)留資源，切換越迫切的呼叫將被預(yù)留越多的資源.

式中，tcell為蜂窩滯留時(shí)間.

同時(shí)，根據(jù)圖2(b)中用戶呼叫的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)預(yù)留資源的影響，引入式(2)所示的切換概率，從而基于用戶發(fā)生后續(xù)切換的概率進(jìn)行非全額的資源預(yù)留.

式中，td為呼叫的持續(xù)時(shí)間，Ps(i)為呼叫發(fā)生后續(xù)切換的概率，ftcell(t)為tcell的概率密度函數(shù).

最后，考慮到突發(fā)因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，引入式(3)所示的自適應(yīng)調(diào)整因子T(N)對(duì)預(yù)留資源進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，將系統(tǒng)的新呼叫阻塞率和切換呼叫失敗率維持在平均水平，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

這樣，綜合考慮上述3個(gè)方面的因素，得到了ClassⅠ類業(yè)務(wù)自適應(yīng)的資源預(yù)留門限Rv:

式中，L(i)為用戶i在當(dāng)前時(shí)刻的位置因子，Bmin為滿足用戶i的業(yè)務(wù)需要的最小分配帶寬.

對(duì)于ClassⅡ類業(yè)務(wù)，因其對(duì)傳輸時(shí)延要求相對(duì)寬松，因此若系統(tǒng)有可用資源，即可接入.設(shè)Ba為系統(tǒng)為ClassⅡ類呼叫分配的帶寬，則有

其中，Bmax為呼叫要求的理想帶寬，C為蜂窩內(nèi)總的帶寬資源，U(t)為系統(tǒng)當(dāng)前正在使用的資源，Rv(t)為系統(tǒng)為前一個(gè)蜂窩內(nèi)的ClassⅠ類呼叫所動(dòng)態(tài)預(yù)留的帶寬資源.

(3)呼叫結(jié)束

移動(dòng)用戶結(jié)束其通話連接時(shí)，將釋放在當(dāng)前所在蜂窩所占用的帶寬，并向下一個(gè)蜂窩發(fā)送取消預(yù)留帶寬資源請(qǐng)求.

3 仿真與分析

為了驗(yàn)證APRS的性能，通過基于計(jì)算機(jī)的離散事件仿真對(duì)APRS的性能進(jìn)行驗(yàn)證，并將文中算法與經(jīng)典的GH預(yù)留策略和基于時(shí)間閾值的切換優(yōu)先級(jí)(TBHP)策略［7］進(jìn)行對(duì)比.GH策略為用戶在下一個(gè)蜂窩內(nèi)預(yù)留信道來降低切換掉話率，但是其面臨的問題是非常高的新呼叫阻塞率;TBHP策略對(duì)GH策略進(jìn)行了改進(jìn)，通過基于對(duì)用戶位置的估計(jì)設(shè)置時(shí)間門限tTH，用戶只有在距離切換發(fā)生tTH時(shí)才向下一個(gè)蜂窩發(fā)送資源預(yù)留請(qǐng)求.

模型仿真過程中的業(yè)務(wù)參數(shù)如表2所示，兩類業(yè)務(wù)共6個(gè)業(yè)務(wù)分組等概率產(chǎn)生，新連接請(qǐng)求到達(dá)遵循泊松分布，呼叫持續(xù)時(shí)間遵循負(fù)指數(shù)分布.

表2 模型仿真中的業(yè)務(wù)參數(shù)Table 2 Service parameters for simulation model

ClassⅠ類業(yè)務(wù)的呼叫切換掉話率曲線和系統(tǒng)新呼叫阻塞率曲線如圖5所示.

由圖5可見，各種策略的切換掉話率和新呼叫阻塞率隨著業(yè)務(wù)到達(dá)率的增大都有上升的趨勢(shì).GH策略為切換呼叫設(shè)置了過高的優(yōu)先級(jí)，切換掉話率在呼叫到達(dá)速率不高時(shí)很低，但是隨著呼叫到達(dá)率的升高，越來越多的資源被可能發(fā)生的切換呼叫所占用，系統(tǒng)很快就到達(dá)了容量上限，新呼叫阻塞率和切換掉話率顯著增大;TBHP策略采用了基于用戶位置的信息來決定發(fā)起資源預(yù)留請(qǐng)求的時(shí)間，減少了資源被鎖定的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了比GH策略更優(yōu)的系統(tǒng)性能，在降低切換掉話率的同時(shí)減小了新呼叫阻塞率;文中提出的APRS則綜合考慮了用戶的位置信息和用戶呼叫統(tǒng)計(jì)特性對(duì)切換預(yù)留的影響，在保證較低切換呼叫阻塞率的同時(shí)，大大降低了系統(tǒng)的新呼叫阻塞率，在呼叫到達(dá)速率較高時(shí)，由于用戶的統(tǒng)計(jì)特性表現(xiàn)得更為明顯，新呼叫阻塞率和呼叫切換掉話率仍然維持在一個(gè)較低的水平.

