基于雨衰環(huán)境下的多波束衛(wèi)星資源分配策略

于 佳 宗 鵬

（南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，南京 210016）

基于雨衰環(huán)境下的多波束衛(wèi)星資源分配策略

于 佳 宗 鵬

（南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，南京 210016）

針對(duì)雨衰對(duì)高頻段的衛(wèi)星通信造成的不利影響，采用自適應(yīng)前向糾錯(cuò)編碼（FEC，F(xiàn)orward Error Correction）使傳輸?shù)男畔⒘繙p少，提出了一種雨衰下的自適應(yīng)信道分配的策略.該方法是采用調(diào)整冗余信道來保障信息信道的傳輸量以滿足系統(tǒng)對(duì)誤碼率的要求，達(dá)到可靠和有效地利用有限的衛(wèi)星信道資源的目的.通過仿真分析了該策略針對(duì)不同的頻段和降雨情況下對(duì)呼叫產(chǎn)生的影響，分析中考慮了話音業(yè)務(wù)享有比數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)更高的優(yōu)先權(quán).仿真結(jié)果表明利用冗余信道傳輸用于糾錯(cuò)的冗余信息可以保證在不產(chǎn)生通信中斷的前提下，可以滿足系統(tǒng)對(duì)信道誤碼率的要求.

資源分配;雨衰;自適應(yīng)編碼;通信鏈路;誤碼率

由于衛(wèi)星通信具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活和覆蓋范圍大等優(yōu)點(diǎn)，衛(wèi)星通信將是機(jī)動(dòng)和大范圍通信的最佳的選擇，尤其對(duì)于沒有地面網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域和相距較遠(yuǎn)的用戶.由于低軌衛(wèi)星相比高軌衛(wèi)星來說軌道低、通信時(shí)延小，可以與低功率的手持終端提供直接通信，因此小型手持移動(dòng)終端在提供全球?qū)崟r(shí)通信方面有很多特有的優(yōu)點(diǎn).而且，低軌衛(wèi)星地面覆蓋是多小區(qū)蜂窩覆蓋，可以提供比高軌衛(wèi)星更多的業(yè)務(wù)容量.但是，衛(wèi)星通信是一個(gè)開放的通信系統(tǒng)，其通信鏈路易受外部條件的影響，比如雨衰的影響［1－2］，尤其在高頻段通信中，雨衰對(duì)通信質(zhì)量的影響更為嚴(yán)重.

許多文獻(xiàn)研究信道分配方法都是基于理想的通信環(huán)境［3－4］，沒有考慮到突發(fā)情況對(duì)信道帶來的影響.本文針對(duì)雨衰的情況，提出了一種在雨衰情況下應(yīng)用的信道分配方法，仿真結(jié)果表明，新的分配方法能有效的緩解雨衰的影響，保證通信的質(zhì)量.

1 理論分析

在具有多個(gè)點(diǎn)波束的LEO（Low Earth Orbit）衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，每個(gè)點(diǎn)波束在地面的投影區(qū)都是一個(gè)小區(qū)，假設(shè)每個(gè)小區(qū)的可用總帶寬為C.在話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并存的條件下，根據(jù)各業(yè)務(wù)所處狀態(tài)的不同，將其分成了話音新呼叫、話音切換呼叫、數(shù)據(jù)新呼叫和數(shù)據(jù)切換呼叫，它們到達(dá)率分別為服從參數(shù):λnv，λhv，λnd，λhd的泊松分布，服務(wù)時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布.1/μd和1/μ分別為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和話音業(yè)務(wù)的平均服務(wù)時(shí)間.各類型呼叫對(duì)時(shí)延的要求不同，話音的優(yōu)先級(jí)要高于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如果在總帶寬為C的情況下，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)只能使用的帶寬值為K，而剩下的C-K的帶寬只為話音業(yè)務(wù)服務(wù)，保證了話音業(yè)務(wù)的優(yōu)先權(quán).另外，由于雨衰的影響，造成了有用信息傳輸量的減少，本文采用了冗余信道保障技術(shù)，該技術(shù)是通過增加帶寬和自適應(yīng)編碼的方式，既保證了有用信息傳輸量，又滿足了系統(tǒng)對(duì)誤碼率的要求.

