桂毅恒，朱立东

(电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，四川 成都611731)

0 引言

卫星通信网络具有覆盖范围较大、机动性强以及组网灵活等优点。由于能够解决罕无人烟、通信不发达地区的移动通信问题，卫星移动通信系统被看作地面移动通信系统的扩展而被重视，是全球移动通信的重要组成部分[1]。在卫星通信系统中，常用的是圆形轨道，根据卫星轨道高度可将其分为低轨(LEO)卫星系统、中轨(MEO)卫星系统及静止轨道(GEO)卫星系统。GEO的轨道高度为35 786 km[2]。一般来说，一颗GEO卫星即可以覆盖地球表面的1/3左右，3颗GEO卫星即可有效覆盖除两极地区以外的所有地球表面[2]。每颗卫星使用多波束天线进行覆盖，每个波束将形成一个小区，因此地球表面将由同一卫星的不同波束以及不同卫星的不同波束完全覆盖，而卫星的移动以及部分用户终端的移动，会导致用户在不同波束覆盖区域之间使用，由此必将导致接入切换问题。

卫星波束切换的问题是无线移动通信系统中的重要技术之一[1]。波束切换性能的好坏直接影响到用户的服务质量(QoS)与通信系统的具体性能。呼叫在卫星通信系统中进行接入与切换需要考虑信道是否可接入，因此信道分配问题是接入与切换技术的研究中一个重要方向，信道分配策略可以分为波束间信道分配及波束内信道分配问题，波束间信道分配涉及到一颗卫星对于每个波束进行信道数量的分配，波束内信道分配主要是对波束覆盖范围内的终端进行信道分配。

本文基于中星16号卫星的具体波束覆盖情况研究机载模型波束切换问题，在实际的卫星通信系统中，除了机载终端外，还应有其他各种用户终端与机载终端一起占用信道资源，因此在接入切换问题中，需要对不同业务的优先程度进行合理划分，对不同优先级的业务进行波束内信道分配。

1 卫星覆盖模型

对于在卫星通信系统中，由于卫星位于地球上空，因此与地面系统的基站不同，地形的不同不会对其覆盖造成影响。单颗卫星天线的覆盖范围与最小仰角及卫星高度等因素有关[3]。

(1)

卫星的覆盖半径X为：

X=Re·sinα；

(2)

卫星的覆盖面积为：

A=2π·Re2·(1-cosα)。

(3)

图1 圆轨道卫星覆盖特性示意图

中星16号卫星设计有26个用户点波束，总体覆盖我国除西北、东北的大部分陆地和近海近200 km海域，各点波束均被视为圆形，每个点波束之间的交叠区域遵从最小交叠原则[4]，其波束覆盖情况如图2所示。

图2 中星16号卫星的波束分布情况

本文是基于民用机载终端的波束切换，在考虑具体切换情形时，应提出合适的运动模型。鉴于中星16号卫星的波束覆盖情况，考虑飞机飞行航线时，应将起止点尽量设定在波束覆盖区域以内。故选取飞机的起点与终点为全国除东北、新疆、西藏、海南及台湾等地的省会城市或直辖市，共计25个城市。

通过查阅飞机航线，对需要进行的飞机航线仿真做以下规定：

① 设定仿真的总时间维为7 200 s，即2 h；

② 设定飞机总数为70架。考虑国内机场的实际运行情况，假设在仿真的总时间内，每900 s，即每15 min有一批飞机从上述25个城市之一起飞，飞向另一不同城市；

③ 对于我国一般的民用飞机，其飞行的高度一般在地表上方8～12 km处，平稳飞行时速度在580～1 080 km/h。

常见的民用移动终端按照速度从慢到快来统计有手持机终端、船载终端、车载终端、高铁终端及机载终端等，由于本系统中卫星单波束覆盖面积较大，为了更好地讨论切换技术实现，可以尽量选择移动速度较快的终端，因此对于手持机终端，本系统不做考虑。另一方面，相对飞机和高铁用户，轮船与车辆的速度较小，同时它们二者之间的速度也较为接近，所以将轮船终端与车载终端统一为一类用户提供卫星通信服务。

除机载终端外，选取高铁终端、车载与船载终端作为研究对象。其他航线的仿真与飞机航线的仿真部分较为接近，其区别为：① 行驶速度不同，高铁行驶速度为180～280 km/h，汽车与轮船行驶速度为20～50 km/h；② 数量不同，飞机数量为70架，而高铁的数量为80列，汽车与轮船的总数为90艘。

本文主要针对的是机载终端的研究，在优先级设置上，首先划分3个优先级，按照移动速度对多类型用户的优先程度进行划分。将机载终端设置为最高优先级，高铁终端设置为次高优先级，车载和船载终端设置为最低优先级。显然，优先级越高，要求的服务质量越高。表1给出了飞机飞行参数。

