GMR-1衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的降低切換時延算法

吳廣富，姜玉潔，唐 璇，付仕明

(1.重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 600065；2.重慶郵電大學(xué) 軟件工程學(xué)院，重慶 600065； 3.重慶第二師范學(xué)院 重慶市交互式教育電子工程技術(shù)研究中心，重慶400065)

GMR-1衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的降低切換時延算法

吳廣富1，姜玉潔1，唐 璇2，付仕明3

(1.重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 600065；2.重慶郵電大學(xué) 軟件工程學(xué)院，重慶 600065； 3.重慶第二師范學(xué)院 重慶市交互式教育電子工程技術(shù)研究中心，重慶400065)

相對于地面移動通信系統(tǒng)，高軌道靜止衛(wèi)星系統(tǒng)(high orbit geostationary satellite system, GEO)具有波束覆蓋大、信號傳輸時延長、星上資源受限等特點(diǎn)。當(dāng)前地面移動通信系統(tǒng)切換算法不能滿足GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)實(shí)時性要求。提出了一種降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)切換時延算法，該算法利用衛(wèi)星通信移動終端位置信息和歷史測量信息獲得切換位置區(qū)域，根據(jù)規(guī)劃導(dǎo)航路徑是否經(jīng)過切換位置區(qū)域進(jìn)行切換預(yù)判，結(jié)合移動終端移動矢量和移動速度對可能跨越切換位置區(qū)域進(jìn)行更精確切換判決。與現(xiàn)有地面移動通信系統(tǒng)切換算法相比，該算法不僅利用了移動終端的功率測量和接收信號質(zhì)量等傳統(tǒng)參量，而且綜合考慮了移動終端位置以及移動矢量信息。仿真結(jié)果表明，該算法不但可以大幅降低衛(wèi)星波束切換的時延，而且降低切換的乒乓效應(yīng)。

GMR-1；衛(wèi)星通信；切換算法；波束切換；GPS

0 引 言

隨著高速公路、高速鐵路的快速發(fā)展，以及飛機(jī)的普及，當(dāng)前移動終端具有分布范圍廣、移動速度快、移動路徑規(guī)律性強(qiáng)等特點(diǎn)，然而目前無線移動通信系統(tǒng)很難滿足相關(guān)性能要求。因此，利用移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)為高速移動終端提供移動通信業(yè)務(wù)，具有波束覆蓋范圍大、建設(shè)速度快、節(jié)約地面資源、易于廣播和多址通信等優(yōu)勢。移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，例如，高軌道靜止衛(wèi)星系統(tǒng)(high orbit geostationary satellite system, GEO)，由多點(diǎn)波束構(gòu)成，每個波束構(gòu)成一個小區(qū)，每個小區(qū)可以覆蓋幾百公里的距離。利用移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的廣覆蓋特點(diǎn)，可以在很大程度上減少多普勒頻移對高速移動終端影響。近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,個人通信的需求不斷增長,促使各種通信手段得到了長足的發(fā)展。移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)以其覆蓋范圍廣的特點(diǎn),日益得到人們的廣泛重視,勢必會成為個人通信的一個重要方式。衛(wèi)星終端的高速運(yùn)動特點(diǎn)決定了移動終端在與衛(wèi)星進(jìn)行通信時必將發(fā)生頻繁的波束間切換，從而造成寶貴衛(wèi)星無線資源的浪費(fèi)。因此，如何合理而有效地管理并利用衛(wèi)星系統(tǒng)的資源已成為關(guān)鍵。切換技術(shù)作為移動衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，切換過程允許用戶終端移動、在無線傳輸條件變惡劣時恢復(fù)并保持通信、平衡網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負(fù)荷。因此，優(yōu)良的切換算法可以增強(qiáng)移動系統(tǒng)的性能，在近些年成為了研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[4]提出了一種高軌衛(wèi)星波束切換觸發(fā)算法，該算法通過動態(tài)調(diào)整滯后的余量來提高切換質(zhì)量。文獻(xiàn)[5]將切換觸發(fā)與信道分配結(jié)合起來進(jìn)行了研究，但對于觸發(fā)部分沒有涉及具體的觸發(fā)判別條件。文獻(xiàn)[6]提出了一種陸地和GEO衛(wèi)星系統(tǒng)之間的切換算法，通過設(shè)置絕對門限值，并且改變滯后余量來判斷是否要進(jìn)行系統(tǒng)間的切換。

