星地一體化網絡的無線資源管理方法研究.pdf

1、隨著移動智能終端的普及及其應用多元化的發(fā)展，移動數據流量呈爆炸性增長，移動衛(wèi)星網絡（MSS, Mobile Satellite System）作為下一代網絡的重要組成部分，也面臨著為用戶提供高帶寬連接的挑戰(zhàn)。衛(wèi)星通信依賴于視距（LOS, Line of Sight）連接，在有遮擋的環(huán)境下信號強度將大幅衰減，因此，利用地面網絡的覆蓋特性對衛(wèi)星覆蓋進行補充，將二者融合，構建星地一體化網絡，實現高速移動寬帶網絡的全天候以及全地域無縫覆蓋，得到

2、了廣泛的關注與研究。
　　星地一體化網絡從本質上來說是異構的無線網絡，從拓撲結構來看，包括天基網絡與地基網絡兩部分：天基網絡為位于不同軌道的移動衛(wèi)星或星座，地基網絡為基于地面無線標準部署的蜂窩網絡，二者由移動衛(wèi)星網絡統(tǒng)一管理，構成一體化的網絡。星地一體化網絡的特點是，移動衛(wèi)星網絡通過在地面部署基于MSS頻段的地面蜂窩網絡，改善傳統(tǒng)衛(wèi)星信號遭阻擋區(qū)域的覆蓋，能夠帶來系統(tǒng)用戶數的提升以及網絡資源的更充分利用。此目標的實現依賴于在一體化

3、網絡架構下對系統(tǒng)頻率、功率、帶寬、接入權限等資源進行高效分配與管理，克服兩種網絡在傳輸機制、接入技術、組織方式等方面的差異，為用戶提供無縫透明的服務質量。
　　因此，本文給出面向未來移動通信需求的星地一體化網絡架構，對無線資源管理方法進行深入研究，得到了一些具有積極意義和參考價值的方法和結論。主要的研究工作與成果可概括為以下幾個方面：
　　首先，給出星地一體化網絡架構及無線資源管理的理論基礎。從技術及應用層面出發(fā)，部署集中式

4、架構的地基蜂窩網絡，并與天基移動衛(wèi)星網絡進行一體化設計，實現高帶寬與全球無縫的覆蓋?；诖丝蚣?，深入分析了星地一體化網絡分層小區(qū)間的干擾對系統(tǒng)頻譜效率（Spectral efficiency）以及能量效率（Energy efficiency）的影響，為后續(xù)星地一體化網絡能量高效的分層干擾管理奠定理論基礎；給出一個通用的公平QoS映射方法，利用多媒體業(yè)務的自適應帶寬調整特性ABA（Adaptive Bandwidth Adaptation

5、），在移動衛(wèi)星網絡與地面網絡之間非對稱地調整業(yè)務的服務等級，為后續(xù)的呼叫接入控制提供接入用戶數增益；給出了支持衛(wèi)星接口的媒質無關切換（MIH，Media Independent Handover）機制，為后續(xù)的垂直切換提供底層消息傳輸支持。
　　其次，由于星地一體化網絡利用衛(wèi)星波束小區(qū)、宏蜂窩小區(qū)、微蜂窩小區(qū)來靈活地實現對熱點區(qū)域、非熱點區(qū)域以及零星業(yè)務區(qū)域的無縫覆蓋，導致分層小區(qū)間存在干擾。目前對這種分層干擾的管理一般通過在衛(wèi)星

6、波束小區(qū)與地面小區(qū)間復用頻率以實現干擾避免，在地面小區(qū)間進行干擾協(xié)調。本文提出了能量高效的干擾協(xié)調策略 IC-LC，針對由于衛(wèi)星攝動或運動對地面小區(qū)產生干擾的情況，利用矩陣帶狀化 MR（Matrix Relaxation）算法和流功率分配 SPA（Stream Power Allocation）算法進行波束賦形與發(fā)射功率分配，以較低的運算復雜度對地面小區(qū)間的干擾進行協(xié)調，有效抑制小區(qū)間的干擾。通過建立模塊化的能耗模型，驗證了IC-LC的

7、低運算復雜度可降低處理中心的處理能耗，實現對系統(tǒng)能量效率的優(yōu)化。
　　再次，呼叫接入控制CAC（Connection Admission Control）負責調度星地一體化網絡中用戶的呼叫請求，并為其分配資源進行準入控制。由于星地一體化網絡中存在不同覆蓋區(qū)的新呼叫以及切換呼叫（包括水平切換與垂直切換），需要根據呼叫的特性以及網絡狀況確定調度與準入控制準則。本文將接入調度轉換為帶優(yōu)先級的多服務隊列調度MSQS（Multi-Serve

8、r Queue Scheduling）問題，基于系統(tǒng)狀態(tài)的遍歷性以及平穩(wěn)狀態(tài)的存在性，提出了N-非強占優(yōu)先排隊準則N-NPPQ（N-Non Preemptive Priority Queue），利用N-隊列動態(tài)調度新呼叫與切換呼叫；并進一步針對垂直切換與水平切換呼叫提出基于資源預留的準入控制準則，利用衛(wèi)星波束小區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)的準可逆性，將波束小區(qū)進行虛擬窗劃分并計算切換概率來建立動態(tài)的預留池，有效平衡了垂直切換與水平切換呼叫之間的接入矛盾。

9、接入調度以及準入控制共同完成呼叫接入控制，有效降低了由于系統(tǒng)資源調配不均所導致的呼叫阻塞率，優(yōu)化了預留資源的利用率。
　　最后，垂直切換使星地一體化網絡中的用戶能夠在移動衛(wèi)星網絡與地面網絡間無縫漫游，并能夠根據用戶需求以及網絡狀態(tài)使用戶始終連接到最佳的網絡。垂直切換包括網絡發(fā)現、切換觸發(fā)與切換判決、切換執(zhí)行等步驟，其中切換觸發(fā)與切換判決用于確定是否觸發(fā)垂直切換并確定切換目標網絡，是實現無縫垂直切換的重要前提及保障。鑒于不必要的切換

10、觸發(fā)將產生不必要的信令開銷及資源浪費，同時導致失敗切換與不必要切換，本文提出基于多閾值的切換觸發(fā)算法，通過預測用戶在地面蜂窩小區(qū)中的滯留時間及信道占用時間，計算得到多個切換閾值來觸發(fā)用戶由移動衛(wèi)星網絡到地面網絡的垂直切換，降低了已有基于接收信號強度（RSS, Received Signal Strength）以及速率感知的切換觸發(fā)策略存在的失敗切換與不必要切換數。鑒于星地一體化網絡中移動衛(wèi)星網絡時延較長，垂直切換判決需要盡快完成，提出了