何攀峰， 程乃平

(1. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì), 北京 101416； 2. 裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416)

高空平臺(tái)通信系統(tǒng)中的小區(qū)切換技術(shù)綜述

何攀峰1， 程乃平2

(1. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì), 北京 101416； 2. 裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416)

同溫層強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致的高空平臺(tái)準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)性能，對(duì)切換技術(shù)提出了更高的要求。分析了高空平臺(tái)通信系統(tǒng)切換問題，從切換判決算法和接入控制策略2個(gè)研究方向，詳細(xì)討論了當(dāng)前準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)高空平臺(tái)通信系統(tǒng)切換技術(shù)的研究現(xiàn)狀。針對(duì)判決切換算法，總結(jié)了傳統(tǒng)切換算法與智能切換算法的特點(diǎn)及存在的不足。針對(duì)接入控制策略，分析了現(xiàn)有算法對(duì)平臺(tái)準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)的適應(yīng)性。最后，對(duì)高空平臺(tái)通信系統(tǒng)切換技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

高空平臺(tái)；準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)；切換；呼叫接入控制

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，切換技術(shù)一直是人們關(guān)注和研究的關(guān)鍵技術(shù)。在目前的陸地蜂窩系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)，切換技術(shù)已較為成熟并成功應(yīng)用。而基于高空平臺(tái)(High Altitude Platform Stations，HAPS)的空基無線通信系統(tǒng)是目前國際上正處于研究階段的新型通信系統(tǒng)[1]，具有系統(tǒng)配置靈活、成本低、鏈路傳播特性良好、可長時(shí)間駐留、能提供大容量、高速通信等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于偏遠(yuǎn)農(nóng)村、海岸線、山脈等地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和災(zāi)區(qū)通信或戰(zhàn)時(shí)通信[2]，得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。受同溫層環(huán)境的影響，HAPS通常處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，即表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi)存在水平偏移、垂直移動(dòng)、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)4種狀態(tài)。準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)嚴(yán)重影響了通信系統(tǒng)的性能，給切換技術(shù)提出了更高的要求。目前關(guān)于高空平臺(tái)通信系統(tǒng)切換技術(shù)的研究并不多，本文詳細(xì)分析總結(jié)了當(dāng)前無線系統(tǒng)和高空平臺(tái)通信系統(tǒng)的切換技術(shù)，包括切換判決算法和接入控制策略，展望了高空平臺(tái)通信系統(tǒng)切換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 高空平臺(tái)通信系統(tǒng)小區(qū)切換問題

在地面無線通信系統(tǒng)中終端從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)相鄰小區(qū)，為了保證通信的連續(xù)性，必須進(jìn)行合理高效的切換，保證切換準(zhǔn)確，降低切換中斷率。高空平臺(tái)通信系統(tǒng)以多波束覆蓋地面區(qū)域[3-4]，通常波束指向角難以伴隨平臺(tái)擾動(dòng)狀態(tài)而實(shí)時(shí)調(diào)整，從而引起覆蓋地面蜂窩區(qū)域動(dòng)態(tài)變化[5]1948。位于小區(qū)邊緣的終端即使處于靜止?fàn)顟B(tài)，為了保證通信不中斷也必須執(zhí)行小區(qū)切換。因此，高空平臺(tái)通信系統(tǒng)引起小區(qū)切換技術(shù)的原因，可能是終端跨越小區(qū)移動(dòng)造成，也可能是平臺(tái)擾動(dòng)。

