宋艾遙，陳前斌，唐 倫

（重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

0 概述

近年來(lái)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)憑借其有效的全球無(wú)線覆蓋能力和優(yōu)秀的可擴(kuò)展性受到廣泛關(guān)注，衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)最重要的組成部分之一［1］。相較地球同步軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）衛(wèi)星和中軌道（Medium Earth Orbit，MEO）衛(wèi)星通信系統(tǒng)，擁有較低軌道高度的低軌（Low Earth Orbit，LEO）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有星地鏈路時(shí)延低、傳播損耗小等特點(diǎn)，但是，為了維持較低的軌道高度，其覆蓋范圍在地球表面上會(huì)快速變化，根據(jù)“銥星”通信系統(tǒng)，一顆衛(wèi)星只能提供10 min 左右的服務(wù)時(shí)間，而一個(gè)波束只能提供1～2 min 的服務(wù)時(shí)間［2］。為了確保實(shí)時(shí)通信，終端需在LEO 衛(wèi)星或波束間頻繁切換，這不僅增加了系統(tǒng)信令開(kāi)銷，也會(huì)提高終端的掉話率與呼叫中止率［3］。

目前，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換算法展開(kāi)研究。從單目標(biāo)決策屬性出發(fā)，文獻(xiàn)［4］在切換發(fā)生時(shí)選擇“最近”的衛(wèi)星進(jìn)行接入，以減少傳播延遲。文獻(xiàn)［5-6］基于可視衛(wèi)星的服務(wù)時(shí)長(zhǎng)，選擇具有最長(zhǎng)服務(wù)時(shí)間的衛(wèi)星，從而最小化切換次數(shù)。為實(shí)現(xiàn)不同的切換性能，文獻(xiàn)［7-8］提出多屬性綜合加權(quán)的切換策略，它們綜合考慮網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載、接收信號(hào)強(qiáng)度、剩余服務(wù)時(shí)間等信息。文獻(xiàn)［9］則利用熵權(quán)法將影響用戶接入衛(wèi)星的幾個(gè)因素進(jìn)行加權(quán)處理，從而將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。同時(shí)，研究人員還提出基于方案模型的判決決策，如文獻(xiàn)［10-11］利用圖論將切換視為在有向圖中尋找最短路徑的過(guò)程，根據(jù)不同的切換準(zhǔn)則設(shè)置權(quán)重，以支持多種衛(wèi)星的切換。文獻(xiàn)［12-13］在滿足負(fù)載等約束條件下，利用Q 學(xué)習(xí)算法做出近似最優(yōu)決策，以有效增加系統(tǒng)收益。文獻(xiàn)［14］利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取不同用戶間最佳決策的內(nèi)在規(guī)律，減少了切換發(fā)生頻率。文獻(xiàn)［15］基于衛(wèi)星星歷提出一種預(yù)設(shè)衛(wèi)星鏈的無(wú)縫切換方案，其能提供不間斷的衛(wèi)星通信服務(wù)。文獻(xiàn)［16］提出以用戶為中心的切換方案，通過(guò)在多個(gè)衛(wèi)星中同時(shí)緩存用戶數(shù)據(jù)來(lái)提高鏈路接入質(zhì)量。文獻(xiàn)［17］將博弈論引入LEO 衛(wèi)星切換決策中，聯(lián)合考慮用戶端收益以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到納什均衡時(shí)其終端可以獲取最大收益。

但是，目前針對(duì)LEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的切換策略大多只考慮少量用戶或均勻用戶發(fā)生切換的場(chǎng)景。隨著LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，服務(wù)用戶數(shù)量將大幅增加，其切換決策的成本也隨之增大［18］，尤其對(duì)于熱點(diǎn)區(qū)域的地面用戶群組，當(dāng)用戶聚集在一定范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)批量用戶并發(fā)發(fā)起切換的情況，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中存在大量的請(qǐng)求報(bào)文并形成網(wǎng)絡(luò)擁塞，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)性能。此外，諸多研究以單波束作為研究對(duì)象，但是在實(shí)踐中以多波束衛(wèi)星作為研究對(duì)象更具有工程意義。

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)同時(shí)切換的用戶數(shù)較多時(shí)，先對(duì)用戶進(jìn)行分組可有效降低切換成本［19］。為此，本文提出一種基于用戶分群的LEO 衛(wèi)星系統(tǒng)切換管理策略，將具有相似切換行為的用戶分為一組，減少處理過(guò)程中的重復(fù)操作，以降低系統(tǒng)信令開(kāi)銷和平均切換時(shí)延同時(shí)提高切換成功率。

