低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中改進(jìn)的綜合加權(quán)接入算法

別玉霞，焦 棟，劉海燕

(大連大學(xué)a.遼寧省通信網(wǎng)絡(luò)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

責(zé)任編輯:薛 京

隨著全球通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于地面網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)越來越不能滿足用戶大量的通信業(yè)務(wù)需求。由于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋、靈活性好，能夠?yàn)橛脩籼峁└鼘挼膸捯员ＷC高速率的信息傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，使得衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)成為發(fā)展的必然。低軌衛(wèi)星的軌道高度比較低，信號(hào)的傳播路徑也比較短，傳播過程中的信息損耗以及時(shí)延都比較小，可以更好地傳輸實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，為實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信提供了有利條件［1－3］。

由于低軌衛(wèi)星的數(shù)目較多，多星覆蓋率較高，用戶終端可能被多顆衛(wèi)星同時(shí)覆蓋。比如全球星系統(tǒng)，雙星覆蓋率超過80%，雙星以上的覆蓋率也超過50%。在低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，必須考慮呼叫接入問題，不僅包括新用戶在本小區(qū)內(nèi)建立新連接所涉及的呼叫接入，還包括相鄰小區(qū)內(nèi)切換過來的那部分呼叫請(qǐng)求的接入［4］。針對(duì)以上兩種情況，需要對(duì)低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的接入算法進(jìn)行研究。

1 現(xiàn)有的低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)接入算法

針對(duì)低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的接入問題，很多文獻(xiàn)都提出了相應(yīng)的接入算法，包括最短距離接入算法、最長(zhǎng)覆蓋時(shí)間接入算法［5］、負(fù)載均衡接入算法、綜合加權(quán)接入算法［6］。其中綜合加權(quán)接入算法，對(duì)仰角、衛(wèi)星覆蓋時(shí)間、衛(wèi)星空閑信道數(shù)進(jìn)行了綜合考慮，這也是目前應(yīng)用比較多的接入算法。

1)最短距離接入算法:在該算法中，用戶終端在任何時(shí)候都選擇距離用戶最近的衛(wèi)星進(jìn)行接入。這種算法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是沒有考慮大氣中無線信號(hào)的傳播情況以及無線鏈路中陰影效應(yīng)等影響，因此這種算法的接入性能不佳，實(shí)用性不強(qiáng)。

2)最長(zhǎng)覆蓋時(shí)間接入算法:用戶終端在任何時(shí)候都選擇對(duì)其覆蓋時(shí)間最長(zhǎng)的衛(wèi)星接入。這種算法能夠最大程度地減少系統(tǒng)切換請(qǐng)求到達(dá)率，可以獲得較低的強(qiáng)制中斷率，但對(duì)于呼叫時(shí)間較短的用戶，這種方案選擇的衛(wèi)星信號(hào)不是最好的。

3)負(fù)載均衡接入算法:該算法要求用戶終端在任何情況下都選擇空閑信道數(shù)最多的衛(wèi)星進(jìn)行接入，這樣能夠防止部分衛(wèi)星過載，使整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載趨于平衡，但該算法相對(duì)比較單一，同樣沒有考慮無線鏈路的通信質(zhì)量狀況。

4)綜合加權(quán)接入算法:該算法綜合考慮了仰角、覆蓋時(shí)間、空閑信道數(shù)因素，其中覆蓋時(shí)間和空閑信道數(shù)采用線性加權(quán)，仰角采用非線性加權(quán)。本文將這種算法稱之為原始綜合加權(quán)接入算法。計(jì)算公式為

