摘 要：隨著低地球軌道（Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ，ＬＥＯ） 衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備的大規(guī)模部署，用戶終端數(shù)量呈迸發(fā)式增長。然而衛(wèi)星運動會導(dǎo)致服務(wù)間斷，大量用戶需要同時發(fā)生切換，產(chǎn)生了大量的信令開銷，致使網(wǎng)絡(luò)性能下降。針對以上問題，提出了一種基于海量用戶的屬性優(yōu)化分組方式的多星切換方法。該方法根據(jù)用戶服務(wù)衛(wèi)星向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的滿足用戶通信需求的切換衛(wèi)星信息，對用戶考慮其在波位內(nèi)相對位置和切換需求帶寬等屬性進(jìn)行初始分組。通過考慮切換成功率、負(fù)載均衡和切換時延等因素，調(diào)度組內(nèi)用戶和用戶組，優(yōu)化用戶的分組切換方法。對于信令交互流程，分析了優(yōu)化分組切換方法對比譜聚類分組切換方法和單用戶切換方法的信令開銷。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的分組切換方法能夠有效提高切換成功率，改善衛(wèi)星的負(fù)載均衡，降低切換時延，減少部分節(jié)點間交互的信令，從而降低切換的信令開銷。

關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星；多星覆蓋；星間切換；分組切換

中圖分類號：ＴＮ９２７＋． ２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）１２－２８５０－０８

０ 引言

如今，低地球軌道（Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ，ＬＥＯ）衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展十分迅速，在地面通信系統(tǒng)受地理和經(jīng)濟因素的制約，無法實現(xiàn)全球可達(dá)時，ＬＥＯ 衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠提供全球無縫覆蓋通信，并且其具有低時延、低功耗的特點，能夠作為地面通信系統(tǒng)的重要補充［１］。ＬＥＯ 衛(wèi)星通信系統(tǒng)與以往的地球靜止軌道（Ｇｅｏｓｔａｔｉｏｎａｒｙ Ｏｒｂｉｔ，ＧＥＯ）衛(wèi)星通信系統(tǒng)大不相同，一方面由于低軌衛(wèi)星高速運動，導(dǎo)致對地面上終端的覆蓋時間短，一般在十幾分鐘以內(nèi)，當(dāng)終端由一顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)進(jìn)入另一顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)時，要進(jìn)行衛(wèi)星切換［２］；另一方面，地面上的終端分為靜止終端和運動終端，后者運動速度相對于低軌衛(wèi)星可忽略，因此認(rèn)為ＬＥＯ 通信系統(tǒng)的切換主要由衛(wèi)星的運動引起［３］。傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換和認(rèn)證機制主要是基于個體用戶設(shè)計的，并且由于ＬＥＯ 衛(wèi)星的高動態(tài)性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)切換會產(chǎn)生更大的切換開銷和時延［４］。文獻(xiàn)［５］以端到端連接的跳數(shù)為基礎(chǔ)，提出了最小跳數(shù)切換策略，提供一定程度的服務(wù)質(zhì)量（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ，ＱｏＳ）保障，獲得了較低的傳播時延和較低的切換頻率。文獻(xiàn)［６］提出了以用戶為中心的多屬性切換決策，基于用戶偏好和實時的系統(tǒng)測量調(diào)整屬性權(quán)重，獲得了在切換時間、信號強度、信道利用率上的性能提升。文獻(xiàn)［７］提出了一種基于波束可視時間與接收信號強度的波束小區(qū)［８］切換準(zhǔn)則，有效降低了終端切換的頻次。隨著ＬＥＯ 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，終端數(shù)量也在逐步增加，星間切換面臨著大量終端同時切換的可能。由于ＬＥＯ 波束遠(yuǎn)大于地面基站服務(wù)小區(qū)，可能存在一顆衛(wèi)星甚至一個波束下具有海量用戶的情況，解決由于衛(wèi)星高速移動帶來的特有的批量用戶跨星跨波束并發(fā)切換問題異常重要［９］。星上的計算資源有限，大量的切換請求會造成網(wǎng)絡(luò)的性能下降，針對大量切換的衛(wèi)星切換方法越來越受關(guān)注。與此同時，衛(wèi)星天線技術(shù)的發(fā)展，使相控陣天線能夠凝視地面固定波位，使地面的小區(qū)形狀不隨衛(wèi)星的移動而變化，波位小區(qū)內(nèi)用戶終端只在某一固定時間切換到另一個ＬＥＯ 衛(wèi)星［１０］，在發(fā)生星間切換時，波束的改變也會伴隨波位內(nèi)大量終端同時切換的問題，波位內(nèi)的終端在星座上呈現(xiàn)群移動的特性?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，大量終端同時切換需要在衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)控制中心之間頻繁傳輸綁定更新消息，將帶來嚴(yán)重的切換信令開銷問題［１１］，由此產(chǎn)生的信令開銷，會增加網(wǎng)絡(luò)處理壓力，進(jìn)一步導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能降低，使整體的切換失敗率上升［１２］、時延增加，因此需從終端分組的角度設(shè)計星間及星地網(wǎng)絡(luò)之間的切換機制。研究發(fā)現(xiàn)，大量用戶中具有相似屬性的用戶很可能在相同或相近的時間間隔內(nèi)向同一顆衛(wèi)星發(fā)送切換請求。如果能夠?qū)⑦@些用戶劃分為一個用戶組去發(fā)起切換請求，將在切換過程中極大地節(jié)省信令開銷［１３］。文獻(xiàn)［１４］將切換到同一顆衛(wèi)星的用戶分到一組，根據(jù)相應(yīng)的切換性能指標(biāo)，遍歷了所有的分組方式后，得到使性能指標(biāo)最優(yōu)的情況作為用戶分組切換時的分組方式，但隨著用戶數(shù)量增加，算法復(fù)雜度過大，難以實現(xiàn)。文獻(xiàn)［１５］采用根據(jù)用戶的分群屬性預(yù)測對用戶進(jìn)行分組，挑選出在切換觸發(fā)時刻下處于切換邊緣的一組用戶，研究了分組方法中組內(nèi)聚集用戶數(shù)和切換性能的關(guān)系。文獻(xiàn)［１６］研究了用戶終端的分組方法和切換調(diào)度算法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和終端特性采用了分層聚類算法分組，設(shè)計了一種基于網(wǎng)絡(luò)流模型的限制衛(wèi)星選擇算法。文獻(xiàn)［１７ ］提出了一種通過研究用戶之間的相似性進(jìn)行分組的方式，以用戶組執(zhí)行切換決策，并采用非合作博弈解決了切換時間調(diào)度問題，降低了切換時延。

