摘 要： 在基于時間信道預留算法的基礎上，提出了一種改進的低軌星座通信系統(tǒng)信道分配策略——強占預留信道策略,。討論了策略的基本原理,，并通過仿真,，比較分析了該策略與TCRA和固定信道預留策略對系統(tǒng)新呼叫阻塞概率,、切換失敗概率和服務等級的影響,。仿真結果表明,，與TCRA策略相比,，該策略有效降低了新呼叫阻塞，同時為網(wǎng)絡提供更好的QoS保證。
關鍵詞： 低軌星座通信系統(tǒng),； 信道分配,； 切換管理； 基于時間信道預留算法
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在低軌(LEO)星座衛(wèi)星通信中,，目前已有的信道分配策略一般強調具有較低的切換失敗概率,，以保證正在通話的呼叫的服務質量。信道預留策略是降低呼叫切換失敗概率的有效方法之一[1],。其中,，基于時間的信道預留算法(TCRA)[2]提前一個小區(qū)為切換呼叫預留信道，可以實現(xiàn)零切換失敗,。但該策略導致了較高的新呼叫阻塞概率，造成了信道資源利用率的降低,。參考文獻[3]提出了超額預留的基于時間信道預留算法(TCRA-O),，它假設在每個小區(qū)固定分配C個信道的基礎上，還存在S個虛擬信道,。這種做法也提高了信道利用率,，但并未考慮用戶的位置信息，造成了一些不必要的切換失敗,。參考文獻[4]中,，算法的預留信道的數(shù)量考慮了用戶位置信息和呼叫已經(jīng)歷的時長,但在呼叫持續(xù)時長服從負指數(shù)分布的模型中，該策略不夠準確,。
本文提出一種基于TCRA的強占預留信道策略,，它在TCRA的基礎上，有效地利用了用戶的地理位置信息,。該策略本著少影響甚至不影響正在通話用戶的服務質量的原則,，盡量接受具有小切換失敗風險的新呼叫請求，提高了系統(tǒng)的資源利用率,。
1 基于時間的信道預留算法(TCRA)
1．1 移動性模型
目前已提出很多適用于LEO星座通信系統(tǒng)仿真分析的移動性模型[4-5],，本文采用圖1中所描述的一維移動性模型[4]。其中,，A-G為衛(wèi)星多波束天線在地面上形成的彼此相連的方形小區(qū),。假設這些方形小區(qū)固定不動，小區(qū)中所有用戶以相同的速度沿著與衛(wèi)星相反的方向運動,，速度大小與衛(wèi)星星下點速度相等,。模型假設用戶配置有定位系統(tǒng)，則在呼叫開始時用戶的位置就被確定,。對于明確了移動速度,、方向和位置的用戶，其即將穿越的下一小區(qū)和切換的時間是可以預測的。
1．2 TCRA-1
TCRA是一種有效的信道預留策略,，它要求只有當系統(tǒng)能夠提前一個小區(qū)為新到達用戶預留信道時,，才接受此新呼叫請求。TCRA-1是明確用戶確切位置信息模式下的TCRA策略,，下面是TCRA-1的具體實施過程：
呼叫建立階段：在呼叫建立時間Tsetup,，一個用戶U要求一個新呼叫連接。系統(tǒng)向用戶呼叫發(fā)起的源小區(qū)C0和第一個穿越的小區(qū)C1發(fā)送一個信道預留請求,，分別在兩小區(qū)時間間隔[Tsetup, Tsetup+T0+σt]和[Tsetup+T0－σt, Tsetup+T0+T1＋σt]中預留一個信道,。其中，T0和T1分別為用戶在源小區(qū)和穿越小區(qū)中的駐留時間,，σt為事先設定的一個允許的錯誤差量,。如果兩個請求都能被滿足，則呼叫請求被接受,。
每個切換階段：當一個正在通話用戶完成從Ci至Ci＋1的一次切換,，系統(tǒng)將Ci＋1中為其預留的信道分配給此用戶，釋放Ci中信道,，并向Ci＋2發(fā)出一個新請求,，在Ci＋2中時間間隔[THOi+T1－σt，THOi+2T1+σt]內(nèi)為用戶預留一個信道,。其中,，THOi為用戶在Ci中發(fā)生切換的時間。
呼叫終止階段：當用戶在Ci中終止呼叫時,，它會釋放當前占用的信道,，并向Ci＋1發(fā)送取消預留信道的命令。
此策略能夠保證用戶在其通話持續(xù)時間內(nèi)不發(fā)生切換失敗,，原理在參考文獻[2]中已被說明,，在此不再闡述。
2 基于TCRA的一種強占預留信道策略
2．1 算法原理
雖然TCRA策略保證了切換失敗率為零,，但造成了系統(tǒng)容量的浪費,，下面說明這一問題。