式中:Ct代表目標(biāo)性能函數(shù);α代表衛(wèi)星覆蓋用戶的時(shí)間加權(quán)系數(shù);β代表衛(wèi)星對(duì)用戶仰角的加權(quán)系數(shù);γ代表衛(wèi)星的空閑信道加權(quán)系數(shù)，且α=β=γ=1;Tover為覆蓋時(shí)間;Tmax為系統(tǒng)最大單星覆蓋時(shí)間;θmin為系統(tǒng)的最小仰角;θ為系統(tǒng)仰角;Cfree為用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的衛(wèi)星剩余空閑信道數(shù);Call為單顆衛(wèi)星信道總數(shù)。該算法通過仰角因素來衡量無線鏈路實(shí)際的通信質(zhì)量狀況是不夠的，雖然理論上盡可能選擇仰角大的衛(wèi)星接入，但在實(shí)際情況中由于無線鏈路陰影效應(yīng)等影響，空間集合上仰角大的衛(wèi)星并不一定能提供最好的通信質(zhì)量，而且當(dāng)仰角趨近最小時(shí)，衛(wèi)星信道會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重惡化。

基于此，本文重點(diǎn)考慮無線鏈路的通信質(zhì)量狀況，將衛(wèi)星覆蓋時(shí)間、衛(wèi)星空閑信道數(shù)、衛(wèi)星接收信號(hào)的信噪比進(jìn)行加權(quán)，提出了改進(jìn)的綜合加權(quán)接入算法。

2 改進(jìn)的綜合加權(quán)接入算法

在用戶終端與低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)，無線鏈路的通信質(zhì)量非常重要［7］，而接收信號(hào)的信噪比真正反映了無線鏈路的通信質(zhì)量狀況，信噪比大則鏈路質(zhì)量好。本文提出的改進(jìn)的綜合加權(quán)接入算法，既保留了最長(zhǎng)覆蓋時(shí)間接入算法的優(yōu)點(diǎn)，又保證了接入時(shí)基本的鏈路通信質(zhì)量，同時(shí)還盡量使空間的通信業(yè)務(wù)量趨于均衡，避免了呼叫繁忙的部分衛(wèi)星過載。

2.1 改進(jìn)的綜合加權(quán)接入算法

在低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)綜合加權(quán)接入算法中，可以根據(jù)算法中涉及的參數(shù)來計(jì)算衛(wèi)星的優(yōu)先級(jí)。覆蓋時(shí)間、空閑信道以及接收信號(hào)的信噪比均采用線性加權(quán)?，F(xiàn)設(shè)定其目標(biāo)函數(shù)為

式中:μ代表衛(wèi)星接收信號(hào)信噪比的加權(quán)系數(shù);S代表用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的接收信號(hào)的信噪比，Smin代表信噪比閾值，Smax代表信噪比的最大值，且滿足 Tover≤Tmax，Cfree≤Call，S≥Smin，C≥Cmin。

約束條件中S≥Smin是基本通信質(zhì)量的保證，C≥Cmin是衛(wèi)星有剩余空閑信道的保證。在滿足約束條件的前提下，若用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接收到的衛(wèi)星覆蓋時(shí)間Tover越大，衛(wèi)星接收信號(hào)的信噪比S越大，衛(wèi)星剩余空閑信道數(shù)Cfree越多，則性能測(cè)度函數(shù)值越大。性能函數(shù)值越大，表明用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接收到的衛(wèi)星覆蓋時(shí)間、通信無線鏈路質(zhì)量和衛(wèi)星負(fù)荷這3個(gè)因素綜合性能越好。加權(quán)系數(shù)調(diào)整使該策略更具靈活性，系統(tǒng)可以根據(jù)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整從而使系統(tǒng)的接入性能達(dá)到更優(yōu)。

2.2 參數(shù)的計(jì)算

設(shè)星座系統(tǒng)軌道傾角為i，軌道高度為h，S為衛(wèi)星的星下點(diǎn)，M是地面用戶節(jié)點(diǎn)，σ是衛(wèi)星對(duì)地面的最大覆蓋地心角，φ是衛(wèi)星的最大半視角，則某時(shí)刻衛(wèi)星對(duì)地面的覆蓋區(qū)是以衛(wèi)星與地心O的連線為軸線、半徑等于地球半徑R、球面角等于2σ的球帽區(qū)。設(shè)衛(wèi)星在任一時(shí)刻t(t＞0)的星下點(diǎn)經(jīng)度緯度(λs，ψs)，地面用戶m的經(jīng)緯度為(λm，ψm)，則用戶與地心O、星下點(diǎn)S的地心角γ滿足