李樹鋒等[6]研究了平臺(tái)水平移動(dòng)對(duì)HAPS的影響，分析和計(jì)算了平臺(tái)水平移動(dòng)導(dǎo)致的終端在小區(qū)間的切換概率，指出在呼叫持續(xù)時(shí)間內(nèi)平臺(tái)水平移動(dòng)距離越大，小區(qū)內(nèi)平均切換概率越大。Mellyssa等[7]仿真分析了平臺(tái)水平偏移和垂直運(yùn)動(dòng)(Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX)對(duì)通信系統(tǒng)切換性能的影響，指出平臺(tái)位置偏移會(huì)造成切換中斷率和切換時(shí)延增大。Albagory等[8-9]給出了固定波束寬度覆蓋下小區(qū)模型，分析了平臺(tái)旋轉(zhuǎn)對(duì)終端小區(qū)間切換概率的影響，指出旋轉(zhuǎn)對(duì)外層蜂窩影響最大。針對(duì)高空平臺(tái)的碼分多址(Code Division Multiple Access， CDMA)通信系統(tǒng)，文獻(xiàn)[5]1950和文獻(xiàn)[10]從小區(qū)切換和功率控制方面，分析了擺動(dòng)對(duì)CDMA通信系統(tǒng)容量和切換中斷率的影響。

以上文獻(xiàn)研究表明:無論是水平偏移、垂直移動(dòng)、擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)都會(huì)對(duì)切換性能造成不同程度的影響，增加不必要的切換次數(shù)和切換中斷率，同時(shí)對(duì)通信系統(tǒng)本身也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此需要研究高效的切換技術(shù)，主要包括2個(gè)層面：切換判決算法和呼叫接入控制策略。

切換判決算法根據(jù)測(cè)量和估計(jì)的鏈路和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行切換判決，減少不必要的切換次數(shù)，確保切換準(zhǔn)確及時(shí)發(fā)起，避免發(fā)生頻繁切換；接入控制策略則是根據(jù)所采用的策略選擇接納或拒絕切換呼叫請(qǐng)求，保證在切換執(zhí)行時(shí)，接入該呼叫請(qǐng)求盡量不會(huì)對(duì)已接入的用戶產(chǎn)生影響，同時(shí)能夠提高系統(tǒng)資源利用率，降低切換失敗率。

2 切換判決算法

高空平臺(tái)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)是平臺(tái)處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，研究切換算法時(shí)通常需要考慮平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。切換可能是用戶移動(dòng)引起的，也可能是平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的，或者2種共同作用的結(jié)果。雖然高空平臺(tái)有擾動(dòng)的固有特性，但是現(xiàn)有地面無線通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)切換算法仍然值得借鑒。從已有的文獻(xiàn)來看，根據(jù)切換算法考慮的因素可以分為傳統(tǒng)的切換算法和智能切換算法。

2.1 傳統(tǒng)切換算法

1) 基于相對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度切換算法?；谙鄬?duì)接收信號(hào)強(qiáng)度的切換判決算法一般通過檢測(cè)接收的信號(hào)強(qiáng)度并選擇接收相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度最大的接入點(diǎn)執(zhí)行切換。該類算法主要有4種方法：相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度(Relative Signal Strength，RSS)、設(shè)置門限的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度(Relative Signal Strength with Threshold，RSST)、帶滯后余量的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度(Relative Signal Strength with Hysteresis，RSSH)，以及帶門限和滯后余量相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度(Relative Signal Strength with Threshold and Hysteresis，RSSTH)。目前普遍采用的是后2種方法。RSSH切換算法，只有相鄰小區(qū)的RSS比服務(wù)小區(qū)的RSS高出一定的滯后余量(用H表示滯后余量)時(shí)，才進(jìn)行切換。RSSTH切換算法，只有當(dāng)相鄰小區(qū)的RSS比服務(wù)小區(qū)的RSS高出一定的滯后余量，同時(shí)服務(wù)小區(qū)的RSS下降到一定門限(用T表示門限)時(shí)進(jìn)行切換[11]。這2種方法的性能取決于H和T的大小，太大的H會(huì)導(dǎo)致通信中斷；相反過小，則會(huì)產(chǎn)生不必要的切換。同樣T太大會(huì)增加切換時(shí)延，太小同樣會(huì)造成不必要的切換。這類方法實(shí)現(xiàn)簡單，但滯后余量和門限的設(shè)置通常為固定值，難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的變化。Chen等[12]提出了自適應(yīng)滯后余量的切換算法，根據(jù)移動(dòng)終端的移動(dòng)速度動(dòng)態(tài)調(diào)整切換滯后余量和檢測(cè)周期，有效減少了切換中斷概率。

