ＬＥＯ衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)用戶切換探討

周宇男

摘要：低軌道（LEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是衛(wèi)星距離地面500～1500km，運行周期2～4小時的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。銥系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)及系統(tǒng)是地軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)發(fā)展最快的范例。LEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景

關鍵詞：低軌道衛(wèi)星;通信系統(tǒng);切換管理

1 LEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的特點

低軌（LEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)與中軌（MEO）和靜止軌道（GEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)比較，具有以下特點：

1.1 由于具有更小的信號衰減和更低的傳播時延，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)更有利于實現(xiàn)個人全球通信。LEO系統(tǒng)的路徑傳輸損耗通常比GEO低幾十分貝，所需發(fā)射功率是GEO的1/200-1/2000，傳播時延僅為GEO的1/7~1/50，這對于實現(xiàn)終端手持化和達到話音通信所需要的延時要求是十分有利的。

1.2 蜂窩通信、多址、點波束、頻率復用等技術的發(fā)展為LEO衛(wèi)星移動通信提供了技術保障。

1.3 由于地面移動終端對衛(wèi)星的仰角較大，天線波束不易受到地面反射的影響，可避免多徑衰落。

1.4 它在若干個軌道平面上布置多個衛(wèi)星，由星間通信鏈路將多個軌道平面上的衛(wèi)星聯(lián)接起來。整個星座如同結構上連成一體的大型平臺，在地球表面形成蜂窩狀服務小區(qū)，服務區(qū)用戶至少被一個衛(wèi)星覆蓋，用戶可隨時接入系統(tǒng)。

1.5 由于衛(wèi)星的高速運動和衛(wèi)星數(shù)目多，也帶來了多普勒頻移嚴重和星間切換控制復雜等問題。但不管怎樣，低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的上述特點對于支持實現(xiàn)個人通信是有巨大吸引力的。

2 LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶切換的一般過程

低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星的高速運動，使得它的波束覆蓋區(qū)也跟著移動，而波束覆蓋區(qū)的移動速度遠大于用戶的運動速度，因此，在LEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，切換主要是由于衛(wèi)星波束移動引起的。

對于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的呼叫切換，通常經歷這樣一個過程：

2.1 用戶周期測量當前使用波束和鄰近波束的導頻信號或廣播信道的信號強度的變化，以便確定它是否正在穿越相鄰波束之間的邊界或者處于相鄰波束的重疊區(qū)內。

2.2 若用戶進入相鄰波束的重疊區(qū)，達到切換觸發(fā)的條件，將開始啟動切換過程。用戶中止利用當前波束進行通信，等待分配信道利用新波束進行通信。

2.3 切換過程開始后，需要在新到達波束中為該用戶按照一定的信道分配算法進行信道分配，并在原先波束中釋放使用的信道；如果采用了波束內切換或信道重安排，則原先波束還須按照呼叫結束后的信道重安排算法進行波束內的信道優(yōu)化分配，進行必要的波束內分配。分配完成后，將數(shù)據流從舊鏈路轉移到新鏈路上來，完成切換。

3 LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶切換的種類

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶切換可分為以下類型：

3.1 同一信關站和衛(wèi)星的不同波束之間的切換

目標波束和現(xiàn)用波束在同一信關站和同一衛(wèi)星內，該切換涉及兩個波束的信道分配和修改同一信關站(不采用星上交換)或衛(wèi)星(采用星上交換)的交換路由表。

3.2 同一信關站不同衛(wèi)星之間的切換

目標波束與現(xiàn)用波束不在同一顆衛(wèi)星內、但在同一個信關站范圍內，它涉及兩顆衛(wèi)星的信道分配；對于采用星上交換的體制，需要改變兩顆衛(wèi)星星上交換路由表；對于衛(wèi)星透明轉發(fā)的體制，需要修改信關站交換路由表。

3.3 不同信關站同一衛(wèi)星的波束間的切換

目標波束和現(xiàn)用波束屬于同一顆衛(wèi)星，但屬于不同的信關站，它涉及兩個信關站之間的切換，包括信道分配、改變地面線路連接、位置更新、記費等，對于采用星上交換的衛(wèi)星還需要改變其交換路由表。

3.4 不同信關站不同衛(wèi)星之間的切換

目標波束和先用波束屬于不同的衛(wèi)星且屬于不同的信關站，它涉及兩個信關站和兩顆衛(wèi)星之間的切換，信關站涉及信道分配、改變地面線路連接、位置更新、記費等問題，對于采用星上交換的衛(wèi)星需要改變其交換路由表。

4 LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中用戶切換目標衛(wèi)星的選擇準則

在低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的切換控制中，切換的目標衛(wèi)星的選擇策略對切換的最終性能也有著直接的影響。因此，根據系統(tǒng)的需要，設計出適合于本系統(tǒng)的切換目標衛(wèi)星選擇方案至關重要。目前，低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的切換目標衛(wèi)星選擇策略主要有以下幾種：最近衛(wèi)星準則、最強信號準則、最長可視時間準則、最多可用信道數(shù)準則、覆蓋時間與仰角加權準則及最小跳數(shù)切換準則。