針對ＬＥＯ 衛(wèi)星切換方法存在的算法復(fù)雜度較高、信令開銷較大和切換成功率較低的問題。本文從減少切換產(chǎn)生的信令開銷、降低用戶分組算法的復(fù)雜度、易于實現(xiàn)、提升切換成功率、改善負(fù)載均衡、降低切換時延等網(wǎng)絡(luò)性能的目的出發(fā)，結(jié)合ＬＥＯ 衛(wèi)星波束切換工作的特點，提出了一種基于用戶在波位內(nèi)相對位置和切換需求帶寬等用戶屬性，采用譜聚類算法對用戶進(jìn)行初始分組，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能設(shè)立切換成功率、負(fù)載均衡、切換時延等優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分組方式的切換方法，仿真結(jié)果表明，基于用戶屬性的優(yōu)化分組切換方法實現(xiàn)了切換成功率的提升，切換時延、切換開銷的降低。

１ ＬＥＯ 多星覆蓋場景

多波束衛(wèi)星場景下，如圖１ 所示，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以地面固定波位的方式在覆蓋范圍［１８］內(nèi)劃分了若干波位，衛(wèi)星波束按照劃分好的波位在服務(wù)時間內(nèi)通過系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)某一波位內(nèi)用戶。假設(shè)某一波位的服務(wù)衛(wèi)星剩余時間即將結(jié)束，當(dāng)前服務(wù)波位內(nèi)的用戶都要發(fā)生切換，此時由于系統(tǒng)是地面固定波位，當(dāng)前服務(wù)波束會調(diào)度到其他波位上服務(wù)，因此對于波位內(nèi)的用戶，這種波束的改變幾乎是同時發(fā)生的。因為是多星覆蓋的，其他衛(wèi)星的波束經(jīng)過調(diào)度，也會服務(wù)當(dāng)前波位。衛(wèi)星Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 都能服務(wù)此波位，在發(fā)生切換時，隨機分布在波位內(nèi)的用戶即可以根據(jù)需求和系統(tǒng)調(diào)度切換到其中任意目標(biāo)衛(wèi)星上。本文場景假設(shè)切換發(fā)生在同一信關(guān)站下的衛(wèi)星之間，由于分組切換并不能減少綁定信息在不同信關(guān)站之間更新的信令開銷［１４］，對不同信關(guān)站的星間切換不做考慮。