低軌衛(wèi)星通信接入與切換策略研究.pdf

1、衛(wèi)星通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人通信的重要組成部分，其中低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)以其全球覆蓋、低傳輸時(shí)延、低功耗、抗毀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而具有廣闊的發(fā)展前景，并將在未來(lái)的個(gè)人通信領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。然而，為促進(jìn)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的全面應(yīng)用，依然還存在一些關(guān)鍵問(wèn)題需要研究。 首先，在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中存在著多星覆蓋情況，按照何種準(zhǔn)則選定接入衛(wèi)星是接入策略要解決的重要問(wèn)題。接入策略的好壞直接影響到呼叫阻塞率、切換開(kāi)銷以及系統(tǒng)信道利用率等系統(tǒng)性能。其次，低軌

2、衛(wèi)星通信系統(tǒng)大都采用多波束天線，通常存在著十分頻繁的波束間切換。這種切換過(guò)程引發(fā)的突然掉話讓人不能接受，因此這需要系統(tǒng)采用某種切換策略以優(yōu)化系統(tǒng)性能。再次，隨著Internet中交互式多媒體業(yè)務(wù)量迅速增加，人們對(duì)低軌衛(wèi)星多媒體通信的需求日益迫切。然而目前的策略大多針對(duì)單一的話音業(yè)務(wù)，還很難適應(yīng)多媒體通信的需求。本文針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)展了如下研究： 第一章回顧了衛(wèi)星通信的發(fā)展概況和關(guān)鍵技術(shù)，著重分析了低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)接入和切換策略國(guó)

3、內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并引出本文的主要?jiǎng)訖C(jī)和工作亮點(diǎn)。 第二章對(duì)低軌衛(wèi)星通信接入和切換做了系統(tǒng)闡述和建模。本章引入低軌衛(wèi)星通信覆蓋模型和低軌衛(wèi)星通信用戶多媒體業(yè)務(wù)量模型，給出低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要參數(shù)，討論了低軌衛(wèi)星通信的切換過(guò)程，比較了低軌衛(wèi)星通信的信道分配方式以及低軌衛(wèi)星通信主要的三種接入和切換策略。特別地，本章對(duì)低軌衛(wèi)星通信接入與切換進(jìn)行了深入分析，為后續(xù)章節(jié)的系統(tǒng)研究提供了理論基礎(chǔ)。 第三章討論了低軌衛(wèi)星通信多星覆蓋下衛(wèi)

4、星接入和切換策略。本章首先提出了綜合加權(quán)策略，在以往的研究中大都僅考慮全球話務(wù)均勻分布時(shí)多星覆蓋下的衛(wèi)星接入系統(tǒng)性能，然而均勻模型無(wú)法客觀地反映出真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因?yàn)閷?shí)際全球業(yè)務(wù)差異很大，分布并非均勻。為了更好地描述實(shí)際的全球業(yè)務(wù)，研究了非均勻分布全球話務(wù)密度模型下綜合加權(quán)策略的系統(tǒng)性能，并在簡(jiǎn)單綜合加權(quán)策略的基礎(chǔ)上建立模型分析了各個(gè)地區(qū)具有不同最小仰角時(shí)綜合加權(quán)策略對(duì)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的影響，提出在不同的區(qū)域中設(shè)置不同的衛(wèi)星仰角來(lái)改善綜

5、合加權(quán)策略。我們討論了綜合加權(quán)策略中加權(quán)系數(shù)對(duì)新呼叫阻塞率和強(qiáng)制中斷率的影響，及其對(duì)強(qiáng)制中斷率、切換請(qǐng)求到達(dá)率和平均仰角這三項(xiàng)系統(tǒng)性能的綜合影響，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要利用遺傳算方法對(duì)綜合加權(quán)策略中加權(quán)系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到系統(tǒng)總體性能最優(yōu)。最后，我們根據(jù)衛(wèi)星多媒體通信的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，針對(duì)實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)分別采用不同的接入策略，對(duì)這兩種降低強(qiáng)制中斷率的方法在非均勻分布全球話務(wù)密度模型下進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明在高負(fù)載情況下，較小的信道預(yù)留(如1％