2) 基于位置信息的切換算法。當(dāng)移動(dòng)終端處于小區(qū)間重疊覆蓋區(qū)域，并將要超出原服務(wù)小區(qū)的覆蓋范圍時(shí)會(huì)發(fā)生切換，這也是最普遍意義上的切換，因此可以考慮將位置信息作為判決條件。位置信息包括GPS或北斗提供的小區(qū)精確位置信息、小區(qū)覆蓋區(qū)域位置、終端到小區(qū)中心的距離等。此外，可以利用預(yù)測(cè)方法估計(jì)用戶終端的位置信息。這些位置信息有助于對(duì)小區(qū)覆蓋范圍、小區(qū)拓?fù)浼坝脩艟嚯x小區(qū)中心距離較為全面的了解。由于切換總是發(fā)生在小區(qū)邊緣區(qū)域，考慮位置信息可以提高切換判決的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。Liu等[13]通過計(jì)算接收信號(hào)強(qiáng)度的變化來估計(jì)終端移動(dòng)的距離，并設(shè)置了切換門限，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度大小和終端移動(dòng)距離進(jìn)行切換判決，有效減小了不必要的切換。宋莉等[14]利用導(dǎo)頻信號(hào)接收強(qiáng)度測(cè)量值和移動(dòng)終端速度估計(jì)值，提出了對(duì)滯后余量和平均窗口長度進(jìn)行自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整的切換算法，降低了鏈路衰落率和切換時(shí)延，避免了不必要的切換，對(duì)高速終端具有較好的適應(yīng)性。李樹鋒等[15]63研究了平臺(tái)不同維度運(yùn)動(dòng)對(duì)通信系統(tǒng)切換的影響，地理位置信息輔助的切換算法，但只針對(duì)平臺(tái)水平移動(dòng)。

3) 基于移動(dòng)性或速度的切換算法。如果用戶快速移動(dòng)，切換中斷率會(huì)由于切換不及時(shí)而增加；如果用戶速度較慢，不必要的切換次數(shù)由于切換過早而增大。因此，考慮移動(dòng)速度或者預(yù)測(cè)速度可以減少上述情況的發(fā)生。李大成[16]從提高切換準(zhǔn)確率的角度考慮，提出了基于移動(dòng)路徑預(yù)測(cè)的均衡切換策略。根據(jù)現(xiàn)有的位置信息，通過牛頓插值法預(yù)測(cè)出終端的運(yùn)動(dòng)路徑，使得切換目標(biāo)小區(qū)更加準(zhǔn)確，提升切換性能。Ulvan等[17]將移動(dòng)性預(yù)測(cè)作為切換判決過程的一種重要參數(shù)，通過用戶終端當(dāng)前的位置和速度預(yù)測(cè)下一時(shí)刻即將發(fā)生切換的位置，從而減少切換次數(shù)。

2.2 智能切換算法

在通信系統(tǒng)中與切換相關(guān)的參數(shù)較多，通過多個(gè)參數(shù)聯(lián)合判決的切換算法，可以提高切換準(zhǔn)確性。目前以基于模糊邏輯和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多屬性判決算法居多，還有基于學(xué)習(xí)算法的切換判決算法。

1) 基于模糊邏輯的切換判決算法。切換通常受環(huán)境因素影響較大，難于精確描述，而模糊邏輯對(duì)表達(dá)界限不清晰的定性知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)表現(xiàn)良好，因此可以用模糊邏輯的方法提高切換準(zhǔn)確性。Dhand等[18]利用模糊控制器來優(yōu)化切換性能，相比于信號(hào)強(qiáng)度切換算法，該方法能根據(jù)動(dòng)態(tài)環(huán)境自適應(yīng)調(diào)整切換門限和滯后余量，消除了通信中斷效應(yīng)。Singh等[19]采用模糊邏輯方法解決切換問題，與傳統(tǒng)的利用信號(hào)強(qiáng)度切換算法相比，減小了切換引起的乒乓效應(yīng)，同時(shí)優(yōu)化了切換代價(jià)。Monil和 Kaur等[20-21]充分考慮了信號(hào)強(qiáng)度、小區(qū)負(fù)載、終端與基站的距離、移動(dòng)終端速度與方向以及信號(hào)干擾比多個(gè)因素，提出模糊邏輯切換算法，避免了不必要的切換和乒乓效應(yīng)。