用戶被該衛(wèi)星覆蓋的時(shí)間Tover近似為

式中:V是衛(wèi)星相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)速度。

對(duì)于每顆衛(wèi)星總的信道數(shù)以及剩余信道數(shù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。

在對(duì)信噪比進(jìn)行計(jì)算時(shí)，用戶終端為發(fā)射端，衛(wèi)星為接收端，設(shè)地球站有效全向輻射功率為EIRP，鏈路的傳播損耗為L(zhǎng)U，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線的增益為GRS，則衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)輸入端的載噪比［8］為

式中:Ts為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端等效噪聲溫度，BS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)帶寬，k為常數(shù)，這些都是已知量。

根據(jù)載噪比和信噪比的關(guān)系

可以得出信噪比為

式中:R為比特傳輸速率;B為接收系統(tǒng)的等效帶寬。

3 仿真實(shí)現(xiàn)和結(jié)果分析

參照典型的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)－Globalstar系統(tǒng)參數(shù)對(duì)改進(jìn)的綜合加權(quán)接入算法進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析，并與綜合加權(quán)接入算法進(jìn)行了比較。具體的仿真參數(shù)包括8個(gè)軌道平面，每個(gè)平面上有6顆衛(wèi)星，軌道的高度為1 414 km，傾度52°，相鄰軌道衛(wèi)星相位差為7.5°，每顆衛(wèi)星240個(gè)信道，Cmin=1，Cmax=240，建立全球非均勻用戶呼叫模型，呼叫到達(dá)率均服從泊松分布，通話時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布，仿真過程記錄了新呼叫阻塞率和強(qiáng)制中斷率隨呼叫到達(dá)率的變化關(guān)系。

由于誤碼率越小，信噪比越大。因此，衛(wèi)星接收前端的信噪比采用誤碼率來衡量，仿真時(shí)設(shè)定誤碼率閾值為1×10－6。本文采用BPSK調(diào)制方式時(shí)，誤碼率Pe與信噪比的關(guān)系為

定義新呼叫阻塞概率Pb，強(qiáng)制中斷概率Pth，其中Pb是指一個(gè)新發(fā)起的呼叫請(qǐng)求無法接入到衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的概率，Pth是指已經(jīng)成功接入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的呼叫在通話過程中發(fā)生通信中斷的概率［9－10］，表示為

圖1反映了新呼叫阻塞率與呼叫到達(dá)率變化的關(guān)系。仿真時(shí)選取5個(gè)參考點(diǎn)，業(yè)務(wù)量從每秒5個(gè)呼叫到每秒25個(gè)呼叫。

圖1 新呼叫阻塞率

從圖1可以看出隨著呼叫到達(dá)率的增加，改進(jìn)的綜合加權(quán)接入算法在性能上要優(yōu)于原始綜合加權(quán)接入算法。當(dāng)呼叫到達(dá)率低于10個(gè)/s時(shí)，由于新呼叫數(shù)目比較少，系統(tǒng)的負(fù)載也相對(duì)較輕，到達(dá)的每個(gè)呼叫基本上都能夠接入到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，因而兩種算法的新呼叫阻塞率都很低，隨著呼叫到達(dá)率的進(jìn)一步增加，兩種算法的新呼叫阻塞率也呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的容量有限，系統(tǒng)將無法提供額外的空閑信道滿足多余的新呼叫接入。由于原始綜合加權(quán)接入算法考慮的仰角因素并不能真正反映無線鏈路的通信質(zhì)量，而改進(jìn)的綜合加權(quán)接入算法考慮了信噪比因素，真正保證了無線鏈路的通信質(zhì)量，可以為用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星接收信號(hào)的信噪比，即使衛(wèi)星空閑信道數(shù)有限，但確保了呼叫的建立，增加了用戶接入衛(wèi)星的概率，因而新呼叫阻塞率降低。