1 LEO 多波束衛(wèi)星星座場(chǎng)景

本文以多波束LEO 衛(wèi)星為研究對(duì)象，如圖1 所示，s代表衛(wèi)星，bi代表第i層的波束中心點(diǎn)，γ代表波束中心點(diǎn)與星下點(diǎn)之間的地心角。波束的俯仰角Eli與地心角γ存在以下關(guān)系：

圖1 波束俯仰角與地心角的關(guān)系Fig.1 Relationship between beam pitch angle and geocentric angle

則波束中心點(diǎn)到星下點(diǎn)的距離為：

圖2 所示為衛(wèi)星多波束天線對(duì)地覆蓋模型，在大地坐標(biāo)系中，假設(shè)衛(wèi)星位于s(sj，sw，h)，sj、sw和h分別是衛(wèi)星的經(jīng)度、緯度和高度，則星下點(diǎn)位于o(sj，sw)。根據(jù)文獻(xiàn)［20］中銥星48 波束的特征，每個(gè)波束近似為圓，波束共4 層，第1 層為3 個(gè)，第2 層為9 個(gè)，第3 層為15 個(gè)，第4 層為21 個(gè)，每層波束中心都繞星下點(diǎn)對(duì)稱分布，多波束天線的覆蓋采用從里到外的覆蓋方法，每層計(jì)算方法同理，具體如下：

圖2 衛(wèi)星多波束天線對(duì)地覆蓋模型Fig.2 Ground coverage model of satellite multi-beam antenna

1）先找到與星下點(diǎn)經(jīng)度相同的中心波束，其余波束沿著中心波束繞星下點(diǎn)均勻分布，計(jì)算各波束中心點(diǎn)到星下點(diǎn)的距離。

2）將上述距離投影到x、y軸，得到x、y軸上的分量。

3）根據(jù)星下點(diǎn)坐標(biāo)o(sj，sw)，將投影分量轉(zhuǎn)化成每個(gè)波束中心點(diǎn)坐標(biāo)b(bj，bw)。

2 基于用戶分群的切換管理策略

為了選擇切換行為相似的用戶，本文將切換觸發(fā)時(shí)刻、最佳波束小區(qū)2 個(gè)因素作為分群決策的屬性。依據(jù)終端收到服務(wù)波束的參考信號(hào)接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP）來(lái)判斷是否需要進(jìn)行切換。因此，需要預(yù)測(cè)接收信號(hào)強(qiáng)度來(lái)估計(jì)切換觸發(fā)時(shí)刻，還需要在切換觸發(fā)時(shí)刻下得到終端的鄰區(qū)覆蓋情況，根據(jù)鄰區(qū)的可視時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行排序，以得到最佳波束小區(qū)。

如圖3 所示，基于用戶分群技術(shù)的切換策略主要包括分群處理、群組切換和資源釋放3 個(gè)部分。當(dāng)群首測(cè)量結(jié)果滿足條件時(shí)觸發(fā)切換流程，群首進(jìn)入切換準(zhǔn)備和執(zhí)行階段，當(dāng)所有成員完成切換后，釋放資源同時(shí)完成切換。為方便描述，用A 代表當(dāng)前服務(wù)衛(wèi)星，B 代表目的衛(wèi)星。

圖3 基于用戶分群的切換策略流程Fig.3 Handover strategy procedure based on user grouping

2.1 分群屬性預(yù)測(cè)

當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度低于分群觸發(fā)閾值ythreshold2時(shí)，用戶終端進(jìn)行分群屬性預(yù)測(cè)，包括切換時(shí)刻計(jì)算、鄰區(qū)候選集計(jì)算以及最佳波束選擇。

2.1.1 切換時(shí)刻預(yù)測(cè)

用戶終端在完成隨機(jī)接入后，會(huì)周期性地接收并測(cè)量當(dāng)前服務(wù)波束的RSRP，以用戶終端收到服務(wù)波束的RSRP 低于閾值的時(shí)刻作為切換觸發(fā)時(shí)刻。定義Y={y1，y2，…，yn}為t1到tn時(shí)間段內(nèi)終端接收的服務(wù)波束小區(qū)的RSRP 值，使用回歸分析對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行擬合預(yù)測(cè)?？紤]到LEO 衛(wèi)星的運(yùn)行速度遠(yuǎn)大于地面用戶終端，假定用戶終端相對(duì)靜止，終端接收到的RSRP 大小變化接近于拋物線形狀，因此，用非線性回歸的二次曲線模型來(lái)擬合數(shù)據(jù)，表達(dá)式如下：