2) 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的切換判決算法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備處理大量數(shù)據(jù)的能力，可以改善切換算法的性能。Munoz等[22]考慮多個(gè)因素，如信號(hào)強(qiáng)度、誤碼率等，驗(yàn)證了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理切換問題的可行性。Alsamhi等[23-24]充分考慮平臺(tái)移動(dòng)距離、信號(hào)強(qiáng)度、小區(qū)負(fù)載、用戶性能、移動(dòng)終端速度方向以及可用功率和帶寬等，采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出一種智能切換算法，降低了切換掉話率，同時(shí)有效避免了乒乓效應(yīng)。

3) 基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的切換判決算法。強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法通過不斷與環(huán)境交互獲得一個(gè)優(yōu)化策略，能夠適應(yīng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，具有較強(qiáng)的魯棒性。Becvar等[25]提出了基于Q學(xué)習(xí)信道質(zhì)量預(yù)測(cè)的切換算法，根據(jù)切換完成時(shí)刻用戶與目標(biāo)小區(qū)信道質(zhì)量的預(yù)測(cè)值決定是否發(fā)起切換，以降低切換失敗概率。其中，預(yù)測(cè)誤差通過Q學(xué)習(xí)算法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同環(huán)境下信道質(zhì)量的變化。Tabrizi等[26-27]提出一種最大化用戶體驗(yàn)的動(dòng)態(tài)切換算法，系統(tǒng)狀態(tài)包括延遲、可用比特率、信號(hào)強(qiáng)度指示，并且假定用戶可以從環(huán)境中獲取這些參數(shù)，將用戶體驗(yàn)作為回報(bào)函數(shù)，根據(jù)最大化用戶體驗(yàn)來判決切換。

2.3 切換算法比較

雖然上述2類切換算法對(duì)于切換問題提出了有效的解決方案，但在切換性能、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等方面差異較大，表1總結(jié)了2類算法的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

通過對(duì)比可以看出:傳統(tǒng)切換算法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，易于工程實(shí)現(xiàn)，但切換性能受平臺(tái)擾動(dòng)的影響較大，特別是平臺(tái)姿態(tài)擾動(dòng)情況下，切換算法的性能較差;智能切換算法由于考慮多種影響切換的因素，能夠消除乒乓切換、降低切換次數(shù)，適合于解決平臺(tái)擾動(dòng)條件下的切換問題，但是算法的復(fù)雜度較高。

因此，基于傳統(tǒng)切換算法的研究方向是在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的條件下盡量提高系統(tǒng)的切換性能，而智能切換算法的研究方向是在不降低系統(tǒng)性能的前提下降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。在實(shí)際通信系統(tǒng)應(yīng)用中選擇切換判決算法時(shí)，需要在切換性能與算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度之間折中。

表1 不同切換算法比較

3 呼叫接入控制策略

考慮到高空平臺(tái)通信系統(tǒng)有限的可用資源及用戶和平臺(tái)的移動(dòng)性，如何為用戶提供服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)保證一直是研究重點(diǎn)。而呼叫接入控制策略則是保證QoS的關(guān)鍵技術(shù)。呼叫接入控制也稱作接納控制或呼叫允許控制(Call Admission Control，CAC)，即在保證用戶服務(wù)質(zhì)量要求的前提下，接入控制決定系統(tǒng)是否接受新用戶呼叫和切換用戶呼叫。合適的接入控制策略可以保證切換用戶能夠順利完成切換，降低切換中斷概率，同時(shí)提高系統(tǒng)資源利用率。從目前的研究策略來看，根據(jù)是否考慮平臺(tái)動(dòng)態(tài)特性，可分為不考慮平臺(tái)特性的策略和考慮平臺(tái)特性的策略。