表1 飞机飞行参数设置

2 信道资源分配

2.1 典型信道分配策略

2.1.1 无优先策略

无优先策略[5-6]是指将新呼叫与切换呼叫同等对待，呼叫到达时，一个新呼叫接入成功的概率与一个切换成功的概率相同，2种呼叫均根据呼叫的先后顺序共同竞争使用系统所有信道资源。

2.1.2 信道预留策略

在通信服务中，对于一个完整的呼叫来说，呼叫中断比起一开始呼叫就未接入更让人难以接受，为了使切换呼叫更好地接入系统，提出了信道预留策略[7-8]。该策略是预留小区中的一部分信道只为切换呼叫提供服务，而其余信道为新呼叫和切换呼叫公平竞争使用。假设一个波束覆盖小区内一共有C个信道，其中预留K个信道为切换专用，剩余(C-K)个信道为新呼叫和切换呼叫共同竞争使用。

信道预留策略分为固定预留和动态预留2种。固定信道预留策略事先将波束中的一部分信道预留出来，专门为切换呼叫提供服务。该策略的优点是能够为降低切换失败率提供保证，但随着切换失败率的降低，显而易见新呼叫的阻塞率会升高，因此，随后提出了动态信道预留策略。自适应信道预留策略除了保证了较低的切换失败率，同时也能在一定程度上降低新呼叫阻塞率，对于动态信道预留策略而言，其保护信道的数目是可变的，该策略主要依赖2个因素：① 优良的网络管理系统，通过网络管理系统，能够根据用户的移动规律估计它要切换到哪一个小区；② 相邻波束小区中被占用的信道资源数目以及产生呼叫的用户所在的位置。

2.1.3 排队策略

由于信道预留策略[9-10]降低了新呼叫接入成功率，为了尽量提高新呼叫接入成功率，提出了一种针对新呼叫的排队策略。对于排队策略，一旦目标小区中没有可用的信道资源，那么未被切换的用户呼叫就会进入切换排队队列进行等候，同时会设定一个最大等待时间门限，如果超过门限而未得到系统分配到的可用信道资源，则判定为切换失败。

2.2 多优先级用户终端信道预留策略

基于中星16号卫星的波束切换策略研究，其应用场景多种多样，机载、船载、车载及手持终端等均希望可以得到该网络的通信服务，而不同的呼叫对于通信服务质量的需求是不同的。因此，对于各种不同的终端进行其呼叫的接入、切换考虑时，根据各自不同的呼叫服务需求进行优先级排序，优先级越高，考虑其服务质量需求更高。考虑信道预留的方法，对于每一种呼叫类型及其切换呼叫类型进行可接入信道数门限值的设定，而根据门限值是否可以动态变化，分为固定信道预留策略与动态信道预留策略。

假设一个波束覆盖小区下一共有C个信道，在该覆盖范围内一共有s种呼叫类型，根据呼叫类型划分为s个优先级，表示为S=1,2,…,s。每个类型的呼叫根据是否为新产生的分为新呼叫和切换呼叫，考虑切换呼叫比新呼叫的优先级高，因此设定2s门限值，表示为K=k1,k'1,k2,k'2,…,ks,k's,0≤k1≤k'1≤k2≤k'2≤…≤ks≤k's≤C。一般考虑小区信道利用率尽量大，设定k's=C。当一个呼叫i需要接入时，若该呼叫为新呼叫，当空闲信道数低于门限值ki时，可以成功接入，否则失败；若该呼叫为切换呼叫，当空闲信道数低于门限值k'i时，可以成功切换，否则失败。

2.2.1 无优先级策略

无优先级策略不考虑切换呼叫与新呼叫对于服务质量影响的差异性，将切换呼叫和新呼叫同等对待，另一方面，它也会无视用户的优先级，对所有类型的用户进行无差别的呼叫接入与切换。如果某一时刻，波束小区内没有空闲信道资源，那么用户新呼叫和切换呼叫都不能被接入。其仿真流程如图3所示。

图3 无优先级策略流程图

2.2.2 多优先级固定信道预留

多优先级固定信道预留与固定信道预留策略类似，将门限值K提前设定好，不考虑不同时期的通信量问题，K在之后的运行过程中不再进行改变。该策略流程如图4所示。

2.2.3 多优先级动态信道预留

固定信道预留策略由于设定的信道门限值K不变，所以在2种情况下，它的呼叫接入失败率和系统性能都会受到极大影响：① 某一种类型的用户呼叫较多，其他类的用户呼叫较少；② 新呼叫或切换呼叫较多，而与之相对的呼叫较少。为了提高系统性能，设计了一种动态信道预留策略，通过计算实时各类型的新呼叫阻塞率和切换呼叫失败率，与给定的切换呼叫失败率门限值Ui相比较，在满足优先级较高的呼叫切换成功率的情况下，设定不同的K值，该策略的仿真流程如图5所示。