如圖2,，假設每小區(qū)有2個可用信道,，3個相連的小區(qū)（Cl、Cl+1 和Cl+2）中對應的位置分別有3個正在通話用戶（用戶1,、用戶2和用戶3）,。圖3為用戶在相應小區(qū)中相應時間段內(nèi)的信道使用和預留情況，橫坐標代表時間,，縱坐標代表相應小區(qū)及相應信道,。t0時刻處于Cl+1的用戶U向系統(tǒng)發(fā)出新呼叫請求,，雖然此時小區(qū)Cl+1存在未被使用的信道，但根據(jù)TCRA-1,，系統(tǒng)在[t1,，t3]已經(jīng)為用戶1預留信道，無法在[t0,，t2]為用戶U進行正常的信道預留,，因此系統(tǒng)拒絕用戶U的新呼叫請求。分析此情況,，如果在用戶1到達Cl+1小區(qū)之前,，即[t0，t1]間,，用戶1,、用戶2和用戶U三者中任意一個用戶結束其通話，則即使系統(tǒng)接受用戶U占用為用戶1預留信道的請求,，也不造成系統(tǒng)的切換失敗,。TCRA的預留策略沒能充分利用系統(tǒng)容量，造成了資源的浪費,。以此類推,，如果系統(tǒng)信道容量增大至20甚至更高,，此類資源浪費的現(xiàn)象將更加嚴重,。
基于TCRA的強占預留信道策略是基于TCRA-1的改進，其基本思想如下：t0時刻,，一個新呼叫用戶向系統(tǒng)發(fā)出使用本小區(qū)信道的請求,，如果在其駐留本地小區(qū)時間內(nèi)所有信道都有被預留的記錄，假設系統(tǒng)接受此新呼叫,，根據(jù)目前正在通話用戶的位置信息,，預測最壞情況(即使用和預留本小區(qū)信道的所有用戶一直保持通話)下，造成用戶切換呼叫掉話的時間t1,，記Δτ＝t1－t0,。如果Δτ大于某時間門限值ΔT，則認為占用或預留本小區(qū)信道的用戶在時間間隔[t0,，t1]內(nèi)結束呼叫的可能性較大,。此時，只要系統(tǒng)能夠在下一小區(qū)相應的時間間隔內(nèi)為新呼叫預留信道,，則接受用戶U的新呼叫請求,。否則，拒絕此次新呼叫請求,。這樣的策略增加了新呼叫請求的成功數(shù)量,，進而更加有效地利用了系統(tǒng)的信道資源,。 ΔT的大小由業(yè)務模型的選取和服務質量的定義共同決定,。下面推導合適的時間門限值ΔT,。
假設呼叫持續(xù)時間滿足均值為Tm的負指數(shù)分布，則呼叫持續(xù)時間分布概率密度p(t)為：
負指數(shù)分布的無記憶特性,，決定了對于呼叫持續(xù)時長遵循此分布的正在通話用戶,，它的呼叫結束時間不受其已經(jīng)歷通話時長的影響。設已經(jīng)歷通話時長T1的正在通話用戶在T1+Δτ時刻以后呼叫結束的概率為Po,，則：
由于通話用戶間的呼叫持續(xù)時長相互獨立,，則n個活動用戶繼續(xù)保持通話時間大于Δτ的概率Po(n)為：
由此可以認為：在所有信道都被用戶使用或是預留的信道容量為C的小區(qū)中，T0時刻一個新呼叫到達,，如果系統(tǒng)可以預測到接受此次新呼叫在T0＋Δτ時刻存在切換失敗的可能,，那么采取強占預留策略允許此新呼叫接入，將導致系統(tǒng)切換失敗的概率為Po(C+1),。
參考文獻[6]推導得到,，在由方形小區(qū)組成的一維移動性模型中，如果新呼叫阻塞概率Pn和切換失敗概率Ph都為0,，則系統(tǒng)中每次呼叫需要經(jīng)歷的平均切換次數(shù)nk為：
其中,，Vsat為低軌衛(wèi)星的星下點移動速度，R為方形小區(qū)長度,。
服務等級（GoS）是反映QoS的一個重要指標,，它由新呼叫阻塞概率和切換失敗概率決定[6]：
其中，k>1,，是新呼叫與切換呼叫GoS之間的平衡因子,，在一些文獻中通常取10。服務等級越低,，通信質量越好,，說明信道分配策略越好；切換失敗概率對于服務等級的影響是新呼叫阻塞概率對其影響的k倍,。
為保證改進的策略具有更好的QoS,，要求改進策略的GoS更低，結合GoS定義可得：
其中,，Pn2和Ph2分別為策略改進后系統(tǒng)產(chǎn)生的新呼叫阻塞概率和切換失敗概率,；Pn1和Ph1分別為原策略產(chǎn)生的新呼叫阻塞概率和切換失敗概率。為更清楚地表述算法,，本文將相應的呼叫統(tǒng)計數(shù)量引入計算,，(6)式即可表示為：
其中，Nnbi,，Nni,，Nhbi,，Nhi分別為采取原策略(i＝1)和采取改進策略(i=2)時一段時間內(nèi)系統(tǒng)中產(chǎn)生的新呼叫阻塞數(shù)量、新呼叫數(shù)量,、切換失敗數(shù)量,、切換數(shù)量?？闪頝n1和Nn2相等,，記為：
本文采用的移動性模型滿足參考文獻[6]提出的假設要求， 近似為0,，根據(jù)參考文獻[6],，有：