3.1 不考慮平臺(tái)特性的策略

與地面移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)一樣，高空平臺(tái)通信系統(tǒng)同樣面臨資源受限，對(duì)于新到達(dá)的呼叫請(qǐng)求和切換呼叫請(qǐng)求，以何種方式分配信道資源，保證用戶QoS，同時(shí)能保證切換用戶的性能，提高系統(tǒng)資源利用率，是接入控制策略的關(guān)鍵所在。已有的切換策略主要有以下3類。

_3.1.1 切換優(yōu)先策略

一般情況下用戶對(duì)新呼叫阻塞容忍性要比切換中斷高得多，因此為了降低切換中斷概率，通常對(duì)于優(yōu)先處理切換業(yè)務(wù)，主要包括切換信道預(yù)留和切換排隊(duì)優(yōu)先2種策略。

1)切換信道預(yù)留策略。為了降低切換中斷概率，為切換用戶預(yù)留專用信道。信道預(yù)留包括固定信道預(yù)留和自適應(yīng)信道預(yù)留。固定信道預(yù)留策略預(yù)留C-CG(C為系統(tǒng)內(nèi)總信道數(shù))個(gè)信道供切換用戶專用，而前CG個(gè)信道則由切換用戶與新呼叫接入用戶共享，系統(tǒng)內(nèi)占用信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖1所示，其中λn為新呼叫到達(dá)率，λh為切換呼叫到達(dá)率，μ為平均服務(wù)時(shí)間。當(dāng)新的呼叫請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，如果業(yè)務(wù)請(qǐng)求信道與當(dāng)前系統(tǒng)占用信道之和小于等于CG，則接入該業(yè)務(wù)，否則拒接該業(yè)務(wù)；當(dāng)切換呼叫請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，如果業(yè)務(wù)請(qǐng)求信道與當(dāng)前系統(tǒng)占用信道之和小于等于C，則接入該業(yè)務(wù)，否則拒接該業(yè)務(wù)[28]。因此預(yù)留信道數(shù)的大小直接決定了系統(tǒng)的性能，但較大的預(yù)留信道數(shù)會(huì)降低系統(tǒng)的資源利用率。

圖1 固定信道預(yù)留策略狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

自適應(yīng)信道預(yù)留通常根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)以一定的概率接入新呼叫業(yè)務(wù)，為切換呼叫動(dòng)態(tài)預(yù)留信道，避免預(yù)留信道不足造成切換中斷，或預(yù)留信道過多造成系統(tǒng)資源利用率下降。Wu等[29]提出了設(shè)定切換中斷概率門限的信道預(yù)留方案，當(dāng)切換中斷概率達(dá)到預(yù)定門限時(shí)再進(jìn)行預(yù)留信道。這樣可以在負(fù)載較重的情況下，保證切換中斷概率，同時(shí)降低新呼叫阻塞概率。Liu等[30]提出了一種準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)下軟切換的自適應(yīng)門限容量預(yù)留算法，通過一種預(yù)測(cè)機(jī)制，切換呼叫可根據(jù)當(dāng)前小區(qū)的潛在業(yè)務(wù)載荷動(dòng)態(tài)地調(diào)整切換門限，從而降低阻塞概率和中斷概率。Rouzbehani等[31]提出了一種模糊邏輯控制的動(dòng)態(tài)信道分配方案，給予切換用戶較高的優(yōu)先級(jí)，并動(dòng)態(tài)預(yù)留保護(hù)信道數(shù)，能夠保證較低的呼叫阻塞概率，同時(shí)保證較好的服務(wù)等級(jí)。

2) 切換排隊(duì)優(yōu)先策略。在信道預(yù)留的基礎(chǔ)上，對(duì)切換業(yè)務(wù)進(jìn)行排隊(duì)，進(jìn)一步降低切換業(yè)務(wù)中斷概率，獲得較高的切換性能[32]。假定切換排隊(duì)隊(duì)列長度為Cq,用戶切換排隊(duì)平均等待時(shí)間為μq，系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。與信道預(yù)留策略相比，只是在系統(tǒng)滿負(fù)載(狀態(tài)為C)情況下，對(duì)切換請(qǐng)求業(yè)務(wù)進(jìn)行排隊(duì)，等待系統(tǒng)有空閑的資源時(shí)再接入，而不是直接拒絕，因此對(duì)于切換業(yè)務(wù)的接入成功率更高，但是同時(shí)也增加了新呼叫請(qǐng)求用戶的阻塞概率。此外，較短的切換排隊(duì)長度對(duì)切換業(yè)務(wù)性能的提升有限,該策略對(duì)時(shí)延要求較高的業(yè)務(wù)適應(yīng)性差。