1.1 系統(tǒng)模型

衛(wèi)星信道的時(shí)變特性不但會(huì)影響接收數(shù)據(jù)的正確性，還會(huì)影響上行及下行鏈路的信噪比變化.在傳輸鏈路上根據(jù)不同的信噪比采用相應(yīng)的信道編碼方式可以保證信道的誤碼率.將每種編碼組合稱為一種模式，每種模式都有相應(yīng)的信噪比范圍，劃分為:［δ0，δ1］，［δ1，δ2］，…，［δL－1，δL］共 L個(gè)區(qū)間.

本文為了緩解雨衰對(duì)通信質(zhì)量的影響，采用了多種前向糾錯(cuò)（FEC，F(xiàn)orward Error Correction）信道編碼方式.圖1是FEC編碼的信噪比與誤碼率的關(guān)系圖.

圖1 FEC編碼信噪比與誤碼率關(guān)系圖

不同的信噪比區(qū)間選擇不同編碼方式，由于話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)誤碼率的要求不同，話音業(yè)務(wù)能承受的最大誤碼率為10－3，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能承受的最大誤碼率為10－5，因此選擇編碼模式也不同.表1中給出了信噪比范圍和編碼模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系.為了要保證有用信息的傳輸速率，因此不同的編碼模式要求不同的信道帶寬的補(bǔ)償.其中E（t）為話音業(yè)務(wù)的信道帶寬補(bǔ)償比例，F(xiàn)（t）為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信道帶寬補(bǔ)償比例，Bv為話音業(yè)務(wù)的占用帶寬，Bd為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的占用帶寬，雨衰下的占用帶寬表示如下.

式中，Bsv為晴天下話音業(yè)務(wù)的占用帶寬;Bsd為晴天下數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的占用帶寬.

對(duì)用戶來說，話音業(yè)務(wù)的中斷比數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)更加難以接受，因此，為了保證話音業(yè)務(wù)的優(yōu)先權(quán)，首先，在話音與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)同時(shí)到達(dá)時(shí)，接入話音業(yè)務(wù)的概率遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù).

其次，話音業(yè)務(wù)能使用小區(qū)中全部帶寬C，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)只能占用帶寬K，這樣保證了即使有大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達(dá)小區(qū)時(shí)，仍有C-K的帶寬可供話音業(yè)務(wù)使用，保證了話音業(yè)務(wù)的高優(yōu)先級(jí).

在晴天的情況下，當(dāng)空閑帶寬小于帶寬C時(shí)，話音業(yè)務(wù)可以接入小區(qū)，空閑帶寬小于K時(shí)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以接入小區(qū)，表示如下:

式中i，j為小區(qū)中當(dāng)前使用的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的數(shù)量.在雨天的情況下，表示如下:

表1 信噪比范圍和編碼模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2 數(shù)學(xué)分析

在給出誤碼率的最低標(biāo)準(zhǔn)后，每個(gè)時(shí)刻的信道補(bǔ)償比例給定，晴天下小區(qū)中能容納的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的數(shù)量為

式中，［X］為取整;S為小區(qū)中業(yè)務(wù)占用信道的狀態(tài)空間.

式中，a為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用的信道與話音業(yè)務(wù)占用帶寬之比.

二維馬爾可夫過程如圖2所示，q（i，j;i'，j'）表示從狀態(tài)（i，j）轉(zhuǎn)移到（i'，j'）的概率，其中，在雨天的情況下，概率為

式中，πv（i，j;i+1，j）表示新到達(dá)了語音呼叫時(shí)，有足夠帶寬能夠接入新呼叫的概率，πv（i，j;i，j+1）表示新到達(dá)了數(shù)據(jù)呼叫時(shí)，有足夠帶寬能夠接入新呼叫的概率.

