多业务双层卫星网络的接入与切换策略分析
2020-10-26孙永林李大成刘飞
孙永林，李大成，刘飞
(1.海装重大专项装备项目管理中心，北京 100089；2.海装装备项目管理中心，北京 100089； 3.中国人民解放军32380部队，北京 100072)
1 研究背景
经过近几十年的快速发展，卫星移动通信系统已经在个人移动通信、全球覆盖通信以及国家安全等诸多方面都扮演着越来越重要的角色[1]。地面用户在进行通信过程中，会因为低轨卫星的快速运动而经常进行呼叫接入和通信切换[2]。接入策略是为了使用户能够顺利接入卫星，完成呼叫建立；切换策略则是为了保证用户在通信过程中即使发生切换也能不发生异常中断，顺利进行通信。
以往的接入与切换技术研究大多建立在单层卫星网络结构上，随着业务的多样性和复杂性，组合不同轨道高度卫星形成多层通信网络逐渐成为未来卫星网络发展的主流趋势。为了最有效地利用资源，保证不同用户的服务质量，研究多层卫星通信网络的接入与切换技术就具有十分重要的意义。
本文的研究对象是LEO/GEO(Low Earth Orbit/Geostationary Earth Orbit)双层卫星通信网络模型[3]，对卫星的接入提出了一种参数加权平均的策略，并根据业务类型，通过各卫星信道资源占用率的阈值判定，在双层卫星网络中选择接入卫星，较好地降低了业务的接入与切换失败率。
2 系统模型
2.1 GEO/LEO双层卫星网络模型
GEO卫星运行轨道高度约为36 000 km，覆盖面积大，3颗即可覆盖除两极外的区域；LEO卫星运行轨道高度一般在1 500 km以下，数目众多[4]。在该双层卫星网络中，综合利用了GEO卫星波束广阔覆盖特性和LEO卫星波束传输时延小的各自优点，功能分配上，LEO卫星可以完成大部分用户的接入与切换，并向GEO卫星发送星座位置和用户状态等信息；GEO卫星将主要完成管理控制等功能，并接受部分用户的接入[5]。
2.2 移动模型
为了更好地表现地面用户在通信过程中的卫星接入与切换状态，需要建立相应的移动模型。一般来说，GEO卫星对地同步静止，而LEO卫星相对地面快速运动，因此，可以将卫星及卫星波束看成静止不动，用户以卫星与地面的相对速度vs进行直线移动，本文以经典的7个波束小区模型为例，将小区形状近似为矩形[6]。网络模型如图1所示，用户相对于波束小区的移动模型如图2所示。
2.3 性能指标
在接入与切换的策略分析中，通常采用以下3个指标来估计性能好坏，分别是：
(1)
(2)
服务等级GoS=Pc+kPh
(3)
其中，服务等级表示系统整体的性能好坏程度，其中k表示为切换相对于新呼叫接入的优先因子，由于用户在通信过程中的切换失败导致通信中断比新接入时的呼叫阻塞更让用户难以接受，因此，在进行策略分析时，需要尽可能保证切换的成功率，一般情况，k的取值为10。
3 接入与切换策略分析
按照用户优先级，本文将业务类型大致划分为高级实时业务和普通非实时业务，前者对时延和带宽有严格要求，享有较高的优先级，后者相对优先级较低。
3.1 单层卫星通信接入典型策略及改进
3.1.1 典型策略
(1)最短相对距离策略+。用户根据“北斗”定位系统确定自身坐标以及候选接入卫星的坐标，计算相对距离，系统自动选择距离最短的卫星优先进行接入[7]。
(2)最长服务时间策略。用户根据卫星运行轨迹预判能够获得最长服务时间的卫星优先接入，使得切换频次较少，一定程度上保证通信连续性。
(3)业务均衡策略。用户根据候选卫星中空闲信道资源最多的卫星优先接入，使得星座中各卫星的业务能够逐渐达到均衡，服务质量大致相同，防止过载问题。
3.1.2 改进的参数加权接入策略