圖2 切換排隊(duì)優(yōu)先策略狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3.1.2 保證業(yè)務(wù)QoS的策略

保證業(yè)務(wù)QoS的策略是以業(yè)務(wù)的QoS參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)的接入控制策略。對(duì)用戶而言，只有QoS級(jí)別達(dá)到一定的要求，服務(wù)才可能被接受。通常用戶業(yè)務(wù)QoS參數(shù)主要包括業(yè)務(wù)的分組等待時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)、信息傳輸速率、丟包率等。Tsiropoulos等[33]提出了區(qū)分用戶業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的接入控制策略，考慮實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)2種業(yè)務(wù)，對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)設(shè)置較高的優(yōu)先級(jí)，對(duì)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)則以一定的概率α接入。其中，α的取值范圍為(0,1]，并隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的上升而減小。因此當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載上升時(shí)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)比非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)具有更高的優(yōu)先級(jí)接入系統(tǒng)。Khanjari等[34]在所有級(jí)別業(yè)務(wù)共享帶寬的條件下，提出一種基于最大最小公平策略的資源分配策略，通過帶寬降級(jí)和帶寬升級(jí)以及不同業(yè)務(wù)呼叫優(yōu)先級(jí)來保證各業(yè)務(wù)的QoS。因此，保證業(yè)務(wù)QoS的策略能區(qū)分QoS要求不同的業(yè)務(wù)，為了保證高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)較高的接入概率，會(huì)造成部分系統(tǒng)資源浪費(fèi)。

_3.1.3 最大化系統(tǒng)收益策略

最大化系統(tǒng)收益策略是從系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)段來考慮接入控制問題，同時(shí)兼顧業(yè)務(wù)QoS要求。一般根據(jù)業(yè)務(wù)的某種QoS參數(shù)或多個(gè)QoS參數(shù)的組合，建立傳輸業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)或網(wǎng)絡(luò)收益因子，網(wǎng)絡(luò)效用或網(wǎng)絡(luò)收益同時(shí)與網(wǎng)絡(luò)中的資源利用相關(guān)，具有不同QoS參數(shù)的業(yè)務(wù)在接入到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)所能為網(wǎng)絡(luò)帶來的效用或者收益是不同的[35]。最大化當(dāng)前系統(tǒng)總的網(wǎng)絡(luò)效用或收益，滿足已接入業(yè)務(wù)的QoS要求，同時(shí)提高系統(tǒng)資源利用率。Chowdhary等[36]提出基于網(wǎng)絡(luò)收益的接入控制策略，通過計(jì)算不同類型業(yè)務(wù)能夠帶來的網(wǎng)絡(luò)收益，選擇收益最大的業(yè)務(wù)優(yōu)先接入網(wǎng)絡(luò)中。該方法能夠確保接入業(yè)務(wù)的QoS同時(shí)使得網(wǎng)絡(luò)收益最大，但在一定程度上增加了低優(yōu)先級(jí)用戶的阻塞概率；此外僅從當(dāng)前接入業(yè)務(wù)考慮網(wǎng)絡(luò)的收益，沒有從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)考慮收益最大化，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)接入請(qǐng)求用戶到達(dá)率變化較大的場(chǎng)景，性能會(huì)變差。

