適用于平臺擺動模型的HAPS 通信系統(tǒng)信道分配算法*

蔣靜雅，張邦寧，郭道省，葉 展

(解放軍理工大學 通信工程學院，南京 210007)

1 引言

高空平臺(High Altitude Platform Station，HAPS)通信是指由位于近地空間高度17～22 km 且可保持準靜止狀態(tài)的高空平臺通過多波束天線對地投射蜂窩進行通信的一種新的無線通信網(wǎng)絡。與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信和地面蜂窩通信相比，HAPS 通信主要有配置成本低、布網(wǎng)速度快、覆蓋范圍廣、系統(tǒng)容量大、維護升級便利等特點［1－2］，尤其適用于搶險救災、奧運會等突發(fā)密集情況通信，引起了眾多國家高度關(guān)注，世界電信聯(lián)盟(ITU)已將HAPS 通信系統(tǒng)作為無線通信服務IMT－2000(International Mobile Telecom System－2000)的備選方案。

然而，受平臺載體本身位置保持技術(shù)限制和平流層風力影響，其位置難以保持理想的對地靜止狀態(tài)。文獻［3］提出了平臺的準靜止狀態(tài)可以用三種運動方式描述，即水平、垂直和傾斜運動;文獻［4］提出了一個平流層風速特性和HAPS 不穩(wěn)定性模型，指出水平運動比垂直運動對系統(tǒng)的影響更大，垂直方向的風可以忽略且平臺傾斜可以通過位于平臺底部的波束成型天線來補償;文獻［5］也提出了利用可控非定向天線來補償平臺運動的思想。

平臺運動導致了多波束天線所投射蜂窩的相應移動，地面固定用戶在呼叫過程中必須切換至新蜂窩才能繼續(xù)獲得可靠服務。文獻［6］指出大部分用戶在平臺運動過程中需要通過切換來保持正常通信所需的載干比，一般而言，切換失敗比新呼叫阻塞更叫人難以忍受，所以一般信道分配和切換算法都賦予了切換呼叫以更高的優(yōu)先級;文獻［7－8］分別提出了低軌衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)信道預留和切換排隊策略，大大提高了系統(tǒng)的切換呼叫性能;文獻［9］提出了低軌衛(wèi)星系統(tǒng)中的一種帶優(yōu)先級的信道預留方案，有效提高了切換用戶尤其是高優(yōu)先級用戶的切換性能。

以上相關(guān)算法大多適用于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，而針對平臺運動條件下的HAPS 通信系統(tǒng)信道分配算法則較少。本文為進一步滿足特殊用戶終端對業(yè)務服務等級的更高需求，給予了特殊用戶以更高的優(yōu)先級，結(jié)合HAPS 特殊的運動特性，提出了一種適用于平臺水平擺動條件下的HAPS 通信系統(tǒng)信道預留和切換排隊相結(jié)合的信道分配方案，更大程度地降低了用戶的切換掉話率，尤其是特殊用戶的切換率，補償了因平臺運動所導致的部分性能損失。

2 HAPS 水平擺動模型

21 世紀初歐洲的HeliNet 項目建議平臺在99%的時間內(nèi)應保持在一個高為1 km、半徑為2.5 km的圓柱內(nèi)［10］。在假設HAPS 垂直和傾斜運動可以通過平臺底部方向可控天線補償?shù)幕A(chǔ)上［11］，建立平臺水平擺動模型。HAPS 受平流層橫風及其載體推進裝置制約呈水平來回擺動狀態(tài)，所載多波束天線所投射的地面蜂窩也呈現(xiàn)出等距離的擺動狀態(tài)，且蜂窩大小和形狀不變，其蜂窩運動過程如圖1 所示。