其中，最近衛(wèi)星準則認為距離用戶終端最近（仰角最大）的衛(wèi)星能夠提供很好的服務質量（QoS），可從純幾何上對其性能進行分析，也稱為最大仰角準則。采用該準則時，用戶終端在任何時候都選擇能夠為其提供最大仰角的衛(wèi)星。該準則實現(xiàn)簡單，但一般不會在實際系統(tǒng)中采用，因為它既沒有考慮無線信號在空中的傳播條件，也沒有考慮網絡的運行狀況。

最強信號準則是終端在任何時候選擇能夠接收到最強信號的衛(wèi)星。擁有足夠高的信號強度是無線通信的一個基本條件，可以認為最強信號衛(wèi)星準則能夠提供較好的服務質量。

最長可視時間準則又稱為最大覆蓋時間準則。按照這個策略，用戶將利用星座系統(tǒng)運行的先驗知識，始終選擇具有最大服務時間的衛(wèi)星作為其切換的目標衛(wèi)星。該準則基于對最小化系統(tǒng)的切換請求到達率考慮，延長了切換后呼叫一直被某個衛(wèi)星服務的時間，從而可獲得較低的被迫中斷概率。

最多可用信道數(shù)準則為：用戶選擇具有最多可用信道數(shù)的衛(wèi)星為它提供服務。該準則出于對整個系統(tǒng)信道資源利用率考慮，以使衛(wèi)星系統(tǒng)中每個衛(wèi)星所承載的業(yè)務量趨于均勻分布，避免因某個衛(wèi)星節(jié)點超負荷而失效，從而影響到整個系統(tǒng)性能。應用這個準則時，不管衛(wèi)星的具體位置，新呼叫和切換呼叫會經歷相同的阻塞率或被迫中斷概率，從而可以避免出現(xiàn)某個衛(wèi)星超載的情況。

最小跳數(shù)切換準則則應用于具有星上路由的情況，策略要求用戶在任何時候都選擇能夠為其提供最少跳數(shù)路徑的衛(wèi)星。在具體實現(xiàn)過程中，通信雙方周期性檢測其可見衛(wèi)星中是否有比當前通信路徑的跳數(shù)更少的路徑，如果存在則進行切換，否則繼續(xù)使用當前衛(wèi)星進行通信。當然，如果通信雙方的當前衛(wèi)星出現(xiàn)低于最小仰角（或信噪比）時，也需要進行切換。假定衛(wèi)星系統(tǒng)使用準靜態(tài)路由算法，路由表項中帶有衛(wèi)星到衛(wèi)星的路由跳數(shù)，而且其路由信息隨著網絡拓撲變化由系統(tǒng)自動刷新。

5 低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶切換與路由

在切換時，由于服務衛(wèi)星的改變，對于采用星上交換和星上路由的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，原有路由也需要被重新建立。重建路由有以下幾種方案：全路由重建，部分路由重建，重路由結合擴展路由，動態(tài)概率優(yōu)化路由，最小跳數(shù)路由。

其中全路由重建衛(wèi)星切換方案：原有路由完全被新路由代替，該方案得到的新路由仍然是最優(yōu)化路徑，但其處理時延比較大。

部分路由重建衛(wèi)星切換方案：當切換發(fā)生時，原有路由被部分保存，只有變化部分被更新，該方案處理時延比較小，但新生成的路由可能不是最優(yōu)化路徑。

重路由與擴展路由結合：切換后首先進行路由擴展，再進行路由優(yōu)化。以降低延時，但信令開銷增大。

動態(tài)概率優(yōu)化路由：全路由重建節(jié)約帶寬，但是擴大了信令資源，需要選擇合適的優(yōu)化概率P，在帶寬和信令資源之間折中。即并不對所有擴展后的路由進行優(yōu)化，而是以概率P，對一部分路由進行優(yōu)化，一部分仍保持原擴展路由。

最小跳數(shù)路由策略：用戶在任何時候都選擇能夠為其提供最少跳數(shù)路徑的衛(wèi)星。通信雙方周期性檢測其可見衛(wèi)星中是否有比當前通信路徑的跳數(shù)更少的路徑，如果存在則進行切換，否則繼續(xù)使用當前衛(wèi)星進行通信。該策略能夠獲得較低的傳播延時和較小的切換頻率，具有很好的系統(tǒng)性能。

參考文獻

[1] 陳振國，楊鴻文，郭文彬.衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術.北京：北京郵電大學出版社，2003

[2] 劉剛.低軌衛(wèi)星星座網的切換研究.通信學報，2004(25)

[3] 王亮，張乃通.LEO網絡中衛(wèi)星切換的動態(tài)概率優(yōu)化策略.通信學報，2002