其中：β0是常數(shù)項(xiàng)；β1和β2是模型的回歸系數(shù)，稱為模型參數(shù)；ε是不包含Y與X之間關(guān)系的隨機(jī)誤差；xi0=1，i=0，1，…，n。

采用廣泛使用的最小二乘法估計(jì)擬合系數(shù)，使每個(gè)點(diǎn)到擬合線的鉛直距離的平方和達(dá)到最小，即最小化誤差平方和，誤差平方和函數(shù)為：

當(dāng)S(β)最小時(shí)，即，得到的β即為估計(jì)的擬合系數(shù){β0，β1，β2}，將計(jì)算出的擬合系數(shù)代入式（3）中求得擬合函數(shù)，即可得到服務(wù)波束接收功率的預(yù)測(cè)值RSRPt=yt。

設(shè)切換觸發(fā)閾值為ythreshold1，若y(t)≥ythreshold1，則繼續(xù)計(jì)算y(t+Δt)，直到y(tǒng)(t+kΔt)

2.1.2 鄰區(qū)候選集計(jì)算

在切換時(shí)刻預(yù)測(cè)后，進(jìn)一步計(jì)算切換觸發(fā)時(shí)刻下終端的衛(wèi)星覆蓋情況，設(shè)單星的最大星下半俯仰角為φmax，如圖4 所示，可推出單星最大覆蓋半徑為：

圖4 星下俯仰角與覆蓋半徑的關(guān)系Fig.4 Relationship between sub-satellite pitch angle and coverage radius

終端根據(jù)廣播星歷信息，得到tHO時(shí)刻下衛(wèi)星的星下點(diǎn)位置(sj，sw)，同時(shí)根據(jù)GPS 獲取自身位置信息(uj，uw)，計(jì)算臨近衛(wèi)星的星下點(diǎn)與自身的距離為：

對(duì)于l[i]≤rmax的衛(wèi)星，進(jìn)入衛(wèi)星候選集S，記為S={S1，S2，…，Sm}，因此，總鄰區(qū)候選集可表示為：

其中：N為單星內(nèi)的波束數(shù)目。

2.1.3 最佳波束選擇

為了降低用戶在通信過(guò)程中的掉話率，需要選擇能夠提供最大服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的衛(wèi)星和波束［21］。本文針對(duì)多波束LEO 衛(wèi)星，提出一種波束空間關(guān)系模型，通過(guò)候選波束與用戶的運(yùn)動(dòng)方向和速度，用波束的空間關(guān)系值來(lái)表征波束可視時(shí)長(zhǎng)的大小關(guān)系。

各波束的空間關(guān)系如圖5 所示，B1、B2、B3、B4表示波束中心點(diǎn)，根據(jù)衛(wèi)星多波束設(shè)計(jì)、星下點(diǎn)位置以及多波束空間指向，能夠確定每個(gè)波束中心點(diǎn)的位置。衛(wèi)星各波束采用圓波束模型，νu和νs分別表示用戶和波束的運(yùn)動(dòng)速度與方向，Lus表示用戶與波束中心點(diǎn)的連接線。

圖5 用戶與波束的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系Fig.5 Relative motion relationship between the user and beam

首先定義相對(duì)方位角變化情況Pa，|θ|表示衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向與Lus延長(zhǎng)線之間的夾角，|φ|表示用戶運(yùn)動(dòng)方向與Lus之間的夾角，0 ≤|θ| ≤π，0 ≤|φ| ≤π。對(duì)θ、φ進(jìn)行歸一化處理，定義當(dāng)|φ|=0、|θ|=π 時(shí)表示用戶與波束的相對(duì)位置逐漸變近，此時(shí)Pθ=Pφ=1。綜上所述，用戶與波束相對(duì)方位角的變化情況Pa為：

其次定義相對(duì)距離變化情況Pd=PΔD×PD，其由用戶和波束的相對(duì)距離值PΔD與歸一化有效相對(duì)距離PD決定，PΔD可表示為：

其中：dus代表用戶與波束中心點(diǎn)的距離；R代表波束覆蓋半徑；uus為用戶與波束速度在Lus方向上的投影差，uus=uscosθ-uucosφ，當(dāng)uus<0 時(shí)代表用戶逐漸靠近波束，可視時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)。

