孫永林，李大成，劉飛

(1.海裝重大專項裝備項目管理中心，北京 100089；2.海裝裝備項目管理中心，北京 100089； 3.中國人民解放軍32380部隊，北京 100072)

1 研究背景

經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)已經(jīng)在個人移動通信、全球覆蓋通信以及國家安全等諸多方面都扮演著越來越重要的角色[1]。地面用戶在進行通信過程中，會因為低軌衛(wèi)星的快速運動而經(jīng)常進行呼叫接入和通信切換[2]。接入策略是為了使用戶能夠順利接入衛(wèi)星，完成呼叫建立；切換策略則是為了保證用戶在通信過程中即使發(fā)生切換也能不發(fā)生異常中斷，順利進行通信。

以往的接入與切換技術(shù)研究大多建立在單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，隨著業(yè)務(wù)的多樣性和復雜性，組合不同軌道高度衛(wèi)星形成多層通信網(wǎng)絡(luò)逐漸成為未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流趨勢。為了最有效地利用資源，保證不同用戶的服務(wù)質(zhì)量，研究多層衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的接入與切換技術(shù)就具有十分重要的意義。

本文的研究對象是LEO/GEO(Low Earth Orbit/Geostationary Earth Orbit)雙層衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)模型[3]，對衛(wèi)星的接入提出了一種參數(shù)加權(quán)平均的策略，并根據(jù)業(yè)務(wù)類型，通過各衛(wèi)星信道資源占用率的閾值判定，在雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中選擇接入衛(wèi)星，較好地降低了業(yè)務(wù)的接入與切換失敗率。

2 系統(tǒng)模型

2.1 GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型

GEO衛(wèi)星運行軌道高度約為36 000 km，覆蓋面積大，3顆即可覆蓋除兩極外的區(qū)域；LEO衛(wèi)星運行軌道高度一般在1 500 km以下，數(shù)目眾多[4]。在該雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，綜合利用了GEO衛(wèi)星波束廣闊覆蓋特性和LEO衛(wèi)星波束傳輸時延小的各自優(yōu)點，功能分配上，LEO衛(wèi)星可以完成大部分用戶的接入與切換，并向GEO衛(wèi)星發(fā)送星座位置和用戶狀態(tài)等信息；GEO衛(wèi)星將主要完成管理控制等功能，并接受部分用戶的接入[5]。

2.2 移動模型

為了更好地表現(xiàn)地面用戶在通信過程中的衛(wèi)星接入與切換狀態(tài)，需要建立相應(yīng)的移動模型。一般來說，GEO衛(wèi)星對地同步靜止，而LEO衛(wèi)星相對地面快速運動，因此，可以將衛(wèi)星及衛(wèi)星波束看成靜止不動，用戶以衛(wèi)星與地面的相對速度vs進行直線移動，本文以經(jīng)典的7個波束小區(qū)模型為例，將小區(qū)形狀近似為矩形[6]。網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，用戶相對于波束小區(qū)的移動模型如圖2所示。

2.3 性能指標

在接入與切換的策略分析中，通常采用以下3個指標來估計性能好壞，分別是：

(1)

(2)

服務(wù)等級GoS=Pc+kPh

(3)

其中，服務(wù)等級表示系統(tǒng)整體的性能好壞程度，其中k表示為切換相對于新呼叫接入的優(yōu)先因子，由于用戶在通信過程中的切換失敗導致通信中斷比新接入時的呼叫阻塞更讓用戶難以接受，因此，在進行策略分析時，需要盡可能保證切換的成功率，一般情況，k的取值為10。

3 接入與切換策略分析

按照用戶優(yōu)先級，本文將業(yè)務(wù)類型大致劃分為高級實時業(yè)務(wù)和普通非實時業(yè)務(wù)，前者對時延和帶寬有嚴格要求，享有較高的優(yōu)先級，后者相對優(yōu)先級較低。

3.1 單層衛(wèi)星通信接入典型策略及改進

3.1.1 典型策略

(1)最短相對距離策略+。用戶根據(jù)“北斗”定位系統(tǒng)確定自身坐標以及候選接入衛(wèi)星的坐標，計算相對距離，系統(tǒng)自動選擇距離最短的衛(wèi)星優(yōu)先進行接入[7]。

(2)最長服務(wù)時間策略。用戶根據(jù)衛(wèi)星運行軌跡預(yù)判能夠獲得最長服務(wù)時間的衛(wèi)星優(yōu)先接入，使得切換頻次較少，一定程度上保證通信連續(xù)性。

(3)業(yè)務(wù)均衡策略。用戶根據(jù)候選衛(wèi)星中空閑信道資源最多的衛(wèi)星優(yōu)先接入，使得星座中各衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能夠逐漸達到均衡，服務(wù)質(zhì)量大致相同，防止過載問題。

3.1.2 改進的參數(shù)加權(quán)接入策略

為考慮系統(tǒng)參數(shù)的全面性，本文綜合3種典型接入策略，以分配給各個策略參數(shù)一定的權(quán)重得到綜合的目標函數(shù)，這樣既保留了目標衛(wèi)星距離用戶不遠，又使得用戶在該衛(wèi)星的接入時間較長，同時均衡了該小區(qū)內(nèi)的衛(wèi)星業(yè)務(wù)量。本文對上述3種策略參數(shù)均采用線性加權(quán)，具體目標函數(shù)表達式如下所示：