目前，大多數(shù)地面移動通信系統(tǒng)切換算法都是基于A3事件來判決的，即當(dāng)用戶從原小區(qū)進(jìn)入目的小區(qū)的過程中，首先對2個小區(qū)中的信號強(qiáng)度進(jìn)行測量，判斷是否滿足目的小區(qū)的信號強(qiáng)度大于原小區(qū)信號強(qiáng)度一個遲滯值H的要求，并且此條件能夠持續(xù)設(shè)定的切換觸發(fā)時間TTT，就立即觸發(fā)切換的發(fā)生。改進(jìn)算法大都基于這2個切換參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，通常將遲滯值H假設(shè)為固定值，如圖1所示。然而該切換算法(即傳統(tǒng)切換算法)是根據(jù)導(dǎo)頻信號的強(qiáng)度來判斷是否要進(jìn)行切換，只有當(dāng)來自原波束小區(qū)的信號強(qiáng)度和信號質(zhì)量低于目標(biāo)小區(qū)一定值時，才進(jìn)行波束之間的切換[7]。

圖1 傳統(tǒng)切換算法Fig.1 Traditional handover algorithm

由于GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)具有波束覆蓋大、信號傳輸時延長、星上資源受限等特點(diǎn)，GEO衛(wèi)星的長時延一直是需要關(guān)注重點(diǎn)，傳統(tǒng)切換算法往往不能滿足GEO衛(wèi)星中真實(shí)環(huán)境實(shí)時性要求[7]。為此，本文提出一種降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)切換時延算法。該算法充分利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)移動終端位置信息，結(jié)合歷史測量信息獲取切換位置區(qū)域。根據(jù)導(dǎo)航路徑，對可能跨越切換位置區(qū)域進(jìn)行預(yù)判。結(jié)合數(shù)字地圖獲得當(dāng)前移動終端的速度矢量，當(dāng)移動終端當(dāng)前位置行駛至切換位置區(qū)域時間小于某門限值時完成預(yù)切換，最后通過測量信息進(jìn)行切換確認(rèn)。

1 切換場景

GEO移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，由透明轉(zhuǎn)發(fā)的高軌道衛(wèi)星、地面信關(guān)站和移動終端構(gòu)成，采用星狀方式組網(wǎng)，為高速移動終端提供通信業(yè)務(wù)。衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可分為幾個部分：空間段、移動終端段和地面段?？臻g段主要指各種在軌通信衛(wèi)星；移動終端段包括手持、車載、船載、機(jī)載移動終端等；地面段由信關(guān)站、核心設(shè)備組成，用于管理衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡(luò)，為移動終端提供通信業(yè)務(wù)。衛(wèi)星和移動終端之間的通信鏈路被稱為移動終端鏈路，衛(wèi)星和信關(guān)站之間的通信鏈路被稱為饋電鏈路。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)會在移動終端鏈路形成點(diǎn)波束，類似于地面移動通信網(wǎng)中的小區(qū)。

在GEO移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，波束中心功率值最大，波束功率值向波束邊沿按照一定規(guī)律的下降。當(dāng)高速移動終端遠(yuǎn)離波束中心向相鄰波束移動時，本波束信號強(qiáng)度和信號質(zhì)量逐漸降低而鄰波束信號強(qiáng)度和信號質(zhì)量逐漸增強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到一定的程度時，將進(jìn)行波束之間的切換。GMR-1衛(wèi)星波束切換的場景如圖2所示。當(dāng)移動終端從原波束運(yùn)動到目標(biāo)波束的過程中，需要進(jìn)行波束之間的切換，本文結(jié)合衛(wèi)星波束切換的區(qū)域和移動終端的路徑進(jìn)行提前判決切換。

圖2 波束切換情景Fig.2 Scene of spot handover

2 算法描述

本算法充分利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)移動終端位置信息，結(jié)合歷史測量信息獲取切換位置區(qū)域。根據(jù)導(dǎo)航路徑，對可能跨越切換位置區(qū)域進(jìn)行預(yù)判。并結(jié)合數(shù)字地圖獲得當(dāng)前移動終端的速度矢量，當(dāng)移動終端當(dāng)前位置行駛至切換位置區(qū)域時間小于某門限值時完成預(yù)切換，最后通過測量信息進(jìn)行切換確認(rèn)。具體切換流程如圖3所示，下面對各個步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖3 切換流程圖Fig.3 Handover flowchart

