桂毅恒，朱立東

(電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都611731)

0 引言

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍較大、機(jī)動性強(qiáng)以及組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。由于能夠解決罕無人煙、通信不發(fā)達(dá)地區(qū)的移動通信問題，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)被看作地面移動通信系統(tǒng)的擴(kuò)展而被重視，是全球移動通信的重要組成部分[1]。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，常用的是圓形軌道，根據(jù)衛(wèi)星軌道高度可將其分為低軌(LEO)衛(wèi)星系統(tǒng)、中軌(MEO)衛(wèi)星系統(tǒng)及靜止軌道(GEO)衛(wèi)星系統(tǒng)。GEO的軌道高度為35 786 km[2]。一般來說，一顆GEO衛(wèi)星即可以覆蓋地球表面的1/3左右，3顆GEO衛(wèi)星即可有效覆蓋除兩極地區(qū)以外的所有地球表面[2]。每顆衛(wèi)星使用多波束天線進(jìn)行覆蓋，每個(gè)波束將形成一個(gè)小區(qū)，因此地球表面將由同一衛(wèi)星的不同波束以及不同衛(wèi)星的不同波束完全覆蓋，而衛(wèi)星的移動以及部分用戶終端的移動，會導(dǎo)致用戶在不同波束覆蓋區(qū)域之間使用，由此必將導(dǎo)致接入切換問題。

衛(wèi)星波束切換的問題是無線移動通信系統(tǒng)中的重要技術(shù)之一[1]。波束切換性能的好壞直接影響到用戶的服務(wù)質(zhì)量(QoS)與通信系統(tǒng)的具體性能。呼叫在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中進(jìn)行接入與切換需要考慮信道是否可接入，因此信道分配問題是接入與切換技術(shù)的研究中一個(gè)重要方向，信道分配策略可以分為波束間信道分配及波束內(nèi)信道分配問題，波束間信道分配涉及到一顆衛(wèi)星對于每個(gè)波束進(jìn)行信道數(shù)量的分配，波束內(nèi)信道分配主要是對波束覆蓋范圍內(nèi)的終端進(jìn)行信道分配。

本文基于中星16號衛(wèi)星的具體波束覆蓋情況研究機(jī)載模型波束切換問題，在實(shí)際的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，除了機(jī)載終端外，還應(yīng)有其他各種用戶終端與機(jī)載終端一起占用信道資源，因此在接入切換問題中，需要對不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先程度進(jìn)行合理劃分，對不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)進(jìn)行波束內(nèi)信道分配。

1 衛(wèi)星覆蓋模型

對于在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星位于地球上空，因此與地面系統(tǒng)的基站不同，地形的不同不會對其覆蓋造成影響。單顆衛(wèi)星天線的覆蓋范圍與最小仰角及衛(wèi)星高度等因素有關(guān)[3]。

(1)

衛(wèi)星的覆蓋半徑X為：

X=Re·sinα；

(2)

衛(wèi)星的覆蓋面積為：

A=2π·Re2·(1-cosα)。

(3)

圖1 圓軌道衛(wèi)星覆蓋特性示意圖

中星16號衛(wèi)星設(shè)計(jì)有26個(gè)用戶點(diǎn)波束，總體覆蓋我國除西北、東北的大部分陸地和近海近200 km海域，各點(diǎn)波束均被視為圓形，每個(gè)點(diǎn)波束之間的交疊區(qū)域遵從最小交疊原則[4]，其波束覆蓋情況如圖2所示。

圖2 中星16號衛(wèi)星的波束分布情況

本文是基于民用機(jī)載終端的波束切換，在考慮具體切換情形時(shí)，應(yīng)提出合適的運(yùn)動模型。鑒于中星16號衛(wèi)星的波束覆蓋情況，考慮飛機(jī)飛行航線時(shí)，應(yīng)將起止點(diǎn)盡量設(shè)定在波束覆蓋區(qū)域以內(nèi)。故選取飛機(jī)的起點(diǎn)與終點(diǎn)為全國除東北、新疆、西藏、海南及臺灣等地的省會城市或直轄市，共計(jì)25個(gè)城市。