3.2 考慮平臺(tái)特性的策略

1) 基于平臺(tái)多波束覆蓋特性的接入策略。Grace等[37]研究了高空平臺(tái)多波束功率衰減逼近函數(shù)，指出相對(duì)于地面無線通信系統(tǒng)，高空平臺(tái)多波束天線覆蓋小區(qū)的重疊區(qū)域干擾較小，可以利用重疊區(qū)域提高系統(tǒng)的性能。此外還分析了高空平臺(tái)通信系統(tǒng)中信道分配策略，利用蜂窩間的重疊區(qū)提升系統(tǒng)的呼叫阻塞性能，增加系統(tǒng)的靈活性[38]。李樹鋒等[15]67提出重疊區(qū)域輔助確保切換策略，除了利用高空平臺(tái)和用戶位置信息之外，還利用蜂窩之間的重疊區(qū)來協(xié)助判定并阻塞可能引起切換失敗的新呼叫，獲得近乎于零的切換掉話率。

2) 基于平臺(tái)位置姿態(tài)信息的接入策略。利用平臺(tái)的位置姿態(tài)信息可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋有更全面的了解，因此根據(jù)平臺(tái)動(dòng)態(tài)信息可以獲得更好的網(wǎng)絡(luò)性能。平臺(tái)在擺動(dòng)狀態(tài)時(shí)，會(huì)造成小區(qū)邊緣用戶來回切換問題，游思晴等[39]對(duì)于CDMA高空平臺(tái)通信系統(tǒng)在平臺(tái)擺動(dòng)情況下的性能，提出在小區(qū)邊緣用戶采用2個(gè)基站同時(shí)接收的接入控制方案，來避免“乒乓切換”;還提出了高空平臺(tái)蜂窩系統(tǒng)與地面蜂窩融合解決平臺(tái)擺動(dòng)的影響，即將平臺(tái)覆蓋蜂窩中心恰好處在地面蜂窩六邊形的頂點(diǎn)上，用地面蜂窩中心來接收平臺(tái)小區(qū)邊緣用戶數(shù)據(jù)，減少切換次數(shù)[40]，但是這種方法需要地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的配合。蔣靜雅等[41]針對(duì)此問題，提出區(qū)分用戶優(yōu)先級(jí)的信道預(yù)留和切換排隊(duì)相結(jié)合的信道分配算法，該策略能夠顯著降低切換掉話率，尤其是高優(yōu)先級(jí)用戶的切換掉話率，補(bǔ)償了因平臺(tái)擺動(dòng)所導(dǎo)致的系統(tǒng)性能損失。李樹鋒[42]借鑒了低軌道(LowEarthOrbit,LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中基于地理位置信息的呼叫允許控制，設(shè)計(jì)了一種適用于高空平臺(tái)移動(dòng)情況下的呼叫允許控制算法，通過利用地理位置信息精確地判斷切換時(shí)刻，并根據(jù)切換時(shí)刻進(jìn)行精確的信道預(yù)留，降低了系統(tǒng)的呼叫阻塞性能。管明祥等[43]通過檢測(cè)高空平臺(tái)與用戶間收發(fā)鏈路通信距離來進(jìn)行無線信道分配，解決高空平臺(tái)通信中負(fù)載不均等造成的無線資源無法滿足用戶需求的問題，仿真驗(yàn)證了該方法無須估計(jì)，提高了信道利用率。

不考慮平臺(tái)特性的接入控制策略，沒有考慮平臺(tái)擾動(dòng)帶來的小區(qū)內(nèi)切換呼叫到達(dá)率大范圍變化的影響，無法確保切換用戶的性能。相比于不考慮平臺(tái)特性的策略，考慮平臺(tái)動(dòng)態(tài)特性的策略，有效降低切換呼叫中斷概率，更適合于處理高空平臺(tái)通信系統(tǒng)切換呼叫請(qǐng)求，但一般只針對(duì)某一類場(chǎng)景，如平臺(tái)位置擾動(dòng)[42-43]或擺動(dòng)[39,41]條件下，而且還需要平衡系統(tǒng)其他參數(shù)。同時(shí)適應(yīng)平臺(tái)位置和姿態(tài)擾動(dòng)的接入控制策略還有待進(jìn)一步研究。

4 高空平臺(tái)通信系統(tǒng)切換技術(shù)展望

高空平臺(tái)通信系統(tǒng)性能受限于平臺(tái)本身的準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，合理高效的切換判決和接入控制策略，可以顯著提高通信系統(tǒng)的性能。