图4 多优先级固定信道预留策略流程图

图5 多优先级固定信道预留策略流程图

另外，考虑更好的通信质量，需要对系统的服务质量进行计算。定义服务质量QoS受新呼叫接入阻塞率以及切换失败率影响，公式如下：

(4)

式中，α0,α1分别为新呼叫与切换呼叫在服务质量中的权重系数，βii=1,2,…,s为每个优先级对应的权重系数。由于该服务质量由接入阻塞率以及切换失败率构成，所以对应的服务质量数值越低，其服务质量越高。

3 仿真结果及分析

在该场景中仿真，中星16号卫星轨道高度36 000 km左右,含26个波束覆盖小区，每个波束相对于用户的覆盖范围大小半径设定为252 km，小区模型如图3所示。呼叫到达服从泊松过程，每个呼叫通话持续时间满足负指数分布。优先级个数s在本次仿真中设置为3，s=1代表机载用户、s=2代表高铁用户、s=3代表轮船和汽车用户。据各类优先级情况及切换比新呼叫更让人看重2方面进行考虑，设定权值参数α0=0.4，α1=0.6，β1=0.5，β2=0.3，β3=0.2。具体参数设置统计如表2所示。各终端的仿真参数如表3所示。

表2 中星16号卫星的仿真参数

表3 各终端的仿真参数

针对不同的呼叫到达率(从每个波束每秒平均10个新呼叫到达到每个波束每秒平均40个新呼叫到达)，分别对无优先级策略、多优先级固定信道预留以及多优先级动态信道预留进行仿真，最终得到仿真结果如图6所示。

图6 无优先级策略、多优先级固定信道预留与动态信道预策略留仿真比较

图6为各优先级用户的新呼叫接入阻塞以及切换失败率情况，并对3种预留策略下的接入阻塞率以及切换失败率分别进行了比较。从图6中可以看出，随着呼叫到达率的增加，3种切换策略的新呼叫阻塞率都在逐渐增加，与理论一致。对于机载用户，固定信道策略和动态信道预留策略的切换呼叫阻塞率要小于无优先级策略，这是因为在多优先级情况下减少了次高优先级和最低优先级的可用资源，而将这一部分信道专门留给最高优先级使用，通过牺牲次高优先级和最低优先级的新呼叫接入成功率，降低了最高优先级的新呼叫阻塞率。同时，以机载终端为例，可以看到，随着呼叫到达率的增加，无优先级策略和固定信道预留策略的切换呼叫失败率逐渐增大，而动态信道预留策略的切换呼叫失败率增加至0.05后保持稳定，这是因为动态信道预留策略设定了切换呼叫失败率的门限U1=0.05，一旦切换呼叫失败率高于这个值，就会增加新的预留信道来接入切换呼叫，从而使切换呼叫失败率稳定在0.05。对多优先级的3种切换策略进行比较，可以发现对于无优先级策略而言，无论是何种优先级、切换呼叫还是新呼叫，它的接入失败率都比较一致，这是因为无优先级策略对各种呼叫一视同仁，无论何种呼叫，它们被接入的概率都是相等的；对于其他2种策略而言，都是优先级较高的用户接入失败率较低，而在同一优先级情况下，切换呼叫的失败率又要低于新呼叫阻塞率，这与实际的仿真要求是一致的。

图7分析了整个系统的服务质量，按照式(4)所示，取α0=0.4，α1=0.6，β1=0.5，β2=0.3，β3=0.2的权值，可以看出，QoS越大，系统的性能越差；QoS越小，系统的性能越好。显然，动态信道预留策略性能最好，固定信道预留策略次之，无优先级策略性能最差。

图7 服务质量

4 结束语

基于中星16号卫星的具体参数和波束覆盖情况以及民用机载终端的运动模型，对多场景下卫星通信系统中的接入切换进行了研究，考虑多用户场景，对各用户终端进行优先级划分，对多优先级的信道分配策略进行仿真分析。以新呼叫到达率(平均每秒钟到达新呼叫数)作为变量，对无优先级策略、多优先级固定信道预留策略与多优先级动态信道预留策略下的接入阻塞率以及切换失败率进行仿真，并根据接入阻塞率与切换失败率计算得到服务质量曲线。随着用户新呼叫业务量的增加，接入阻塞率和切换失败率均不断增加。对比3种策略，单独观察每个优先级用户的接入切换情况，如第3节所分析，得到性能方面的提升，从整体来说，根据服务质量曲线来看，动态预留策略得到的效果要好一些。