衛星機載終端多優先級信道預留分配策略

桂毅恒，朱立東

(電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都611731)

0 引言

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

衛星波束切換的問題是無線移動通信系統中的重要技術之一[1]。波束切換性能的好壞直接影響到用戶的服務質量(QoS)與通信系統的具體性能。呼叫在衛星通信系統中進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的研究中一個重要方向，信道分配策略可以分為波束間信道分配及波束內信道分配問題，波束間信道分配涉及到一顆衛星對于每個波束進行信道數量的分配，波束內信道分配主要是對波束覆蓋范圍內的終端進行信道分配。

本文基于中星16號衛星的具體波束覆蓋情況研究機載模型波束切換問題，在實際的衛星通信系統中，除了機載終端外，還應有其他各種用戶終端與機載終端一起占用信道資源，因此在接入切換問題中，需要對不同業務的優先程度進行合理劃分，對不同優先級的業務進行波束內信道分配。

1 衛星覆蓋模型

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

(1)

衛星的覆蓋半徑X為：

X=Re·sinα；

(2)

衛星的覆蓋面積為：

A=2π·Re2·(1-cosα)。

(3)

圖1 圓軌道衛星覆蓋特性示意圖

中星16號衛星設計有26個用戶點波束，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，各點波束均被視為圓形，每個點波束之間的交疊區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號衛星的波束分布情況

本文是基于民用機載終端的波束切換，在考慮具體切換情形時，應提出合適的運動模型。鑒于中星16號衛星的波束覆蓋情況，考慮飛機飛行航線時，應將起止點盡量設定在波束覆蓋區域以內。故選取飛機的起點與終點為全國除東北、新疆、西藏、海南及臺灣等地的省會城市或直轄市，共計25個城市。

通過查閱飛機航線，對需要進行的飛機航線仿真做以下規定：

① 設定仿真的總時間維為7 200 s，即2 h；

② 設定飛機總數為70架?？紤]國內機場的實際運行情況，假設在仿真的總時間內，每900 s，即每15 min有一批飛機從上述25個城市之一起飛，飛向另一不同城市；

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

常見的民用移動終端按照速度從慢到快來統計有手持機終端、船載終端、車載終端、高鐵終端及機載終端等，由于本系統中衛星單波束覆蓋面積較大，為了更好地討論切換技術實現，可以盡量選擇移動速度較快的終端，因此對于手持機終端，本系統不做考慮。另一方面，相對飛機和高鐵用戶，輪船與車輛的速度較小，同時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一為一類用戶提供衛星通信服務。

除機載終端外，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航線的仿真部分較為接近，其區別為：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 數量不同，飛機數量為70架，而高鐵的數量為80列，汽車與輪船的總數為90艘。

本文主要針對的是機載終端的研究，在優先級設置上，首先劃分3個優先級，按照移動速度對多類型用戶的優先程度進行劃分。將機載終端設置為最高優先級，高鐵終端設置為次高優先級，車載和船載終端設置為最低優先級。顯然，優先級越高，要求的服務質量越高。表1給出了飛機飛行參數。

表1 飛機飛行參數設置

2 信道資源分配

2.1 典型信道分配策略

2.1.1 無優先策略

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

2.1.2 信道預留策略

在通信服務中，對于一個完整的呼叫來說，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，提出了信道預留策略[7-8]。該策略是預留小區中的一部分信道只為切換呼叫提供服務，而其余信道為新呼叫和切換呼叫公平競爭使用。假設一個波束覆蓋小區內一共有C個信道，其中預留K個信道為切換專用，剩余(C-K)個信道為新呼叫和切換呼叫共同競爭使用。

信道預留策略分為固定預留和動態預留2種。固定信道預留策略事先將波束中的一部分信道預留出來，專門為切換呼叫提供服務。該策略的優點是能夠為降低切換失敗率提供保證，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，隨后提出了動態信道預留策略。自適應信道預留策略除了保證了較低的切換失敗率，同時也能在一定程度上降低新呼叫阻塞率，對于動態信道預留策略而言，其保護信道的數目是可變的，該策略主要依賴2個因素：① 優良的網絡管理系統，通過網絡管理系統，能夠根據用戶的移動規律估計它要切換到哪一個小區；② 相鄰波束小區中被占用的信道資源數目以及產生呼叫的用戶所在的位置。

2.1.3 排隊策略

由于信道預留策略[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策略。對于排隊策略，一旦目標小區中沒有可用的信道資源，那么未被切換的用戶呼叫就會進入切換排隊隊列進行等候，同時會設定一個最大等待時間門限，如果超過門限而未得到系統分配到的可用信道資源，則判定為切換失敗。

2.2 多優先級用戶終端信道預留策略

基于中星16號衛星的波束切換策略研究，其應用場景多種多樣，機載、船載、車載及手持終端等均希望可以得到該網絡的通信服務，而不同的呼叫對于通信服務質量的需求是不同的。因此，對于各種不同的終端進行其呼叫的接入、切換考慮時，根據各自不同的呼叫服務需求進行優先級排序，優先級越高，考慮其服務質量需求更高?？紤]信道預留的方法，對于每一種呼叫類型及其切換呼叫類型進行可接入信道數門限值的設定，而根據門限值是否可以動態變化，分為固定信道預留策略與動態信道預留策略。