由式(7)、(8),、(9),，得到：
不等式左側分母表示新策略減少的新呼叫阻塞數(shù)量，即增加的新呼叫接入數(shù)量,，分子表示新策略增加的切換失敗的數(shù)量,。又有采用強占信道策略允許新呼叫接入所導致的切換失敗概率為Po(C+1)，則有：
這里稱不等式(12)右側的時間門限為強占信道時間門限,，用ΔT表示,。只有滿足Δτ>ΔT，才能保證改進的策略具有更好的服務質量,。
2．2 算法描述
在執(zhí)行基于TCRA的強占預留信道的信道分配策略時,，首先根據(jù)實際低軌星座衛(wèi)星的移動性參數(shù)、小區(qū)信道數(shù)量以及業(yè)務模型的相關參數(shù),，按(12)式計算強占信道時間門限ΔT,。在一個呼叫的生命周期中主要執(zhí)行的算法如下：
新呼叫到達階段：當T0時刻新呼叫發(fā)出信道請求時,，系統(tǒng)首先執(zhí)行TCRA-1策略,，如果滿足此策略，系統(tǒng)分配給新呼叫一個合適的信道并實施預留,，如果新用戶駐留本小區(qū)時間間隔內(nèi)所有信道都有被預留的記錄,，則搜索最遲被預留的信道，假設其預留開始時間為T1,，則Δτ＝T1－T0,。如果Δτ>ΔT且可在下一小區(qū)實施預留，則接受新呼叫請求,；否則,，新呼叫失敗,；如果系統(tǒng)沒有空閑信道,，也阻止新呼叫接入,。
呼叫切換階段：切換后用戶使用事先系統(tǒng)為其預留的信道；系統(tǒng)預測未來切換的時刻,，并且在未來小區(qū)中相應的時間間隔內(nèi)預留一個信道,。如果以上條件系統(tǒng)無法滿足，則此呼叫切換失敗,，解除為其預留的信道,。無論切換是否成功，此呼叫都釋放目前小區(qū)占用信道,。
呼叫終止階段：當用戶結束本次呼叫時,，釋放目前小區(qū)占用的信道，解除下一小區(qū)相應信道的預留請求,。
3 仿真結果與分析
3．1仿真模型和基礎假設
本文中的仿真建立在7小區(qū)網(wǎng)絡模型之上進行,，如圖1。在7小區(qū)模型中用戶終端按照從小區(qū)A到小區(qū)G的順序切換,， G中用戶的目的切換小區(qū)是A,。7小區(qū)模型可以為仿真提供足夠的精度，且復雜度要低于采用98小區(qū)的模型[5],。
仿真中假設：模型中新呼叫到達時間服從泊松分布,，小區(qū)中的新呼叫用戶出現(xiàn)位置服從均勻分布；用戶通話持續(xù)時間服從負指數(shù)分布,，呼叫平均持續(xù)時長為180s,；小區(qū)長度為250km；衛(wèi)星星下點速度為27 000km/h,；采用固定信道分配,，每個小區(qū)平均分配20條信道；TCRA-1中的錯誤差量σt取0,；GoS平衡因子k取10,；仿真時間為24h。
3．2 仿真結果
本文在固定信道分配的基礎上,，分別采用了TCRA,、基于TCRA的強占預留信道策略、預留信道數(shù)量為2和3的固定信道預留策略對通信過程進行仿真,。對應不同的業(yè)務量,，對幾種策略的切換失敗概率、新呼叫阻塞概率和GoS三項指標進行比較,，?如圖4,、圖5、圖6所示對比幾種策略,，TCRA不產(chǎn)生切換失敗,，這是此算法的優(yōu)勢,，但其產(chǎn)生的新呼叫阻塞率較高；固定預留2個信道策略的切換失敗率最高,；固定預留3個信道策略的新呼叫阻塞率最高,；提出的新策略產(chǎn)生一定的切換失敗，但即使是在業(yè)務量為12愛爾蘭時切換失敗率也僅有7.7×10-4,，在新呼叫阻塞概率方面,，明顯優(yōu)于固定預留3個信道的預留策略和TCRA策略，對應不同的業(yè)務量,，策略幾乎都能比TCRA降低20％的新呼叫阻塞概率,。幾種策略中，本文提出的新策略具有最低的GoS,。綜上,，與TCRA和兩種固定信道預留策略相比，新策略都具有更好的QoS,，且能較好地利用系統(tǒng)的信道資源,。
為進一步提高低軌星座通信系統(tǒng)的信道利用率，本文提出了基于TCRA的強占預留信道的信道分配策略,。該策略有效利用了呼叫時長負指數(shù)分布模型的無記憶特性,，考慮了通話服務質量的要求，在允許少量切換失敗的情況下,，較大幅度地提升了信道利用率,。通過仿真，在切換和新呼叫兩方面性能上對該策略與TCRA算法和固定信道預留算法進行了比較,。仿真結果表明,，該策略是一種既保證通話QoS、又能進一步充分利用信道資源的低軌星座通信系統(tǒng)信道分配策略,。
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