通過查閱飛機(jī)航線，對需要進(jìn)行的飛機(jī)航線仿真做以下規(guī)定：

① 設(shè)定仿真的總時(shí)間維為7 200 s，即2 h；

② 設(shè)定飛機(jī)總數(shù)為70架。考慮國內(nèi)機(jī)場的實(shí)際運(yùn)行情況，假設(shè)在仿真的總時(shí)間內(nèi)，每900 s，即每15 min有一批飛機(jī)從上述25個(gè)城市之一起飛，飛向另一不同城市；

③ 對于我國一般的民用飛機(jī)，其飛行的高度一般在地表上方8～12 km處，平穩(wěn)飛行時(shí)速度在580～1 080 km/h。

常見的民用移動終端按照速度從慢到快來統(tǒng)計(jì)有手持機(jī)終端、船載終端、車載終端、高鐵終端及機(jī)載終端等，由于本系統(tǒng)中衛(wèi)星單波束覆蓋面積較大，為了更好地討論切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可以盡量選擇移動速度較快的終端，因此對于手持機(jī)終端，本系統(tǒng)不做考慮。另一方面，相對飛機(jī)和高鐵用戶，輪船與車輛的速度較小，同時(shí)它們二者之間的速度也較為接近，所以將輪船終端與車載終端統(tǒng)一為一類用戶提供衛(wèi)星通信服務(wù)。

除機(jī)載終端外，選取高鐵終端、車載與船載終端作為研究對象。其他航線的仿真與飛機(jī)航線的仿真部分較為接近，其區(qū)別為：① 行駛速度不同，高鐵行駛速度為180～280 km/h，汽車與輪船行駛速度為20～50 km/h；② 數(shù)量不同，飛機(jī)數(shù)量為70架，而高鐵的數(shù)量為80列，汽車與輪船的總數(shù)為90艘。

本文主要針對的是機(jī)載終端的研究，在優(yōu)先級設(shè)置上，首先劃分3個(gè)優(yōu)先級，按照移動速度對多類型用戶的優(yōu)先程度進(jìn)行劃分。將機(jī)載終端設(shè)置為最高優(yōu)先級，高鐵終端設(shè)置為次高優(yōu)先級，車載和船載終端設(shè)置為最低優(yōu)先級。顯然，優(yōu)先級越高，要求的服務(wù)質(zhì)量越高。表1給出了飛機(jī)飛行參數(shù)。

表1 飛機(jī)飛行參數(shù)設(shè)置

2 信道資源分配

2.1 典型信道分配策略

2.1.1 無優(yōu)先策略

無優(yōu)先策略[5-6]是指將新呼叫與切換呼叫同等對待，呼叫到達(dá)時(shí)，一個(gè)新呼叫接入成功的概率與一個(gè)切換成功的概率相同，2種呼叫均根據(jù)呼叫的先后順序共同競爭使用系統(tǒng)所有信道資源。

2.1.2 信道預(yù)留策略

在通信服務(wù)中，對于一個(gè)完整的呼叫來說，呼叫中斷比起一開始呼叫就未接入更讓人難以接受，為了使切換呼叫更好地接入系統(tǒng)，提出了信道預(yù)留策略[7-8]。該策略是預(yù)留小區(qū)中的一部分信道只為切換呼叫提供服務(wù)，而其余信道為新呼叫和切換呼叫公平競爭使用。假設(shè)一個(gè)波束覆蓋小區(qū)內(nèi)一共有C個(gè)信道，其中預(yù)留K個(gè)信道為切換專用，剩余(C-K)個(gè)信道為新呼叫和切換呼叫共同競爭使用。