(4)

式中，α，β，γ分別代表距離、時間及業(yè)務(wù)量參數(shù)的權(quán)重，已知α+β+γ=1；D1，T1，B1分別代表該衛(wèi)星距離用戶的距離、能夠服務(wù)用戶的時間以及其剩余空閑信道數(shù)；D，T，B分別代表系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星距離用戶的平均距離、衛(wèi)星服務(wù)用戶的平均時間以及各衛(wèi)星剩余信道的平均數(shù)。

表達式中的權(quán)重可由該業(yè)務(wù)類型對不同參數(shù)的依賴因子決定，例如，視頻業(yè)務(wù)對距離參數(shù)和服務(wù)時間參數(shù)的要求較高，那么相應(yīng)權(quán)重就越大。當所有權(quán)重和參數(shù)信息確定后，代入公式(4)中可以計算出各個衛(wèi)星的目標函數(shù)值C，系統(tǒng)在權(quán)衡比較后，將選擇C值最大的衛(wèi)星作為目標衛(wèi)星進行接入。

3.2 雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)直接接入策略

當有新用戶發(fā)起呼叫時，該策略優(yōu)先考慮接入LEO衛(wèi)星，除非此時無空閑信道，則考慮選擇GEO衛(wèi)星接入，否則表示呼叫接入阻塞[8]。

在信道預(yù)留和切換管理階段，雙層衛(wèi)星上的資源均采用基于時間的保護切換預(yù)留(GH)策略[9]，即接入后計算駐留時間，并在切換前T時刻提前申請切換，下個小區(qū)則從空閑信道中為該次申請進行預(yù)留信道，若無空閑信道，則該申請進入排隊序列等待。

在該策略中，LEO衛(wèi)星因時延小、損耗低，信道資源較多，承擔了大多數(shù)業(yè)務(wù)的接入，但涉及后續(xù)的切換請求頻繁。綜合來說，直接接入策略未區(qū)分多業(yè)務(wù)條件下的優(yōu)先級，且沒有充分利用GEO衛(wèi)星資源。

3.3 基于業(yè)務(wù)量的改進接入與切換策略

為克服上述策略的缺點，本文提出基于業(yè)務(wù)量的一種改進策略。具體改進步驟如下：

在呼叫接入階段，根據(jù)業(yè)務(wù)類別，高級實時業(yè)務(wù)因為優(yōu)先級高，在保證LEO衛(wèi)星有信道資源的情況下，按照上文提出的改進參數(shù)加權(quán)接入策略優(yōu)先選擇LEO衛(wèi)星；而普通非實時業(yè)務(wù)在接入前，則計算當前LEO和GEO衛(wèi)星波束小區(qū)內(nèi)的信道占用率m，n，并定義一個信道占用率閾值t，具體表達式如下：

(5)

若mm>t，則說明LEO衛(wèi)星波束小區(qū)內(nèi)信道資源相對充裕，用戶允許接入LEO衛(wèi)星；若m>t且n

圖3 改進呼叫接入策略流程

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 仿真參數(shù)

按照一般模型要求，用戶呼叫的到達率服從泊松分布，呼叫時長服從的負指數(shù)分布。設(shè)定仿真時長為5 h，其他相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 GEO/LEO系統(tǒng)仿真相關(guān)參數(shù)

4.2 結(jié)果分析

對本文提出的基于業(yè)務(wù)量的改進接入與切換策略、單層LEO衛(wèi)星中參數(shù)加權(quán)改進策略及雙層衛(wèi)星直接接入策略進行仿真對比，得到各個策略關(guān)于高級實時用戶的比較仿真結(jié)果如圖4—5所示。

圖4 高級用戶的接入阻塞率

圖5 高級用戶的切換失敗率

由圖4得到，在雙層通信網(wǎng)絡(luò)中，基于本文提出的改進接入策略，其接入阻塞率比直接接入策略的降低不明顯，主要是因為高級實時業(yè)務(wù)在這兩種策略中主要還是利用了LEO衛(wèi)星的信道資源進行接入。由圖5得到，改進策略的切換失敗率要比直接接入策略降低更加明顯，主要是因為改進策略在業(yè)務(wù)接入時考慮了三種參數(shù)加權(quán)的影響，在保證后續(xù)通信切換質(zhì)量上做得更好，而且相對來說，通過資源占用率的閾值判定，更加合理分配了雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的信道資源。

通過對比發(fā)現(xiàn)，雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)較單層低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在兩個性能指標上都有所提升，主要是因為GEO衛(wèi)星不僅完成了控制管理功能，還在一定程度上緩解了LEO衛(wèi)星的接入與切換壓力。

5 結(jié)語

本文基于新興的雙層衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，對不同級別的業(yè)務(wù)呼叫接入和切換管理作了重點分析，根據(jù)不同業(yè)務(wù)對不同參數(shù)條件的依賴性而設(shè)定對應(yīng)的權(quán)重，提出了一種改進的參數(shù)加權(quán)接入策略，將該策略用于雙層衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，并對普通非實時業(yè)務(wù)設(shè)定信道資源占用率的閾值判決，決定其接入衛(wèi)星的層級，對整個系統(tǒng)達到了較好的資源利用有效性和通信質(zhì)量保證性。