圖1 平臺水平擺動模型Fig.1 Platform's horizontal movement model

設蜂窩A 沿直線軌跡以平臺水平運動速度v 在蜂窩A'、A″位置來回勻速擺動，蜂窩中心向兩側(cè)的最大偏移距離為D，有效蜂窩寬度等于蜂窩半徑R，蜂窩內(nèi)固定用戶呈均勻分布。在平臺運動過程中，圖1 內(nèi)陰影部分正在通話中的用戶在經(jīng)過蜂窩邊界時須切換至運動方向相反的鄰蜂窩以獲得繼續(xù)服務。設用戶呼叫持續(xù)時間tu服從均值為μ 的負指數(shù)分布，thi為用戶第i－1、i 次經(jīng)過蜂窩邊界的時間間隔，phi為相應的用戶切換概率，th1是參考用戶U 從發(fā)起呼叫到蜂窩A 左邊界經(jīng)過該用戶所用的時間，因為地面用戶在蜂窩小區(qū)中服從均勻分布，所以th1亦服從(0～D/v)上的均勻分布。用戶U 可能在當前蜂窩小區(qū)內(nèi)結(jié)束通話，也可能需要越區(qū)切換來獲得繼續(xù)通話，因此，該呼叫第一次需要越區(qū)而請求切換的概率ph1為

如果該用戶在經(jīng)歷了一次成功切換后通話仍在繼續(xù)，那么根據(jù)平臺水平擺動特性，在平臺向右運動再回擺至該用戶點所用的時間th2為

由于負指數(shù)分布的無記憶性，用戶在經(jīng)歷第一次成功切換后其剩余呼叫時間仍服從均值為μ 的負指數(shù)分布，所以用戶U 在第一次成功切換后再次發(fā)生切換的概率ph2為

同理，可得第三次切換參數(shù)th3、ph3為

根據(jù)運動特性可知，陰影左右部分相互對稱，且在呼叫過程中一方以概率ph2，另一方必以概率ph3再次發(fā)生切換;陰影部分占所在蜂窩面積比為ps。設蜂窩A 內(nèi)用戶新呼叫和切換呼叫請求均以泊松流到達且相互獨立，平均到達率分別為λn、λh。其中呼叫切換請求由兩部分組成，一為新呼叫在小區(qū)邊界到來需要發(fā)起的切換請求，二為前一切換請求再度跨越小區(qū)邊界而發(fā)起的切換請求。所以在一定呼叫到達率λn的情況下，可得λh為

3 HAPS 通信系統(tǒng)信道分配算法

3.1 基于信道預留的切換排隊算法

用戶在當前波束覆蓋的小區(qū)內(nèi)發(fā)起新呼叫卻未獲得服務為新呼叫阻塞，用戶在呼叫過程中由于越區(qū)切換失敗而未能獲得繼續(xù)服務為切換呼叫失敗，一般而言，切換失敗比新呼叫阻塞更讓人難以接受，所以一般信道分配和切換算法都賦予了切換呼叫以更高的優(yōu)先級，主要方案有信道預留、對切換呼叫排隊等。本算法將兩者結(jié)合，即一方面預留部分信道專門用于切換呼叫，其余信道由新呼叫與切換呼叫共享;另一方面再對未能及時獲得信道的切換呼叫進行排隊，以降低切換掉話率，獲得高切換性能。

假設單蜂窩小區(qū)信道總數(shù)為C，預留Cs個信道給切換呼叫專用，切換呼叫排隊長為Cq。當信道占用數(shù)大于或等于C－Cs，新呼叫被阻塞;當信道占用數(shù)大于C，切換呼叫進入隊列排隊，排隊為先入先出方式。用戶呼叫持續(xù)時間和用戶切換排隊等待時間分別服從均值為μ、μq的負指數(shù)分布，圖2 表示其狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。

圖2 基于信道預留的切換排隊算法狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.2 The state transition diagram of handover queuing based on channel reservation

設該小區(qū)中有n個信道被占用時的統(tǒng)計平衡概率為Pn(n=0，1，2，…，C +Cq)，由狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖列生滅方程求解可得式(7)和式(8):

故有新呼叫阻塞率

切換掉話率

式中，Pd/k表示隊列緩沖區(qū)中第k 位切換排隊用戶切換失敗的概率，Pi－1/i表示在離開切換緩沖區(qū)之前第i 位排隊用戶成功進入第i－1 位的概率，Pget表示位于隊首的排隊用戶成功獲得信道的概率。

隊列中第i 位切換排隊用戶要在切換緩沖時間內(nèi)進入第i－1 位，則其駐留時間T 需滿足兩個條件:一是要大于排在其前面的任一用戶的剩余時間Tj(j=1，2，…，i－1);二是要大于小區(qū)中所有正在服務的用戶的最小剩余時間Tmin，即