信道預(yù)留策略分為固定預(yù)留和動態(tài)預(yù)留2種。固定信道預(yù)留策略事先將波束中的一部分信道預(yù)留出來，專門為切換呼叫提供服務(wù)。該策略的優(yōu)點(diǎn)是能夠?yàn)榻档颓袚Q失敗率提供保證，但隨著切換失敗率的降低，顯而易見新呼叫的阻塞率會升高，因此，隨后提出了動態(tài)信道預(yù)留策略。自適應(yīng)信道預(yù)留策略除了保證了較低的切換失敗率，同時(shí)也能在一定程度上降低新呼叫阻塞率，對于動態(tài)信道預(yù)留策略而言，其保護(hù)信道的數(shù)目是可變的，該策略主要依賴2個(gè)因素：① 優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶的移動規(guī)律估計(jì)它要切換到哪一個(gè)小區(qū)；② 相鄰波束小區(qū)中被占用的信道資源數(shù)目以及產(chǎn)生呼叫的用戶所在的位置。

2.1.3 排隊(duì)策略

由于信道預(yù)留策略[9-10]降低了新呼叫接入成功率，為了盡量提高新呼叫接入成功率，提出了一種針對新呼叫的排隊(duì)策略。對于排隊(duì)策略，一旦目標(biāo)小區(qū)中沒有可用的信道資源，那么未被切換的用戶呼叫就會進(jìn)入切換排隊(duì)隊(duì)列進(jìn)行等候，同時(shí)會設(shè)定一個(gè)最大等待時(shí)間門限，如果超過門限而未得到系統(tǒng)分配到的可用信道資源，則判定為切換失敗。

2.2 多優(yōu)先級用戶終端信道預(yù)留策略

基于中星16號衛(wèi)星的波束切換策略研究，其應(yīng)用場景多種多樣，機(jī)載、船載、車載及手持終端等均希望可以得到該網(wǎng)絡(luò)的通信服務(wù)，而不同的呼叫對于通信服務(wù)質(zhì)量的需求是不同的。因此，對于各種不同的終端進(jìn)行其呼叫的接入、切換考慮時(shí)，根據(jù)各自不同的呼叫服務(wù)需求進(jìn)行優(yōu)先級排序，優(yōu)先級越高，考慮其服務(wù)質(zhì)量需求更高?？紤]信道預(yù)留的方法，對于每一種呼叫類型及其切換呼叫類型進(jìn)行可接入信道數(shù)門限值的設(shè)定，而根據(jù)門限值是否可以動態(tài)變化，分為固定信道預(yù)留策略與動態(tài)信道預(yù)留策略。

假設(shè)一個(gè)波束覆蓋小區(qū)下一共有C個(gè)信道，在該覆蓋范圍內(nèi)一共有s種呼叫類型，根據(jù)呼叫類型劃分為s個(gè)優(yōu)先級，表示為S=1,2,…,s。每個(gè)類型的呼叫根據(jù)是否為新產(chǎn)生的分為新呼叫和切換呼叫，考慮切換呼叫比新呼叫的優(yōu)先級高，因此設(shè)定2s門限值，表示為K=k1,k'1,k2,k'2,…,ks,k's,0≤k1≤k'1≤k2≤k'2≤…≤ks≤k's≤C。一般考慮小區(qū)信道利用率盡量大，設(shè)定k's=C。當(dāng)一個(gè)呼叫i需要接入時(shí)，若該呼叫為新呼叫，當(dāng)空閑信道數(shù)低于門限值ki時(shí)，可以成功接入，否則失?。蝗粼摵艚袨榍袚Q呼叫，當(dāng)空閑信道數(shù)低于門限值k'i時(shí)，可以成功切換，否則失敗。