通過(guò)歸一化有效相對(duì)距離PD來(lái)判斷用戶是否處于波束覆蓋范圍內(nèi)，如下：

最后為了對(duì)波束空間關(guān)系進(jìn)行全面評(píng)估，空間關(guān)系值Pus需要結(jié)合用戶和波束中心點(diǎn)相對(duì)方位角變化情況以及相對(duì)距離變化情況，具體如下：

用戶終端計(jì)算鄰區(qū)候選集內(nèi)各波束空間關(guān)系值Pus，選擇空間關(guān)系值最大的波束作為最佳波束，用戶終端將自身ID、切換時(shí)刻tHO、最佳波束等屬性封裝在群用戶預(yù)測(cè)消息中，發(fā)送給當(dāng)前服務(wù)衛(wèi)星。

2.2 成員選擇過(guò)程

成員選擇的目的是挑選出在切換觸發(fā)時(shí)刻下處于切換邊緣的一組用戶，即同一群組內(nèi)的成員，它們的切換時(shí)刻非常相似。設(shè)M為分群掃描間隔Δt時(shí)間內(nèi)收到群用戶預(yù)測(cè)消息的成員個(gè)數(shù)，也稱成員集合數(shù)量，其中，掃描間隔定義為Δt=τ(tho_first-tsim_time)，tsim_time為收到第一個(gè)群用戶預(yù)測(cè)消息的時(shí)刻，tho_first為該用戶的切換時(shí)刻，τ為用戶聚合調(diào)節(jié)參數(shù)，取值范圍為0<τ<1。

為方便敘述，定義Un=(In，Tn，Bn，Gn)為掃描間隔Δt內(nèi)第n個(gè)群用戶預(yù)測(cè)消息值，其中：In是用戶ID；Tn是切換時(shí)刻；Bn是最佳波束；Gn為群首ID。詳細(xì)的成員選擇步驟如下：

步驟1在初始狀態(tài)時(shí)，任意用戶還未加入任意一個(gè)群組，所有的Gn設(shè)為-1。

步驟2提取出用戶信息U1，依次比較成員集合中的最佳波束，如果某用戶的最佳波束與U1中的最佳波束一致，則保留該用戶；否則，將該用戶排除在外。

步驟3切換時(shí)刻的相似程度可以通過(guò)計(jì)算兩兩數(shù)據(jù)之間的“距離”來(lái)衡量。用戶i與成員集合中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間相似度（Time Similarity，TS）可以定義為，則用戶i相對(duì)于成員集合的群體相似值（Group Similarity，GS）為，GS 值越低說(shuō)明該用戶與成員集合內(nèi)其他用戶的切換時(shí)刻相似度越高。分別計(jì)算所有保留用戶的GS 值，然后進(jìn)行比較直到選出GS 值最小的用戶，該用戶作為群首，其G值設(shè)為該用戶ID。

步驟4計(jì)算剩余所有保留用戶與群首之間的切換時(shí)間差，按差值從小到大劃分到該群中，其G值設(shè)為群首的ID，直到群成員數(shù)達(dá)到上限。

步驟5判斷成員集合中所有用戶的G值是否都不為-1，若是，則此次分群結(jié)束，返回步驟2。

步驟6判斷用戶信息中In與Gn是否相等，若相等，則衛(wèi)星向該群首用戶下發(fā)群首通知消息，繼續(xù)進(jìn)行切換流程，群首用戶負(fù)責(zé)接下來(lái)的整個(gè)切換過(guò)程，而群成員用戶則等待服務(wù)衛(wèi)星下發(fā)的相關(guān)指令。

2.3 群組切換

衛(wèi)星會(huì)記錄用戶的狀態(tài)信息，表明用戶所處的切換狀態(tài)，并隨著切換的進(jìn)行而不斷更新?tīng)顟B(tài)信息。用戶狀態(tài)包含的字段如圖6 所示，其中：user_id 為用戶標(biāo)識(shí)符；group_id 為群首標(biāo)識(shí)符；difference_time 為用戶與群首的切換時(shí)刻差；state 為切換狀態(tài)，其包含“init”“l(fā)ink”“in_group_handover”“in_single_handover”“l(fā)eave”。