步驟1 獲取切換位置區(qū)域。切換位置區(qū)域，是相鄰波束之間，當(dāng)移動終端從一個波束向另一個波束移動時，可以進(jìn)行切換的位置區(qū)域。為了準(zhǔn)確獲取切換位置區(qū)域。也可以采取以下實(shí)現(xiàn)方式[8]。

方式1 跟蹤移動終端切換歷史信息，讀取GMR-1衛(wèi)星系統(tǒng)GBCH(GPS boadcast control channel)信道中的位置信息，并在數(shù)字地圖上顯示為切換位置區(qū)域；

方式2 跟蹤移動終端切換歷史信息，利用GMR-1衛(wèi)星系統(tǒng)移動終端GPS位置信息，并在數(shù)字地圖上顯示為切換位置區(qū)域；

方式3 在GMR-1衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)波束規(guī)劃和測試過程中，利用高精度移動終端GPS位置信息，并在數(shù)字地圖上顯示為切換位置區(qū)域；

方式4 在數(shù)字地圖交通道路網(wǎng)中，跟蹤移動終端切換歷史信息，采用高精度定位信息(例如北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)等)，并在數(shù)字地圖交通道路上顯示切換位置區(qū)域。為了測得切換的區(qū)域，可以采用GPS衛(wèi)星所發(fā)送的定位信號，跟蹤并標(biāo)記移動終端切換歷史信息，測得在某一區(qū)域范圍內(nèi)所有切換歷史，以此可知該區(qū)域是2個波束的重疊區(qū)域，標(biāo)記該區(qū)域并在數(shù)字地圖交通道路上顯示切換位置區(qū)域。

為了測得切換的區(qū)域，可以采用GPS衛(wèi)星所發(fā)送的定位信號，跟蹤并標(biāo)記移動終端切換歷史信息，測得在某一區(qū)域范圍內(nèi)所有切換歷史，以此可知該區(qū)域是2個波束的重疊區(qū)域，標(biāo)記該區(qū)域并在數(shù)字地圖交通道路上顯示切換位置區(qū)域。

GPS衛(wèi)星所發(fā)送的定位信號，包含了移動終端坐標(biāo)位置、速度、方向等各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)和各項(xiàng)姿態(tài)參數(shù)。利用該信息，在地心地固坐標(biāo)系中，計(jì)算衛(wèi)星位置坐標(biāo)為

Xk=xkcosΩk-ykcosiksinΩk

Yk=xksinΩk+ykcosiksinΩk

Zk=yksinik

(1)

(1)式中：ik為軌道傾角；Ωk為觀測時刻的升點(diǎn)經(jīng)度；xk，yk為衛(wèi)星在軌道平面的位置，k=1,2,3表示可觀測到GPS衛(wèi)星序號。

設(shè)在t時刻，移動終端位置P可同時測得接收到3顆衛(wèi)星S1，S2，S3，移動終端與衛(wèi)星之間距離分別為ρ1，ρ2，ρ3，如圖4所示，可以通過無線信號傳輸時間和光速乘積獲得。

利用移動終端與衛(wèi)星之間距離和衛(wèi)星位置坐標(biāo)，計(jì)算移動終端P的位置，即

(2)

獲取到移動終端的位置信息后，通過地圖匹配將當(dāng)前的道路位置在數(shù)字地圖中顯示出來，移動終端可以實(shí)時利用該信息進(jìn)行導(dǎo)航等應(yīng)用[9-10]。

圖4 移動終端位置計(jì)算Fig.4 Location calculating of terminal users

步驟2 規(guī)劃導(dǎo)航路徑。當(dāng)移動終端計(jì)劃從A地到B地時，需要在數(shù)字地圖上進(jìn)行交通線路規(guī)劃以尋找最佳路徑。一旦路徑規(guī)劃完成，即可判決該路徑是否與步驟1數(shù)字地圖切換位置區(qū)域有重合區(qū)域。只有存在重合區(qū)域，才執(zhí)行下面步驟過程。

步驟3 確定移動終端速度矢量。在數(shù)字地圖上，在一定時間間隔t內(nèi)(例如定位周期時間)，移動終端由位置A(X1,Y1,Z1)運(yùn)動到位置B(X2,Y2,Z2)，則移動終端的速度為

(3)