2.2.1 無優(yōu)先級策略

無優(yōu)先級策略不考慮切換呼叫與新呼叫對于服務(wù)質(zhì)量影響的差異性，將切換呼叫和新呼叫同等對待，另一方面，它也會無視用戶的優(yōu)先級，對所有類型的用戶進(jìn)行無差別的呼叫接入與切換。如果某一時(shí)刻，波束小區(qū)內(nèi)沒有空閑信道資源，那么用戶新呼叫和切換呼叫都不能被接入。其仿真流程如圖3所示。

圖3 無優(yōu)先級策略流程圖

2.2.2 多優(yōu)先級固定信道預(yù)留

多優(yōu)先級固定信道預(yù)留與固定信道預(yù)留策略類似，將門限值K提前設(shè)定好，不考慮不同時(shí)期的通信量問題，K在之后的運(yùn)行過程中不再進(jìn)行改變。該策略流程如圖4所示。

2.2.3 多優(yōu)先級動態(tài)信道預(yù)留

固定信道預(yù)留策略由于設(shè)定的信道門限值K不變，所以在2種情況下，它的呼叫接入失敗率和系統(tǒng)性能都會受到極大影響：① 某一種類型的用戶呼叫較多，其他類的用戶呼叫較少；② 新呼叫或切換呼叫較多，而與之相對的呼叫較少。為了提高系統(tǒng)性能，設(shè)計(jì)了一種動態(tài)信道預(yù)留策略，通過計(jì)算實(shí)時(shí)各類型的新呼叫阻塞率和切換呼叫失敗率，與給定的切換呼叫失敗率門限值Ui相比較，在滿足優(yōu)先級較高的呼叫切換成功率的情況下，設(shè)定不同的K值，該策略的仿真流程如圖5所示。

圖4 多優(yōu)先級固定信道預(yù)留策略流程圖

圖5 多優(yōu)先級固定信道預(yù)留策略流程圖

另外，考慮更好的通信質(zhì)量，需要對系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。定義服務(wù)質(zhì)量QoS受新呼叫接入阻塞率以及切換失敗率影響，公式如下：

(4)

式中，α0,α1分別為新呼叫與切換呼叫在服務(wù)質(zhì)量中的權(quán)重系數(shù)，βii=1,2,…,s為每個(gè)優(yōu)先級對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。由于該服務(wù)質(zhì)量由接入阻塞率以及切換失敗率構(gòu)成，所以對應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量數(shù)值越低，其服務(wù)質(zhì)量越高。

3 仿真結(jié)果及分析

在該場景中仿真，中星16號衛(wèi)星軌道高度36 000 km左右,含26個(gè)波束覆蓋小區(qū)，每個(gè)波束相對于用戶的覆蓋范圍大小半徑設(shè)定為252 km，小區(qū)模型如圖3所示。呼叫到達(dá)服從泊松過程，每個(gè)呼叫通話持續(xù)時(shí)間滿足負(fù)指數(shù)分布。優(yōu)先級個(gè)數(shù)s在本次仿真中設(shè)置為3，s=1代表機(jī)載用戶、s=2代表高鐵用戶、s=3代表輪船和汽車用戶。據(jù)各類優(yōu)先級情況及切換比新呼叫更讓人看重2方面進(jìn)行考慮，設(shè)定權(quán)值參數(shù)α0=0.4，α1=0.6，β1=0.5，β2=0.3，β3=0.2。具體參數(shù)設(shè)置統(tǒng)計(jì)如表2所示。各終端的仿真參數(shù)如表3所示。

表2 中星16號衛(wèi)星的仿真參數(shù)

表3 各終端的仿真參數(shù)

針對不同的呼叫到達(dá)率(從每個(gè)波束每秒平均10個(gè)新呼叫到達(dá)到每個(gè)波束每秒平均40個(gè)新呼叫到達(dá))，分別對無優(yōu)先級策略、多優(yōu)先級固定信道預(yù)留以及多優(yōu)先級動態(tài)信道預(yù)留進(jìn)行仿真，最終得到仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 無優(yōu)先級策略、多優(yōu)先級固定信道預(yù)留與動態(tài)信道預(yù)策略留仿真比較