由于新呼叫和切換呼叫優(yōu)先級(jí)相同，所以切換失敗率和新呼叫阻塞率相同.

話音業(yè)務(wù)的新呼叫阻塞率（切換失敗率）為

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的新呼叫阻塞率（切換失敗率）為

式中p（i，j）為處于狀態(tài)（i，j）概率.

1.3 通信鏈路的計(jì)算

E（t）與F（t）為話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信道帶寬補(bǔ)償比例，它們的取值取決于當(dāng)前狀態(tài)下所選的編碼方式，而編碼方式的選擇取決于當(dāng)前鏈路的信噪比，雨衰是主要影響信噪比的因素，因此，E（t）與F（t）的取值主要取決于雨衰.

鏈路信噪比的計(jì)算為

圖2 二維馬爾可夫狀態(tài)圖

式中，Pt為發(fā)射功率;Gt為發(fā)射天線的增益;LP為自由空間鏈路損耗;Lm為其他雜損;Gc為編碼增益;Gr為接收天線增益;B為帶寬;K為玻爾茲曼常數(shù);T為噪聲溫度;A為雨衰.除了雨衰是不可預(yù)知的，其他參數(shù)均為可預(yù)知的值.

雨衰的計(jì)算如下:

式中，Ath為此刻能承受的最大雨衰值;（Eb/N0）cs是晴天下的信噪比;（Eb/N0）th是達(dá)到誤碼率門限的最小信道比.

由于雨衰隨著時(shí)間在變化，令呼叫持續(xù)時(shí)間為Ts，通信結(jié)束時(shí)刻，雨衰為

通信開始時(shí)刻的雨衰為

在文獻(xiàn)［5］中給出了兩個(gè)不同時(shí)刻的雨衰值的關(guān)系為

式中，Q（x），Sa的計(jì)算在文獻(xiàn)［4］中均已給出.計(jì)算出雨衰值，即可得到信噪比.根據(jù)當(dāng)前的信噪比值，找到對(duì)應(yīng)信噪比區(qū)間的信道編碼模式，算出E（t）與F（t）值，根據(jù)式（3）判斷小區(qū)是否有足夠的空閑信道能夠容納新呼叫或切換呼叫，最后選擇接受或者拒絕呼叫.

2 仿真結(jié)果

仿真的模型以低軌衛(wèi)星中的銥星為例，銥星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立在之前的研究中已經(jīng)完成［5］，使用的仿真參數(shù)如表2所示，話音業(yè)務(wù)能承受的最大誤碼率為10－3，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能承受的最大誤碼率為 10－5［6］，1/2FEC，2/3FEC，3/4FEC，5/6FEC，7/8FEC編碼的補(bǔ)償比例 E（t）（或F（t））分別為1，1/2，1/3，1/5，1/7.因?yàn)樵捯魳I(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在總帶寬中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)只能使用其中80%的信道.

本仿真的終端分布在南京地區(qū)，仿真南京的業(yè)務(wù)情況，南京的降雨量為年平均60 mm/h，海拔8.9 m.

上行鏈路和下行鏈路均采用MF-TDMA接入方式.銥星系統(tǒng)的總帶寬為10.5 M，其中時(shí)分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）和頻分多址（FDMA，F(xiàn)requency Division Multiple Access）結(jié)構(gòu)如圖3所示.圖中 UL1，UL2，UL3，UL4為上行鏈路時(shí)隙，DL1，DL2，DL3，DL4 為下行鏈路時(shí)隙.上行鏈路和下行鏈路的資源分配方法是一樣的，因此在仿真中只討論上行鏈路的資源分配.