圖6 用戶狀態(tài)信息Fig.6 User status information

2.3.1 切換準(zhǔn)備

群首測(cè)量當(dāng)前服務(wù)衛(wèi)星與鄰近衛(wèi)星的RSRP，以判斷是否要向衛(wèi)星發(fā)送切換申請(qǐng)。假設(shè)衛(wèi)星A 的接收信號(hào)功率為power.one，同時(shí)也接收到衛(wèi)星B 的導(dǎo)頻信息，信號(hào)功率為power.two，如果power.two-power.one>power.handoff，且在Tx時(shí)間段內(nèi)成立，則表示達(dá)到切換申請(qǐng)條件，可向衛(wèi)星A 發(fā)送切換申請(qǐng)，其中：power.handoff 為切換遲滯功率門限值；Tx為遲滯時(shí)間。

當(dāng)衛(wèi)星A 收到來(lái)自群首的切換申請(qǐng)后，向B 發(fā)送群組切換初始化消息，消息包含該群中所有用戶的終端信息，其中用戶信息根據(jù)切換時(shí)間差的降序排列。B 在收到群組切換初始化消息后，考慮到衛(wèi)星目前容量，可以完全接受或者部分拒絕群組切換初始化消息中的終端申請(qǐng)，通過(guò)用戶狀態(tài)信息中的切換時(shí)間差順序來(lái)截?cái)嘟K端申請(qǐng)列表，從而保障衛(wèi)星的服務(wù)質(zhì)量。對(duì)于接受的用戶，B 會(huì)為用戶進(jìn)行接納控制、無(wú)線資源預(yù)留和信道分配，同時(shí)根據(jù)user_id 更新用戶狀態(tài)信息中 的next_sat 和preserved_channel，并 將state 設(shè)置為“l(fā)ink”狀態(tài)；對(duì)于拒絕的用戶，將其state 設(shè)置為“init”狀態(tài)。最后，將上述切換準(zhǔn)備的結(jié)果信息封裝成群組切換回復(fù)消息發(fā)送給A。

2.3.2 切換執(zhí)行

當(dāng)A 收到群組切換回復(fù)信息后，解析出接受群成員的信息和空口信道資源，將用戶的state 字段從“l(fā)ink”更新為“in_group_handover”。同時(shí)，A 將相關(guān)的接入信息封裝在切換命令中，通過(guò)用戶鏈路發(fā)送給群成員，群成員通過(guò)切換命令中的信息執(zhí)行切換。

2.4 資源釋放

在等待一段時(shí)間后，B 認(rèn)為所有可執(zhí)行的切換都應(yīng)完成，等待時(shí)間由參數(shù)GH_ACK_Interval 控制，該參數(shù)在B 發(fā)送群組切換回復(fù)消息時(shí)進(jìn)行初始化。一旦定時(shí)器到達(dá)觸發(fā)時(shí)刻，B 向A 發(fā)送群組切換確認(rèn)消息攜帶所有切換成功的用戶標(biāo)識(shí)符，同時(shí)釋放為沒(méi)有按期切換的終端而保留的資源。

當(dāng)A 收到群組切換確認(rèn)消息后進(jìn)行資源釋放，清除為切換成功的群成員而分配的信道，同時(shí)清除分群信息。A 將切換成功的用戶狀態(tài)從“in_group_handover”更新為“l(fā)eave”。對(duì)于未成功接入B 的用戶，如果與衛(wèi)星仍存在鏈接，則將state 從“in_group_handover”更新為“init”；若鏈接已經(jīng)斷開(kāi)，則刪除該用戶的相關(guān)信息。

圖7 所示為基于用戶分群的切換信令交互流程，其中：切換測(cè)量階段對(duì)應(yīng)步驟0；分群處理階段對(duì)應(yīng)步驟1～步驟2；切換準(zhǔn)備階段對(duì)應(yīng)步驟3～步驟6；切換執(zhí)行階段對(duì)應(yīng)步驟7～步驟9；資源釋放階段對(duì)應(yīng)步驟10～步驟12。

圖7 基于用戶分群的切換信令交互流程Fig.7 Handover signaling interaction procedure based on user grouping

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)模型與仿真參數(shù)設(shè)置

本文在仿真軟件OPNET 中搭建LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，平臺(tái)參考銥星星座，空間段共有66 顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星具備48 個(gè)點(diǎn)波束，仿真中設(shè)置每個(gè)波束的信道數(shù)為80，地面段設(shè)有2 個(gè)移動(dòng)交換中心和1 個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制中心，用戶隨機(jī)分布在一個(gè)10 km×10 km 的矩形區(qū)域內(nèi)，以此來(lái)模擬用戶聚集場(chǎng)景。