且當其位于排隊隊列首位時，要想獲得服務信道則其剩余駐留時間需大于小區(qū)內(nèi)服務中用戶的最小服務時間，所以有

一般用系統(tǒng)服務等級(Grade of Service，GoS)即呼叫阻塞率和切換掉話率的加權(quán)線性組合GoS評估系統(tǒng)性能，定義為

3.2 用戶帶優(yōu)先級的信道預留算法

本算法主要考慮到實際應用中存在實時用戶或非實時用戶等多類型用戶對呼叫阻塞或切換掉話性能要求的差別，把用戶區(qū)分為普通用戶與特殊用戶，即特殊用戶對實時要求更高，對系統(tǒng)切換性能要求也更高，所以本算法賦予了特殊用戶以更高的優(yōu)先級。對普通用戶新呼叫、特殊用戶新呼叫、普通用戶切換呼叫、特殊用戶切換呼叫依次由低到高設定優(yōu)先權(quán)，高優(yōu)先級用戶可以占用低優(yōu)先級用戶信道，反之則不行。

分配Cm條信道專用于特殊用戶切換呼叫，Cn個信道給普通用戶切換呼叫，但特殊用戶切換亦可用，C's個信道給特殊用戶新呼叫，切換呼叫可用，剩余信道由所有呼叫請求共用，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。其中普通用戶和特殊用戶新呼叫以7∶ 3 到達，分別記為λnpt、λnts;普通用戶切換呼叫和特殊用戶切換呼叫也以7∶ 3 到達，分別記為λhpt、λhts;總呼叫到達率記為λ。

圖3 用戶帶優(yōu)先級的信道預留算法狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.3 The state transition diagram of channel reservation with priority

列生滅方程求解Pn(n=0，1，2，…，C)，可得式(16)和式(17):

從而可得普通用戶、特殊用戶新呼叫阻塞率，普通用戶、特殊用戶切換呼叫阻塞率分別為

對帶優(yōu)先級用戶重新定義服務等級公式［9］，有

3.3 用戶帶優(yōu)先級的信道預留與切換排隊相結(jié)合算法

對于特殊用戶與普通用戶共存的系統(tǒng)，為進一步降低用戶切換掉話率，提高系統(tǒng)服務等級，在用戶區(qū)分優(yōu)先級的基礎(chǔ)上，對切換用戶進行排隊，即將本文前兩種方案相結(jié)合，形成本算法。為與上節(jié)區(qū)分，重新標記信道預留數(shù)，分配條信道專用于特殊用戶切換呼叫，個信道給普通用戶切換呼叫，個信道給特殊用戶新呼叫，剩余信道由所有呼叫請求共用，狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖4 所示。

圖4 用戶帶優(yōu)先級的信道預留和切換排隊相結(jié)合算法狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.4 The state transition diagram of the algorithm combining channel reservation and handover queuing with priority

在本算法中，在當前小區(qū)沒有空閑信道時，普通用戶切換請求和特殊用戶切換請求共同排隊，當特殊用戶切換請求進入隊首，只要服務中的信道一被釋放，即獲得服務;因為特殊用戶切換呼叫優(yōu)先級高于普通用戶切換呼叫，所以當進入隊首的是普通用戶切換請求，則只有當至少有C'm+1個信道釋放時才能獲得服務。

本算法狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖下統(tǒng)計平衡概率Pn求解思路同3.2 節(jié)算法。為計算方便，設C'm為1，則普通切換排隊用戶在進入隊首時，只有在當前小區(qū)正在服務的用戶至少有2 條信道釋放時才能獲得服務，即

式中，T(2)表示正在服務的C個用戶中第2個最小的用戶服務時間。故普通用戶切換掉話公式可另寫為式(21)，特殊用戶切換掉話公式及系統(tǒng)服務等級公式不變。