表2 仿真參數(shù)

圖3 銥星TDMA與FDMA結(jié)構(gòu)示意圖

每顆銥星有48個(gè)波束，每個(gè)波束有240/48=5個(gè)頻率，因?yàn)轭l率復(fù)用因子為12，因此每個(gè)波束有240/12=20個(gè)頻率，可用上行鏈路有4個(gè)時(shí)隙，下行鏈路有4個(gè)時(shí)隙，因此每個(gè)波束的上行鏈路的可用信道有20×4=80個(gè)信道.每個(gè)頻率一個(gè)信道，每個(gè)單獨(dú)的頻率信道由4個(gè)TDMA時(shí)隙組成.整個(gè)資源的分布可以用一個(gè)二維陣列來表示，圖4是上行鏈路一個(gè)衛(wèi)星覆蓋下48個(gè)波束中一個(gè)波束的資源分布圖.

圖4 資源分配圖

帶寬調(diào)整過程如圖5所示.

圖5 自適應(yīng)信道分配流程圖

圖6 不同頻率下話音數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)新呼叫阻塞率

圖7 不同頻率下話音數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)切換失敗率

由圖6和圖7可以看出新呼叫阻塞率和切換失敗率隨著業(yè)務(wù)量和頻率的增加而增加，話音業(yè)務(wù)的新呼叫阻塞率在0.17～0.42之間變化（不同頻率），而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的阻塞率在0.58～0.9之間變化.話音的切換失敗率在10－5～2×10－4之間變化，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的切換失敗率在5×10－4～2×10－3之間變化.話音業(yè)務(wù)的新呼叫阻塞率和切換失敗率比數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)小，首先因?yàn)樵捯魳I(yè)務(wù)享有比數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)更高的優(yōu)先權(quán)，且同樣的環(huán)境下占用的信道少，其次因?yàn)樵捯舫掷m(xù)時(shí)間小于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)持續(xù)時(shí)間.滿足了用戶對(duì)話音業(yè)務(wù)的低切換率的要求.圖8中信道利用率隨業(yè)務(wù)量的增加而增加，隨頻率增加而減少.業(yè)務(wù)量越多，新造資源中空閑的信道越少，因此信道利用率越高.頻率越高，雨衰越大，為了保證有用信息的傳輸量，動(dòng)態(tài)增加的信道數(shù)越多，因此導(dǎo)致新呼叫的阻塞率，切換失敗率的上升和信道利用率的下降.本文仿真的是南京地區(qū)的業(yè)務(wù)情況，降雨量取的是60 mm/h.如果降雨量不限制，而頻率定在12 GHz，那么降雨量最高可以達(dá)到150 mm/h（不同頻率下最大降雨量的結(jié)果也不同）.

圖8 不同頻率的信道利用率

由圖9和圖10可以看出，在晴天和恒定業(yè)務(wù)量的情況下，由于話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分配信道數(shù)量不隨信道占用時(shí)間的影響，因此新呼叫阻塞率和切換失敗率是恒值.例如，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)新呼叫阻塞率恒為0.514，話音業(yè)務(wù)的切換失敗率恒為2.3×10－6，而在雨天的情況下，由于雨衰的原因，造成信噪比動(dòng)態(tài)變化而引起誤碼率變化，要滿足系統(tǒng)對(duì)誤碼率的要求，采用自適應(yīng)編碼，為了滿足有用信息的傳輸量，必須動(dòng)態(tài)增加信道的數(shù)量，誤碼率越高，增加的信道數(shù)就越多，而導(dǎo)致了新呼叫阻塞率和切換失敗率隨誤碼率的增加而增加.由于雨衰值是隨著業(yè)務(wù)占用信道的時(shí)間的增加而增加［7］，因此語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平均持續(xù)時(shí)間越長，雨衰越大［8］，增加的信道數(shù)量越多，因此新呼叫阻塞率和切換失敗率越大.