假設一個波束覆蓋小區下一共有C個信道，在該覆蓋范圍內一共有s種呼叫類型，根據呼叫類型劃分為s個優先級，表示為S=1,2,…,s。每個類型的呼叫根據是否為新產生的分為新呼叫和切換呼叫，考慮切換呼叫比新呼叫的優先級高，因此設定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。一般考慮小區信道利用率盡量大，設定k's=C。當一個呼叫i需要接入時，若該呼叫為新呼叫，當空閑信道數低于門限值ki時，可以成功接入，否則失??；若該呼叫為切換呼叫，當空閑信道數低于門限值k'i時，可以成功切換，否則失敗。

2.2.1 無優先級策略

無優先級策略不考慮切換呼叫與新呼叫對于服務質量影響的差異性，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先級，對所有類型的用戶進行無差別的呼叫接入與切換。如果某一時刻，波束小區內沒有空閑信道資源，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 無優先級策略流程圖

2.2.2 多優先級固定信道預留

多優先級固定信道預留與固定信道預留策略類似，將門限值K提前設定好，不考慮不同時期的通信量問題，K在之后的運行過程中不再進行改變。該策略流程如圖4所示。

2.2.3 多優先級動態信道預留

固定信道預留策略由于設定的信道門限值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。為了提高系統性能，設計了一種動態信道預留策略，通過計算實時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，在滿足優先級較高的呼叫切換成功率的情況下，設定不同的K值，該策略的仿真流程如圖5所示。

圖4 多優先級固定信道預留策略流程圖

圖5 多優先級固定信道預留策略流程圖

另外，考慮更好的通信質量，需要對系統的服務質量進行計算。定義服務質量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質量中的權重系數，βii=1,2,…,s為每個優先級對應的權重系數。由于該服務質量由接入阻塞率以及切換失敗率構成，所以對應的服務質量數值越低，其服務質量越高。

3 仿真結果及分析

在該場景中仿真，中星16號衛星軌道高度36 000 km左右,含26個波束覆蓋小區，每個波束相對于用戶的覆蓋范圍大小半徑設定為252 km，小區模型如圖3所示。呼叫到達服從泊松過程，每個呼叫通話持續時間滿足負指數分布。優先級個數s在本次仿真中設置為3，s=1代表機載用戶、s=2代表高鐵用戶、s=3代表輪船和汽車用戶。據各類優先級情況及切換比新呼叫更讓人看重2方面進行考慮，設定權值參數α0=0.4，α1=0.6，β1=0.5，β2=0.3，β3=0.2。具體參數設置統計如表2所示。各終端的仿真參數如表3所示。

表2 中星16號衛星的仿真參數

表3 各終端的仿真參數

針對不同的呼叫到達率(從每個波束每秒平均10個新呼叫到達到每個波束每秒平均40個新呼叫到達)，分別對無優先級策略、多優先級固定信道預留以及多優先級動態信道預留進行仿真，最終得到仿真結果如圖6所示。

圖6 無優先級策略、多優先級固定信道預留與動態信道預策略留仿真比較

圖6為各優先級用戶的新呼叫接入阻塞以及切換失敗率情況，并對3種預留策略下的接入阻塞率以及切換失敗率分別進行了比較。從圖6中可以看出，隨著呼叫到達率的增加，3種切換策略的新呼叫阻塞率都在逐漸增加，與理論一致。對于機載用戶，固定信道策略和動態信道預留策略的切換呼叫阻塞率要小于無優先級策略，這是因為在多優先級情況下減少了次高優先級和最低優先級的可用資源，而將這一部分信道專門留給最高優先級使用，通過犧牲次高優先級和最低優先級的新呼叫接入成功率，降低了最高優先級的新呼叫阻塞率。同時，以機載終端為例，可以看到，隨著呼叫到達率的增加，無優先級策略和固定信道預留策略的切換呼叫失敗率逐漸增大，而動態信道預留策略的切換呼叫失敗率增加至0.05后保持穩定，這是因為動態信道預留策略設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值，就會增加新的預留信道來接入切換呼叫，從而使切換呼叫失敗率穩定在0.05。對多優先級的3種切換策略進行比較，可以發現對于無優先級策略而言，無論是何種優先級、切換呼叫還是新呼叫，它的接入失敗率都比較一致，這是因為無優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，都是優先級較高的用戶接入失敗率較低，而在同一優先級情況下，切換呼叫的失敗率又要低于新呼叫阻塞率，這與實際的仿真要求是一致的。

圖7分析了整個系統的服務質量，按照式(4)所示，取α0=0.4，α1=0.6，β1=0.5，β2=0.3，β3=0.2的權值，可以看出，QoS越大，系統的性能越差；QoS越小，系統的性能越好。顯然，動態信道預留策略性能最好，固定信道預留策略次之，無優先級策略性能最差。

圖7 服務質量

4 結束語

基于中星16號衛星的具體參數和波束覆蓋情況以及民用機載終端的運動模型，對多場景下衛星通信系統中的接入切換進行了研究，考慮多用戶場景，對各用戶終端進行優先級劃分，對多優先級的信道分配策略進行仿真分析。以新呼叫到達率(平均每秒鐘到達新呼叫數)作為變量，對無優先級策略、多優先級固定信道預留策略與多優先級動態信道預留策略下的接入阻塞率以及切換失敗率進行仿真，并根據接入阻塞率與切換失敗率計算得到服務質量曲線。隨著用戶新呼叫業務量的增加，接入阻塞率和切換失敗率均不斷增加。對比3種策略，單獨觀察每個優先級用戶的接入切換情況，如第3節所分析，得到性能方面的提升，從整體來說，根據服務質量曲線來看，動態預留策略得到的效果要好一些。