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)模塊由多波束模塊、星間鏈路模塊、饋電鏈路模塊、中央處理器模塊和天線模塊組成，如圖8 所示。多波束模塊仿真多波束天線功能，每個(gè)點(diǎn)波束在地面形成一個(gè)波束小區(qū)，并按照一定的時(shí)間間隔向地面廣播導(dǎo)頻信息；星間鏈路模塊負(fù)責(zé)信令和數(shù)據(jù)在星間鏈路的傳遞過(guò)程；饋電鏈路模塊負(fù)責(zé)衛(wèi)星檢測(cè)信關(guān)站廣播的導(dǎo)頻信息；中央處理器模塊負(fù)責(zé)各種信令處理；天線模塊負(fù)責(zé)加載和動(dòng)態(tài)更新多波束天線的空間指向。

圖8 衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)模型Fig.8 Satellite nodes model

如圖9 所示，用戶終端由2 個(gè)部分組成：一部分實(shí)現(xiàn)物理層的切換測(cè)量功能，將測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)過(guò)濾后發(fā)送給上層；另一部分實(shí)現(xiàn)用戶的接入、切換、信令收發(fā)等功能。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 System simulation parameters setting

圖9 用戶終端節(jié)點(diǎn)模型Fig.9 User terminal nodes model

3.2 結(jié)果分析

為了評(píng)估基于用戶分群的切換管理策略的有效性，本文考慮的切換性能參數(shù)包括信令開(kāi)銷、切換成功率和切換時(shí)延。在切換過(guò)程中，需要在不同節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行切換信令消息交互，所產(chǎn)生的開(kāi)銷稱為信令開(kāi)銷［22］，信令開(kāi)銷是衡量切換方案性能的重要指標(biāo)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生頻繁切換時(shí)，過(guò)多的信令開(kāi)銷會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)性能。同時(shí)，切換成功率越高說(shuō)明切換策略越有效，切換時(shí)延越長(zhǎng)說(shuō)明更多的時(shí)間是在等待各種切換信令，不利于用戶通信質(zhì)量的維持。圖10、圖11 分別比較在聚合調(diào)節(jié)參數(shù)τ不同取值下，切換成功率和信令開(kāi)銷隨仿真時(shí)間的變化情況，在本次仿真中，設(shè)置用戶終端數(shù)量為30。

圖10 不同調(diào)節(jié)參數(shù)τ 下的切換成功率比較Fig.10 Comparison of handover success rate under different adjustment parameters τ

圖11 不同調(diào)節(jié)參數(shù)τ 下的信令開(kāi)銷比較Fig.11 Comparison of signaling overhead under different adjustment parameters τ

從圖10 可以看出，隨著仿真時(shí)間的進(jìn)行，切換成功率剛開(kāi)始有輕微波動(dòng)但最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值，這表明本文所搭建的LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)能有效維持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。當(dāng)τ=0 時(shí)，分群掃描間隔Δt=0，此時(shí)所有用戶都獨(dú)立切換，每個(gè)用戶都按照自己最佳切換時(shí)刻進(jìn)行切換，因此，在這種情況下切換成功率最高。隨著τ的增加，在掃描間隔內(nèi)聚合的用戶數(shù)量增多，群首的切換狀態(tài)逐漸不能代替所有的群成員，導(dǎo)致某些群成員用戶收到切換命令后接入時(shí)機(jī)不佳，引起切換過(guò)程中的鏈路失敗，從而降低了切換成功率。從圖11 可以看出，隨著調(diào)節(jié)參數(shù)τ的增加，信令開(kāi)銷逐漸下降，本文切換策略在切換邊緣將具有相似切換行為的用戶分在一組，以分?jǐn)偳袚Q成本，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)信令開(kāi)銷，τ越大，聚合的用戶數(shù)量越多，節(jié)省的信令開(kāi)銷越多。對(duì)比圖10、圖11的結(jié)果，為了平衡切換成功率和信令開(kāi)銷對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，在保證系統(tǒng)性能的前提下明顯優(yōu)化系統(tǒng)的信令開(kāi)銷，本文在接下來(lái)的仿真中選取聚合調(diào)節(jié)參數(shù)τ=0.6。