步驟4 切換判決。當(dāng)移動終端沿著一定路徑行駛時，假設(shè)當(dāng)前位置為P0，則該路徑初始經(jīng)過的切換位置區(qū)域?yàn)镻1，位置P0與位置P1之間距離為D，如圖5所示。

移動終端從位置P0到位置P1需要時間小于某個門限Δt時，即可啟動切換過程，即

(4)

(4)式中：V表示為移動終端速度矢量在道路方向上的分量?？梢酝ㄟ^選擇P1與切換位置區(qū)域邊界距離，用以控制切換提前量。

在具體的應(yīng)用中，P0與P1之間的距離D是預(yù)定義的，可以根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)性能要求設(shè)置D的不同取值。

由于不同移動衛(wèi)星終端差異，僅依據(jù)移動終端位置進(jìn)行切換可能會存在誤差。也可以采取以下實(shí)現(xiàn)方式。

圖5 切換區(qū)域示意圖Fig.5 Handover region diagram

方式1 切換判決除了滿足(4)式，還應(yīng)該滿足移動終端測量信息要求。

所述移動終端測量信息要求，具體可以選擇下面標(biāo)準(zhǔn)。

方式2 鄰波束信號質(zhì)量是否大于本波束信號質(zhì)量的加權(quán)值，即

LQI鄰≥α·LQI本

(5)

(5)式中：LQI表示波束信號鏈路質(zhì)量；α表示加權(quán)系數(shù)，|α-1|<δ，δ是一個很小的數(shù)字，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)要求進(jìn)行設(shè)置。

方式3 移動終端與信關(guān)站之間距離是否大于某門限值，即

MS_BS_DIST≥β·DMax

(6)

(6)式中：MS_BS_DIST表示移動終端與信關(guān)站之間距離；β表示加權(quán)系數(shù)，取值為0-1；DMax表示最大允許的距離門限值。

方式4 鄰波束信號電平是否大于本波束信號電平的加權(quán)值，即

RSSI鄰≥γ·RSSI本

(7)

(7)式中：RSSI表示波束信號電平；γ表示加權(quán)系數(shù)，|γ-1|<α，α是一個很小的數(shù)字，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)要求進(jìn)行設(shè)置。

從上述分析可知，本文所提出的預(yù)切換算法對終端用戶的要求比較高，需要終端完成預(yù)切換判決等功能，然而對衛(wèi)星系統(tǒng)的要求則大大降低，從而減小了切換過程中的各種信令問題，故算法復(fù)雜度比較低。

3 仿真結(jié)果

為了檢測并驗(yàn)證本文所提出切換算法的性能，在OPNET軟件中搭建仿真平臺，并借助Matlab軟件進(jìn)行仿真。仿真中均采用實(shí)現(xiàn)方式4和傳統(tǒng)算法進(jìn)行比較，仿真參數(shù)及其數(shù)值大小設(shè)置如表1所示。仿真中用的是Lutz信道，它將衛(wèi)星信道質(zhì)量分為2種狀態(tài)“好”和“壞”，Lutz模型是通過判斷接收信號的“好”或者“壞”來進(jìn)行信道模擬的，也就是判斷是否存在不受遮擋的信號[9-10]。由于移動終端是移動的,其運(yùn)行的方式是在這2種狀態(tài)之間不停的轉(zhuǎn)換。例如當(dāng)前移動終端處于“好”狀態(tài)，那么信道模型提供這個狀態(tài)的各種參數(shù)；過一段時間移動終端移動受到遮擋，自動轉(zhuǎn)換到“壞”狀態(tài)并提供這個狀態(tài)的參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)的設(shè)置

3.1 切換提前量

在本文提出的切換算法中，由于預(yù)先進(jìn)行切換判決，所以切換可以提前發(fā)生，從而大大減少切換時延。此時，可以認(rèn)為移動終端已經(jīng)處于本小區(qū)和鄰小區(qū)切換區(qū)域，并且本小區(qū)和鄰小區(qū)接收信號均滿足移動終端通信要求。圖6是在假定提前切換距離一定(仿真中采用D=1 km)的情況下，不同速度的移動終端切換提前量。從圖6中可以看出，當(dāng)速度較小時，切換提前量較大；隨著移動速度的增加，切換提前量減少。

3.2 切換次數(shù)