圖2反映了強(qiáng)制中斷率和呼叫到達(dá)率的變化關(guān)系。

圖2 強(qiáng)制中斷率

從圖2可以看出，當(dāng)呼叫到達(dá)率低于10個(gè)/s時(shí)，系統(tǒng)的強(qiáng)制中斷率非常低，這意味著成功接入到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的呼叫沒有發(fā)生通話的中斷，由于切換所造成的呼叫請(qǐng)求也相對(duì)較少。隨著呼叫到達(dá)數(shù)目的不斷增加，發(fā)生切換的概率也不斷增大，切換過來的部分呼叫將繼續(xù)選擇合適的衛(wèi)星接入，在信道資源有限的前提下，強(qiáng)制中斷率必然隨之增大。相比于原始的綜合加權(quán)算法，改進(jìn)的綜合加權(quán)接入算法的強(qiáng)制中斷率得到了明顯的改善，這是因?yàn)楦倪M(jìn)的加權(quán)算法滿足衛(wèi)星的信噪比不小于信噪比閾值，保證用戶的基本通信質(zhì)量，強(qiáng)制中斷率也相應(yīng)降低。

4 結(jié)束語

本文將衛(wèi)星覆蓋時(shí)間、衛(wèi)星空閑信道數(shù)以及衛(wèi)星接收信號(hào)的信噪比進(jìn)行了綜合考慮，提出了一種改進(jìn)的綜合加權(quán)接入算法，對(duì)低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的新呼叫阻塞率和強(qiáng)制中斷率進(jìn)行了仿真分析，從仿真結(jié)果來看，改進(jìn)的綜合加權(quán)接入算法相比于原始的綜合加權(quán)接入算法，新呼叫阻塞率、強(qiáng)制中斷率都得到了明顯的改善，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整加權(quán)系數(shù)的值可以滿足系統(tǒng)的不同需求，用戶終端接入低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的有效性與可靠性得到有效提升。因此改進(jìn)的綜合加權(quán)接入算法既保留了原始的綜合加權(quán)接入算法的優(yōu)點(diǎn)，又保證了基本的無線鏈路通信質(zhì)量，具有現(xiàn)實(shí)意義。

［1］DEL E，F(xiàn)ANTACCI R，GIAMBENE G.Characterization of user mobility in low Earth orbit mobile satellite systems［J］.Wireless Networks，2006，6(3):165－179.

［2］WANG Z P ，MATHIOPOULOS P T.On the performance analysis of dynamic channel allocation with FIFO handover queuing in LEO－MSS［J］.IEEE Trans.Communications，2005，53(9):1443－1446.

［3］ENRICO D R，F(xiàn)ANTACCI R，GIAMBENE G.Characterization of user mobility in low earth orbiting mobile satellite systems［J］.Wireless Networks，2000，6(3):165－179.

［4］PAPAPETROU E，KARAPANTAZIS S，DIMITRIADIS G，et al.Satellite handover techniques for LEO networks［J］.International Journal of Satellite Communications and Networking，2004，22(2):231－245.

［5］凌翔，胡劍浩，吳詩其.低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)接入方案［J］.電子學(xué)報(bào)，2000，28(17):70－73.

［6］黃飛，許輝，周恒，等.LEO衛(wèi)星通信中基于服務(wù)質(zhì)量的綜合加權(quán)方案［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2010，30(10):2411－2414.

［7］徐敬，張生.對(duì)衛(wèi)星通信鏈路干擾仿真分析［J］.指揮控制與仿真，2010，32(4):82－85.

［8］黃飛，許輝，吳詩其.低軌衛(wèi)星通信中基于公平性的信道借用策略［J］.通信學(xué)報(bào)，2006，27(8):10－17.

［9］滿亞勤，朱立東，吳詩其.LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的呼叫接入性能分析［J］.電訊技術(shù)，2006(6):36－39.

［10］李慶，朱立東，吳詩其.低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中快速終端的切換技術(shù)［J］.通信學(xué)報(bào)，2006，27(5):120－125.