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)文獻資料［12］，選取新呼叫到達率為0.03～0.08 call/s，即為愛爾蘭數(shù)5～14 Erl，其他仿真參數(shù)設置如表1 所示。圖5 和圖6 給出了僅采用信道預留方式系統(tǒng)的阻塞概率和服務等級。由圖可知，當平均呼叫到達率較小即業(yè)務量較少時，系統(tǒng)的新呼叫阻塞和切換掉話率均很小，系統(tǒng)有著很高的服務質(zhì)量;隨著業(yè)務量的增大，各種性能曲線迅速上升。當系統(tǒng)沒有預留信道時，呼叫阻塞率和切換掉話率曲線完全重合，系統(tǒng)切換性能很差;當系統(tǒng)采用信道預留策略后，雖然新呼叫阻塞率有所上升，但其切換掉話率卻有明顯下降，由于在實際應用中用戶對切換失敗的反感程度更甚于新呼叫阻塞，所以預留信道方案符合實際應用;且信道預留數(shù)越多，雖然切換掉話率改善越大，但同時付出的新呼叫阻塞代價也越大，綜合兩者在現(xiàn)實生活中的應用情況，我們利用服務等級來衡量整個系統(tǒng)質(zhì)量，由圖6 可知，在本文設定的條件下，當預留信道數(shù)為2 時，系統(tǒng)獲得最佳服務等級。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

圖5 預留信道算法性能曲線Fig.5 The characteristic curve of channel reservation

圖6 預留信道策略服務等級Fig.6 The grade of service of channel reservation

為衡量本文算法的合理性，在3.1 節(jié)算法中取預留信道數(shù)為2;在3.2 節(jié)算法中采用預留信道數(shù)為=1，Cn=1，Cm=1;而在3.3 節(jié)算法中采用預留信道數(shù)為=1，其中切換排隊長Cq=5，其余仿真參數(shù)參照表1，仿真本文三種算法性能。

圖7 為無優(yōu)先級不采用信道預留、僅信道預留和本文三種算法下用戶新呼叫阻塞率對比，由圖可知，無優(yōu)先級不采用信道預留時新呼叫阻塞率最小;采用信道預留后新呼叫阻塞率有明顯升高;在信道預留基礎(chǔ)上采用切換排隊方案時，對新呼叫阻塞率基本沒有影響;在用戶區(qū)分優(yōu)先級后，特殊用戶的阻塞率有較大改善，但這也是以普通用戶的阻塞率上升為代價。同樣地，在繼續(xù)采用切換排隊即本文第三種算法后，兩種用戶的阻塞率變化不大。

圖7 新呼叫阻塞率Fig.7 The new call blocking probability

圖8 為五種方案下系統(tǒng)切換掉話率對比曲線，由圖可見，無優(yōu)先級無信道預留時，切換掉話率最大，切換性能最差，采用信道預留后次之，再在信道預留基礎(chǔ)上采用切換排隊可進一步獲得切換掉話性能的改善;當對用戶進行優(yōu)先級區(qū)分且分別進行信道預留后，系統(tǒng)的切換掉話性能得到了明顯改善，且特殊用戶較之普通用戶有了更大的改善量;再在兩種用戶信道預留的基礎(chǔ)上進行切換排隊，則可以獲得更好的切換性能。結(jié)合圖7 可知，3.3 節(jié)所提算法可以在基本不影響新呼叫阻塞率情況下，較大程度地降低切換掉話率，且顯著提高系統(tǒng)切換掉話性能。

圖8 切換掉話率Fig.8 The handover dropping probability

圖9 給出了五種策略下的系統(tǒng)服務等級比較，由圖可以看出，系統(tǒng)的服務等級在無優(yōu)先級無信道預留時最差，采用信道預留方案或區(qū)分用戶優(yōu)先級均能獲得一定程度改善，且在3.3 節(jié)算法下取得了最大改善量，該圖進一步說明了該算法能使系統(tǒng)獲得最好性能。

圖9 服務等級Fig.9 The grade of service

5 結(jié)束語

本文在高空平臺通信系統(tǒng)的特殊背景條件下，提出了一種在基本不影響新呼叫阻塞率前提下，有效降低切換掉話性能的信道分配算法。在傳統(tǒng)信道預留或切換排隊方案基礎(chǔ)上，根據(jù)實際需要，對用戶進行優(yōu)先級區(qū)分，并建立切換呼叫緩沖區(qū)對切換用戶進行排隊。根據(jù)對比結(jié)果可知，本文所提算法能夠有效降低用戶切換掉話率，尤其在多種類型用戶共存系統(tǒng)中特殊用戶的切換掉話率，提高了系統(tǒng)整體服務等級，對高空平臺通信系統(tǒng)的研究有一定參考意義。該算法適用于高空平臺或低軌衛(wèi)星等對地相對運動基站組成的通信系統(tǒng)，具有一定的通用性。

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