1) 設(shè)計(jì)準(zhǔn)確高效的切換判決算法。用戶的隨機(jī)移動(dòng)和高空平臺(tái)固有的準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)給切換判決算法提出了更高的要求，傳統(tǒng)的考慮單個(gè)因素的切換判決算法顯然難以勝任，而智能切換算法為切換提供新的思路，通過智能算法將平臺(tái)擾動(dòng)參數(shù)以及其他影響切換性能的參數(shù)與切換判決建立相應(yīng)的聯(lián)系，能夠保證切換性能，但如何權(quán)衡性能參數(shù)與其所付出的代價(jià)仍然是今后研究的重點(diǎn)。

2) 合理的接入控制策略。隨著業(yè)務(wù)多樣性和移動(dòng)性的要求，接入控制策略不僅需要滿足不同業(yè)務(wù)的QoS，還需要在此基礎(chǔ)上提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，平衡切換中斷率和新呼叫阻塞概率。將平臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性作為約束條件或考慮因素，系統(tǒng)或用戶性能參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，可以顯著改善系統(tǒng)的性能。但優(yōu)化某一性能參數(shù)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)其他性能產(chǎn)生一定影響。綜合考慮多個(gè)性能參數(shù)，平衡各性能參數(shù)是未來研究的重點(diǎn)方向所在，但同時(shí)還要考慮算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

3) 聯(lián)合切換判決與接入控制策略。單一的切換判決算法或接入控制策略只能提升系統(tǒng)部分性能，只有切換判決與接入控制策略相互配合才能確保切換順利完成。將切換判決算法與接入控制策略綜合考慮，可以減少不必要的參數(shù)，確保切換過程的成功率，有效提高系統(tǒng)性能[44]，能夠減小平臺(tái)擾動(dòng)對(duì)切換算法的影響。針對(duì)平臺(tái)多維度擾動(dòng)的影響，考慮到學(xué)習(xí)算法能夠適應(yīng)場(chǎng)景變化，結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法研究切換問題是提高切換性能的研究方向。

5 結(jié) 束 語

雖然高空平臺(tái)通信系統(tǒng)相對(duì)于地面移動(dòng)通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是平臺(tái)的穩(wěn)定性仍然是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵因素，切換技術(shù)的好壞直接影響到切換時(shí)延、切換頻率、資源利用率、切換中斷率、呼叫阻塞率等指標(biāo)，進(jìn)而影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的系能。合理的切換判決算法和接入控制策略則可以降低通信系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定的要求，為高空平臺(tái)通信系統(tǒng)盡早進(jìn)入實(shí)用階段提供技術(shù)支撐。

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(編輯：李江濤)

Overview of Cell Handover Technique in High AltitudePlatform Communication System

HE Panfeng1， CHENG Naiping2

(1. Department of Graduate Management， Equipment Academy， Beijing 101416， China；2. Department of Optical and Electronic Equipment， Equipment Academy， Beijing 101416， China)

The quasi-stationary state of high-altitude platform caused by strong winds in the stratosphere has severe impact on the performance of the communication system, and puts forward higher requirements for the handover technique. This paper analyzes the handover problem of the high altitude platform communication system. In two research directions of switching decision algorithm and access control strategy, the paper discusses current studies on the quasi-static high-altitude platform communication system handover technology in detail. As to handoff algorithm, the paper concludes the characteristics and deficiencies of conventional algorithm and intelligent handoff algorithm. With regard to access control strategy, the paper analyzes the adaptability of the existing algorithm to the quasi-stationary state of the platform. In the end, the paper forecasts the development direction of high-altitude platform communication system handover technology.

high altitude platform; quasi-stationary state; switching; call access control

2016-09-27

國家“863計(jì)劃”資助項(xiàng)目(2015AA7011071)

何攀峰(1986—)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線通信網(wǎng)絡(luò)。Hepanfeng01@126.com 程乃平，男，教授，博士生導(dǎo)師。

TN929.5

2095-3828(2017)01-097-08

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2017.01.018