圖5 ClassⅠ類業(yè)務(wù)的呼叫切換掉話率與新呼叫阻塞率Fig.5 Connection dropping and blocking probabilities of Class I traffic

ClassⅡ類業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延和中斷不敏感，因此若發(fā)生切換掉話，在新蜂窩中其將作為新呼叫繼續(xù)發(fā)起呼叫請(qǐng)求，只要系統(tǒng)的新呼叫阻塞率控制在一定水平，Ⅱ類業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量就可以得到保證.考慮到ClassⅠ類業(yè)務(wù)對(duì)帶寬及延時(shí)要求嚴(yán)格，文中進(jìn)一步引入服務(wù)等級(jí)(GoS)以更加直觀地表現(xiàn)這類用戶體驗(yàn)到的QoS;由于正在進(jìn)行的呼叫發(fā)生掉線要比新呼叫請(qǐng)求被阻塞更加讓人難以忍受，GoS對(duì)呼叫阻塞率和切換掉話率進(jìn)行不同程度的加權(quán)，計(jì)算方法如下:

3種算法的γGoS如圖6所示，由圖6可見，文中提出的APRS為用戶提供的QoS最高.

圖6 不同策略下ClassⅠ類業(yè)務(wù)的服務(wù)等級(jí)Fig.6 Grade of service of Class Ⅰ traffic under various schemes

TBHP策略基于tTH對(duì)資源進(jìn)行預(yù)留和分配，若tTH過大，則TBHP策略接近于GH策略，造成預(yù)留資源利用率低，若tTH過小，則TBHP策略由于切換時(shí)間過短，容易造成高切換掉話率.APRS是基于切換以及呼叫終止概率對(duì)預(yù)留資源進(jìn)行概率加權(quán)，能夠?qū)崿F(xiàn)更加合理的預(yù)留，尤其表現(xiàn)為用戶數(shù)增加后，統(tǒng)計(jì)特性更為明顯，APRS的掉話率沒有出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了高 QoS的服務(wù).Phf、Pnb以及 γGoS都是涉及QoS的參數(shù)，但是在LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，還有一個(gè)很重要的參數(shù)，即帶寬利用率(BU).帶寬利用率反映了系統(tǒng)利用帶寬的百分比，這一點(diǎn)對(duì)于星上資源非常稀缺的衛(wèi)星通信系統(tǒng)是至關(guān)重要的.

3種策略的帶寬利用率如圖7所示.由圖7可見:GH策略的資源利用率最低，其預(yù)留的信道在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不能被其他呼叫利用，相當(dāng)于被閑置，系統(tǒng)的資源利用率很低;而APRS由于根據(jù)用戶的當(dāng)前位置和切換概率預(yù)留相應(yīng)資源，優(yōu)先滿足切換最為迫切的呼叫，使帶寬資源得到了更為充分的利用，因此APRS的資源利用率是最高的.

圖7 帶寬利用率Fig.7 Bandwidth utilization

4 結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)具有高動(dòng)態(tài)特性的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，提出了一種多業(yè)務(wù)條件下的基于概率的帶寬自適應(yīng)預(yù)留策略(APRS).該策略依據(jù)LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中地面用戶的運(yùn)動(dòng)具有確定性和可預(yù)測(cè)性的特點(diǎn)，通過對(duì)用戶呼叫時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)特性的分析，為時(shí)延敏感業(yè)務(wù)呼叫的切換進(jìn)行基于用戶位置和切換概率的非全額帶寬預(yù)留，并對(duì)預(yù)留帶寬進(jìn)行實(shí)時(shí)的自適應(yīng)系統(tǒng)性能的調(diào)整.仿真結(jié)果表明，APRS能夠在不同用戶QoS要求的多業(yè)務(wù)環(huán)境下合理預(yù)留、分配帶寬，為用戶提供滿意的QoS，同時(shí)充分利用帶寬資源，增大系統(tǒng)用戶數(shù)，提高了系統(tǒng)資源利用率.

在仿真過程中，APRS假設(shè)呼叫持續(xù)時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布.雖然負(fù)指數(shù)分布能夠很好地反映語(yǔ)音業(yè)務(wù)的呼叫持續(xù)時(shí)間，但隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與多媒體業(yè)務(wù)逐漸成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主要業(yè)務(wù)，需要引入更為準(zhǔn)確的分布模型來反映不同類型業(yè)務(wù)的呼叫持續(xù)時(shí)間，從而合理地衡量算法性能，這將是下一步的工作重點(diǎn).

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