在衛(wèi)星數(shù)量和仿真時(shí)間確定、聚合用戶數(shù)量不同的場(chǎng)景下，對(duì)比傳統(tǒng)用戶獨(dú)立切換方案和基于用戶分群的切換方案，圖12 所示為2 種方案的系統(tǒng)信令開(kāi)銷對(duì)比。從圖12 可以看出，隨著聚合用戶數(shù)量的增加，系統(tǒng)信令開(kāi)銷增大，由于本文切換方案將多個(gè)具有相似切換行為的用戶聚合為一次切換，減少了切換請(qǐng)求發(fā)起的次數(shù)，降低了切換的成本，使得系統(tǒng)的信令開(kāi)銷小于傳統(tǒng)方案，并且隨著用戶數(shù)量的增加，優(yōu)化效果更加明顯。

圖12 不同聚合用戶數(shù)量下的信令開(kāi)銷比較Fig.12 Comparison of signaling overhead under different number of aggregated users

圖13 所示為聚合用戶數(shù)量與切換成功率的關(guān)系對(duì)比。從圖13 可以看出，在用戶數(shù)較少的情況下，2 種方案切換成功率差異不大，這是因?yàn)楫?dāng)用戶數(shù)量較少時(shí)，用戶聚合程度低，存在獨(dú)立切換的情況，加上此時(shí)信道資源充足，衛(wèi)星發(fā)生擁塞的概率較小，所以在這種情況下2 種方案的切換性能表現(xiàn)相似。隨著用戶數(shù)量的增加，衛(wèi)星更容易發(fā)生擁塞，導(dǎo)致切換失敗次數(shù)增加，使得2 種方案的切換成功率都隨之下降。但是隨著用戶數(shù)量的增加，本文切換方案的切換成功率逐漸優(yōu)于傳統(tǒng)方案，這是因?yàn)橛脩糸g的相關(guān)性變大，用戶聚合程度逐漸變大，群首的切換狀態(tài)逐漸與群成員相似，另一方面，節(jié)省的系統(tǒng)開(kāi)銷變多，能有效減少衛(wèi)星發(fā)生擁塞的情況，從而減少切換失敗發(fā)生次數(shù)，并且在信道資源不足的情況下，也能減緩系統(tǒng)性能惡化速度。綜上所述，在聚合用戶數(shù)量較多的場(chǎng)景下，本文基于分群技術(shù)的切換方案具有更好的性能。

圖13 不同聚合用戶數(shù)量下的切換成功率比較Fig.13 Comparison of handover success rate under different number of aggregated users

圖14 所示為聚合用戶數(shù)量與平均切換時(shí)延的關(guān)系。從圖14 可以看出，傳統(tǒng)切換方案的平均切換時(shí)延隨著用戶規(guī)模的增大而增加，原因是用戶數(shù)量越多，系統(tǒng)中的信令開(kāi)銷越大，一方面導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，增加了排隊(duì)等待處理時(shí)延，另一方面也增大了碰撞發(fā)生的概率，碰撞后產(chǎn)生退避增加了傳輸時(shí)延，兩者結(jié)合會(huì)增加平均切換時(shí)延。而本文基于用戶分群的切換方案將具有相似切換過(guò)程的多個(gè)用戶切換聚合成一次切換，減少了切換請(qǐng)求發(fā)起次數(shù)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，從而降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞程度和平均切換時(shí)延。

圖14 不同聚合用戶數(shù)量下的平均切換時(shí)延比較Fig.14 Comparison of average handover delay under different number of aggregated users

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)LEO 衛(wèi)星系統(tǒng)下的用戶并發(fā)切換問(wèn)題，提出一種基于用戶分群的切換管理策略。在切換邊緣選出一組具有相似切換行為的用戶，用群首的切換代替群內(nèi)成員的切換，以此降低切換成本。同時(shí)，從分群處理、群組切換、資源釋放3 個(gè)方面設(shè)計(jì)完整的切換流程和信令交互機(jī)制。仿真結(jié)果表明，相較傳統(tǒng)用戶獨(dú)立切換方案，該切換管理策略能夠減少處理過(guò)程中的重復(fù)操作，降低系統(tǒng)信令開(kāi)銷和平均切換時(shí)延，提高切換成功率，且用戶聚集數(shù)目越多，性能提升越明顯。下一步考慮引入高速動(dòng)態(tài)終端切換技術(shù)，以提高本文策略的精確度。