圖6為各優(yōu)先級用戶的新呼叫接入阻塞以及切換失敗率情況，并對3種預(yù)留策略下的接入阻塞率以及切換失敗率分別進(jìn)行了比較。從圖6中可以看出，隨著呼叫到達(dá)率的增加，3種切換策略的新呼叫阻塞率都在逐漸增加，與理論一致。對于機(jī)載用戶，固定信道策略和動態(tài)信道預(yù)留策略的切換呼叫阻塞率要小于無優(yōu)先級策略，這是因?yàn)樵诙鄡?yōu)先級情況下減少了次高優(yōu)先級和最低優(yōu)先級的可用資源，而將這一部分信道專門留給最高優(yōu)先級使用，通過犧牲次高優(yōu)先級和最低優(yōu)先級的新呼叫接入成功率，降低了最高優(yōu)先級的新呼叫阻塞率。同時(shí)，以機(jī)載終端為例，可以看到，隨著呼叫到達(dá)率的增加，無優(yōu)先級策略和固定信道預(yù)留策略的切換呼叫失敗率逐漸增大，而動態(tài)信道預(yù)留策略的切換呼叫失敗率增加至0.05后保持穩(wěn)定，這是因?yàn)閯討B(tài)信道預(yù)留策略設(shè)定了切換呼叫失敗率的門限U1=0.05，一旦切換呼叫失敗率高于這個(gè)值，就會增加新的預(yù)留信道來接入切換呼叫，從而使切換呼叫失敗率穩(wěn)定在0.05。對多優(yōu)先級的3種切換策略進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)對于無優(yōu)先級策略而言，無論是何種優(yōu)先級、切換呼叫還是新呼叫，它的接入失敗率都比較一致，這是因?yàn)闊o優(yōu)先級策略對各種呼叫一視同仁，無論何種呼叫，它們被接入的概率都是相等的；對于其他2種策略而言，都是優(yōu)先級較高的用戶接入失敗率較低，而在同一優(yōu)先級情況下，切換呼叫的失敗率又要低于新呼叫阻塞率，這與實(shí)際的仿真要求是一致的。

圖7分析了整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，按照式(4)所示，取α0=0.4，α1=0.6，β1=0.5，β2=0.3，β3=0.2的權(quán)值，可以看出，QoS越大，系統(tǒng)的性能越差；QoS越小，系統(tǒng)的性能越好。顯然，動態(tài)信道預(yù)留策略性能最好，固定信道預(yù)留策略次之，無優(yōu)先級策略性能最差。

圖7 服務(wù)質(zhì)量

4 結(jié)束語

基于中星16號衛(wèi)星的具體參數(shù)和波束覆蓋情況以及民用機(jī)載終端的運(yùn)動模型，對多場景下衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的接入切換進(jìn)行了研究，考慮多用戶場景，對各用戶終端進(jìn)行優(yōu)先級劃分，對多優(yōu)先級的信道分配策略進(jìn)行仿真分析。以新呼叫到達(dá)率(平均每秒鐘到達(dá)新呼叫數(shù))作為變量，對無優(yōu)先級策略、多優(yōu)先級固定信道預(yù)留策略與多優(yōu)先級動態(tài)信道預(yù)留策略下的接入阻塞率以及切換失敗率進(jìn)行仿真，并根據(jù)接入阻塞率與切換失敗率計(jì)算得到服務(wù)質(zhì)量曲線。隨著用戶新呼叫業(yè)務(wù)量的增加，接入阻塞率和切換失敗率均不斷增加。對比3種策略，單獨(dú)觀察每個(gè)優(yōu)先級用戶的接入切換情況，如第3節(jié)所分析，得到性能方面的提升，從整體來說，根據(jù)服務(wù)質(zhì)量曲線來看，動態(tài)預(yù)留策略得到的效果要好一些。