圖9 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)新呼叫阻塞率與誤碼率的關(guān)系

圖10 話音業(yè)務(wù)切換失敗率與誤碼率的關(guān)系

3 結(jié)論

本文提出的降雨情況下的自適應(yīng)信道分配算法根據(jù)不同的降雨情況，采用調(diào)整信道帶寬補(bǔ)償比例，動(dòng)態(tài)的為業(yè)務(wù)分配信道，并采用給話音業(yè)務(wù)預(yù)留信道的方法，保證了語音業(yè)務(wù)的切換失敗率和新呼叫阻塞率.該算法以新呼叫阻塞率為代價(jià)，在保證誤碼率達(dá)到系統(tǒng)要求的同時(shí)，又保證了信道中有用信息的傳輸量，并且滿足系統(tǒng)對(duì)切換失敗率的要求.本文對(duì)該算法進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)和分析，以銥星系統(tǒng)為背景建立仿真系統(tǒng)，理論分析與仿真結(jié)果得到了相互驗(yàn)證.該算法為低軌衛(wèi)星系統(tǒng)中多種衰減環(huán)境下的信道分配算法研究提供了參考，并且為接下來對(duì)雨衰下信道帶寬補(bǔ)償比例的研究奠定了基礎(chǔ).

（References）

［1］CakajS.Rain attenuation impact on performance of satellite ground stations for low earth orbiting（LEO）satellites in Europe［J］.International Journal of Communications，Networks and System Sciences，2009，2（6）:480－485

［2］Nakazawa S.A method to transform rainfall rate to rain attenuation and itsapplication to 21 GHzband satellite broadcasti-ng［J］.IEICE Transactionson Communications，2008，E91-B（6）:1806－1181

［3］RongaL S.Resourceallocation mechanisms in satellite cooperative systems［C］//5th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 11th Signal Processing for Space Communications Workshop.Cagliari，Italy:IEEE，2010:301－308

［4］Dong Qijia.Channel management realization in MF-TDMA satellite systems［J］.Journal of Electronics and Information Technology，2009，31（10）:2378－2384

［5］Panagopoulos A D，Arapoglou P D M，Cottis P G.Satellite communications at KU，KA，and V bands:propagation impairments and mitigation techniques［J］.IEEE Surv ＆ Tut，2004，6（3）:2－14

［6］Yu Jia，Zong Peng.The analysis and simulation of communication network in Iridium system based on OPNET［C］//The 2nd IEEE International Conference on Information Management and Engineering.Chengdu:IEEE Computer Society，2010:68－72

［7］Panagopoulos A D.On the rain attenuation dynamics:spatialtemporal analysis of rainfall rate and fade duration statistics［J］.Int J Sat Commun Netw，2003，21（6）:595－611

［8］Michelson D G.Simulation of rain fading and scintillation on Kaband earth-LEO satellite links［C］//Canadian Conference on E-lectrical andComputerEngineering.Canada:IEEE，2009:635－640

Resource allocation scheme under rain fading in multi-beam mobile satellite systems

Yu Jia Zong Peng
（College of Astronautics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

An efficient dynamic resource calculation algorithm applicable to satellite networks was presented.The rain attenuation was taken into account，and adaptive forward error correction（FEC）coding technology was used to mitigate the decrease in signal to noise ratio caused by rain.In order to guarantee the information date rate and bit error rate，the proposed scheme adaptively increases the number of channels to transmit more information date.The algorithm's performance was validated through simulation of different rain rates and frequencies，and the theoretical analysis and simulation results were matched perfectly.

resource allocation;rain attenuation;adaptive coding;communication link;bit error rate

TN 927

A

1001-5965（2012）03-0291-06

2010-11-20;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:

時(shí)間:2012-03-28 15:12

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120328.1512.001.html

于 佳 （1985－），女，江蘇金壇人，博士生，yujiahahaha@126.com.

（編 輯:張 嶸）