6、)不但對(duì)新呼叫阻塞率的影響較小，而且還能較大地降低實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的強(qiáng)制中斷率，同時(shí)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)也可通過(guò)暫時(shí)等待然后再選擇衛(wèi)星的方式降低其強(qiáng)制中斷率。 第四章研究了低軌衛(wèi)星通信動(dòng)態(tài)預(yù)留接入策略與自適應(yīng)動(dòng)態(tài)信道分配問(wèn)題。目前已有的低軌衛(wèi)星動(dòng)態(tài)預(yù)留接入策略多數(shù)只適用于單一的話音業(yè)務(wù)，同時(shí)它們還要求掌握用戶的位置信息導(dǎo)致較大的系統(tǒng)開(kāi)銷。為了更好地支持低軌衛(wèi)星多媒體通信波束間接入，我們提出了基于概率自適應(yīng)動(dòng)態(tài)預(yù)留接入策略，其特點(diǎn)包括：(1)對(duì)實(shí)時(shí)

7、業(yè)務(wù)切換請(qǐng)求以概率進(jìn)行信道預(yù)留，同時(shí)這種預(yù)留概率隨用戶的剩余切換時(shí)間和切換概率自適應(yīng)變化；(2)對(duì)新呼叫以一定概率接入系統(tǒng)，接入概率隨用戶移動(dòng)性和系統(tǒng)信道使用率自適應(yīng)調(diào)整，同時(shí)用戶接入系統(tǒng)時(shí)所分配的信道數(shù)根據(jù)系統(tǒng)信道使用率進(jìn)行自適應(yīng)分配。(3)引入計(jì)時(shí)器機(jī)制使系統(tǒng)決策不再需要獲知用戶的位置信息，從而降低開(kāi)銷。仿真結(jié)果表明基于概率自適應(yīng)動(dòng)態(tài)預(yù)留策略，能降低實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)切換失敗率，并能獲得較高的信道利用率。此外，我們還提出了自適應(yīng)動(dòng)態(tài)信道分配策

8、略，在動(dòng)態(tài)信道分配的代價(jià)函數(shù)計(jì)算中考慮了鄰區(qū)信道負(fù)荷和終端移動(dòng)性對(duì)代價(jià)函數(shù)的影響，因此獲得了更高信道資源使用效率。仿真結(jié)果表明自適應(yīng)動(dòng)態(tài)信道分配策略的系統(tǒng)性能優(yōu)于業(yè)務(wù)量相關(guān)動(dòng)態(tài)信道分配和預(yù)留策略。 第五章討論了低軌衛(wèi)星多媒體通信信道借用接入和切換策略。在低軌衛(wèi)星多媒體通信中，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))對(duì)最小帶寬和傳輸時(shí)延的要求并不嚴(yán)格。因此，可以通過(guò)減少非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)所占信道數(shù)，增加其傳輸時(shí)延，來(lái)降低實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)切換失敗率。在這種思想

9、引導(dǎo)下，提出了信道借用接入和切換策略，并參照典型低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)新呼叫阻塞率、切換失敗率和信道利用率進(jìn)行仿真分析，然后討論了信道借用接入策略對(duì)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的公平性影響。仿真結(jié)果表明信道借用策略中選取最小剩余逗留時(shí)間策略，一方面最大程度地保證了非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的公平性，另一方面也獲得了優(yōu)異的系統(tǒng)性能。我們還引入效用來(lái)衡量不同用戶對(duì)帶寬需求的滿意程度，提出基于效用函數(shù)的信道借用接入和切換策略。這種策略以效用函數(shù)斜率和點(diǎn)波束內(nèi)剩余逗留時(shí)間的乘

10、積作為信道借用的依據(jù)，在處理實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)分別采用不同的效用函數(shù)來(lái)滿足兩類業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的不同需求，并通過(guò)接入控制滿足各類業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。我們參照典型的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)總效用、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)新呼叫阻塞率和切換失敗率進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明由于基于效用信道借用策略在信道借用和信道重分配時(shí)考慮了各個(gè)呼叫的效用函數(shù)，不但能獲得很好的系統(tǒng)總效用而且實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)切換失敗率也很低。 第六章總結(jié)全文，闡述了論文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新性，并指