圖7是本文提出的切換算法與傳統(tǒng)的切換算法相比在相同條件和時間內(nèi)切換次數(shù)統(tǒng)計(jì)量。從圖7可以看出，隨著波束內(nèi)用戶數(shù)目的增多，2種切換算法中切換次數(shù)均增多，與傳統(tǒng)的切換算法相比，本文提出的切換算法能使網(wǎng)絡(luò)的平均切換次數(shù)顯著減小。主要原因是本文所述切換方法充分利用了終端位置、導(dǎo)航線路以及終端移動速度等信息，從而可以避免大部分的乒乓切換。

圖6 不同速度情況下，切換時間提前量Fig.6 Handover time advance of different speeds

圖7 切換次數(shù)性能比較Fig.7 Comparison of handover number

3.3 切換失敗率

圖8是本文提出的算法與傳統(tǒng)的切換算法在切換失敗率方面比較。從圖8中可以看出，隨著移動終端速度的增加，本文所提出的切換算法在降低切換失敗率方面有顯著優(yōu)勢。也就是說，采用本文所述切換方法，重點(diǎn)利用終端位置、導(dǎo)航線路以及終端移動速度等信息，顯著地減少了傳統(tǒng)測量等信息對切換的影響，從而極大提高了切換的有效性。

4 結(jié)束語

本文提出一種降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)切換時延方法，該方法充分利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)移動終端位置信息，結(jié)合歷史測量信息獲取切換位置區(qū)域。根據(jù)導(dǎo)航路徑，對可能跨越切換位置區(qū)域進(jìn)行預(yù)判。結(jié)合數(shù)字地圖獲得當(dāng)前移動終端的速度矢量，當(dāng)移動終端當(dāng)前位置行駛至切換位置區(qū)域時間小于某門限值時完成預(yù)切換，最后通過測量信息進(jìn)行切換確認(rèn)。所提切換算法，不但大幅降低衛(wèi)星波束切換的時延，而且可以降低切換的乒乓效應(yīng)，從而節(jié)約了衛(wèi)星通信系統(tǒng)珍貴的無線資源。

圖8 切換失敗率比較Fig.8 Comparison of handover failure

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(編輯：劉 勇)

Low handover delay algorithm on GMR-1 satellite communication system

WU Guangfu1, JIANG Yujie1, TANG Xuan2, FU Shiming3

(1.Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology，Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065 P.R.China; 2.School of Software Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R.China; 3. Chongqing University of Education Chongqing Interactive Education Electronic Engineering Technology Research Center，Chongqing 400065，P.R.China)

Compared with the ground mobile communication system, GEO satellite mobile communication system has the features of a large beam coverage, extended signal transmission, and limited satellite resources. Therefore, the existing satellite handover algorithm cannot meet the real-time requirements of GEO satellite mobile communication system. For this reason, we propose an algorithm to reduce the handover delay of satellite communication system. The position information of the satellite communication terminal and the historical measurement information are used to get the handover location area. Then according to whether planning navigation path through the handover position area to make handover prejudgment. Finally we make a more accurate handover decision that is combined with the terminal mobile vector and the moving speed of the possible cross handover location area. Compared with the existing ground mobile communication system handover algorithm, this algorithm not only makes use of the traditional parameters such as the power measurement of the terminal and the quality of the received signal, but also gives an overall consideration to the location of the terminal and the mobile vector information. Simulation results show that the proposed handover algorithm not only can reduce the delay of the satellite spot beam handover, but also can lower the ping-pong effect.

GMR-1；satellite mobile communication；handover algorithm；beam switching;GPS

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.02.008

2016-03-08

2016-12-14 通訊作者：姜玉潔 1291733203@qq.com

國家科技重大專項(xiàng)課題(2013ZX03006005)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)(2015AA01A709)；長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1299)；科技新星培育工程；重慶第二師范學(xué)院校級項(xiàng)目(KY201524B)

Foundation Items：The Major Special Project of National Science and Technology(2013ZX03006005);The National High Technology Research and Development Program(“863” Program) of China(2015AA01A709);The Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University(IRT1299);The Science and Technology Nova Breeding Project; The Chongqing University of Education Academic Research Project (KY201524B)

TN927+23

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1673-825X(2017)02-0190-06

吳廣富(1980-)，男，山東省平邑縣人，工程師，研究方向?yàn)橐苿油ㄐ偶夹g(shù)。E-mail: wugf@cqupt.edu.cn。

姜玉潔(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向衛(wèi)星通信。E-mail：1291733203@qq.com。