为考虑系统参数的全面性，本文综合3种典型接入策略，以分配给各个策略参数一定的权重得到综合的目标函数，这样既保留了目标卫星距离用户不远，又使得用户在该卫星的接入时间较长，同时均衡了该小区内的卫星业务量。本文对上述3种策略参数均采用线性加权，具体目标函数表达式如下所示：
(4)
式中，α，β，γ分别代表距离、时间及业务量参数的权重，已知α+β+γ=1；D1，T1，B1分别代表该卫星距离用户的距离、能够服务用户的时间以及其剩余空闲信道数；D，T，B分别代表系统内卫星距离用户的平均距离、卫星服务用户的平均时间以及各卫星剩余信道的平均数。
表达式中的权重可由该业务类型对不同参数的依赖因子决定，例如，视频业务对距离参数和服务时间参数的要求较高，那么相应权重就越大。当所有权重和参数信息确定后，代入公式(4)中可以计算出各个卫星的目标函数值C，系统在权衡比较后，将选择C值最大的卫星作为目标卫星进行接入。
3.2 双层卫星网络直接接入策略
当有新用户发起呼叫时，该策略优先考虑接入LEO卫星，除非此时无空闲信道，则考虑选择GEO卫星接入，否则表示呼叫接入阻塞[8]。
在信道预留和切换管理阶段，双层卫星上的资源均采用基于时间的保护切换预留(GH)策略[9]，即接入后计算驻留时间，并在切换前T时刻提前申请切换，下个小区则从空闲信道中为该次申请进行预留信道，若无空闲信道，则该申请进入排队序列等待。
在该策略中，LEO卫星因时延小、损耗低，信道资源较多，承担了大多数业务的接入，但涉及后续的切换请求频繁。综合来说，直接接入策略未区分多业务条件下的优先级，且没有充分利用GEO卫星资源。
3.3 基于业务量的改进接入与切换策略
为克服上述策略的缺点，本文提出基于业务量的一种改进策略。具体改进步骤如下：
在呼叫接入阶段，根据业务类别，高级实时业务因为优先级高，在保证LEO卫星有信道资源的情况下，按照上文提出的改进参数加权接入策略优先选择LEO卫星；而普通非实时业务在接入前，则计算当前LEO和GEO卫星波束小区内的信道占用率m，n，并定义一个信道占用率阈值t，具体表达式如下：
(5)
若m 图3 改进呼叫接入策略流程 按照一般模型要求，用户呼叫的到达率服从泊松分布，呼叫时长服从的负指数分布。设定仿真时长为5 h，其他相关参数如表1所示。 表1 GEO/LEO系统仿真相关参数 对本文提出的基于业务量的改进接入与切换策略、单层LEO卫星中参数加权改进策略及双层卫星直接接入策略进行仿真对比，得到各个策略关于高级实时用户的比较仿真结果如图4—5所示。 图4 高级用户的接入阻塞率 图5 高级用户的切换失败率 由图4得到，在双层通信网络中，基于本文提出的改进接入策略，其接入阻塞率比直接接入策略的降低不明显，主要是因为高级实时业务在这两种策略中主要还是利用了LEO卫星的信道资源进行接入。由图5得到，改进策略的切换失败率要比直接接入策略降低更加明显，主要是因为改进策略在业务接入时考虑了三种参数加权的影响，在保证后续通信切换质量上做得更好，而且相对来说，通过资源占用率的阈值判定，更加合理分配了双层卫星网络的信道资源。 通过对比发现，双层卫星网络较单层低轨卫星网络在两个性能指标上都有所提升，主要是因为GEO卫星不仅完成了控制管理功能，还在一定程度上缓解了LEO卫星的接入与切换压力。 本文基于新兴的双层卫星通信网络，对不同级别的业务呼叫接入和切换管理作了重点分析，根据不同业务对不同参数条件的依赖性而设定对应的权重，提出了一种改进的参数加权接入策略，将该策略用于双层卫星通信网络，并对普通非实时业务设定信道资源占用率的阈值判决，决定其接入卫星的层级，对整个系统达到了较好的资源利用有效性和通信质量保证性。
4 仿真结果及分析
4.1 仿真参数
4.2 结果分析
5 结语
