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)是實現(xiàn)全球個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、低傳輸時延、低功耗、抗毀性強等優(yōu)點而具有廣闊的發(fā)展前景，并將在未來的個人通信領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。然而，為促進低軌衛(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題。接入策略的好壞直接影響到呼叫阻塞率、切換開銷以及系統(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。本文針對上述問題，開展了如下研究： 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

3、內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并引出本文的主要動機和工作亮點。 第二章對低軌衛(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，本章對低軌衛(wèi)星通信接入與切換進行了深入分析，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)均勻分布時多星覆蓋下的衛(wèi)星接入系統(tǒng)性能，然而均勻模型無法客觀地反映出真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因為實際全球業(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，并在簡單綜合加權(quán)策略的基礎(chǔ)上建立模型分析了各個地區(qū)具有不同最小仰角時綜合加權(quán)策略對低軌衛(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)對新呼叫阻塞率和強制中斷率的影響，及其對強制中斷率、切換請求到達(dá)率和平均仰角這三項系統(tǒng)性能的綜合影響，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要利用遺傳算方法對綜合加權(quán)策略中加權(quán)系數(shù)進行優(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，針對實時和非實時業(yè)務(wù)分別采用不同的接入策略，對這兩種降低強制中斷率的方法在非均勻分布全球話務(wù)密度模型下進行了仿真分析。結(jié)果表明在高負(fù)載情況下，較小的信道預(yù)留(如1％

6、)不但對新呼叫阻塞率的影響較小，而且還能較大地降低實時業(yè)務(wù)的強制中斷率，同時非實時業(yè)務(wù)也可通過暫時等待然后再選擇衛(wèi)星的方式降低其強制中斷率。 第四章研究了低軌衛(wèi)星通信動態(tài)預(yù)留接入策略與自適應(yīng)動態(tài)信道分配問題。目前已有的低軌衛(wèi)星動態(tài)預(yù)留接入策略多數(shù)只適用于單一的話音業(yè)務(wù)，同時它們還要求掌握用戶的位置信息導(dǎo)致較大的系統(tǒng)開銷。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)動態(tài)預(yù)留接入策略，其特點包括：(1)對實時

7、業(yè)務(wù)切換請求以概率進行信道預(yù)留，同時這種預(yù)留概率隨用戶的剩余切換時間和切換概率自適應(yīng)變化；(2)對新呼叫以一定概率接入系統(tǒng)，接入概率隨用戶移動性和系統(tǒng)信道使用率自適應(yīng)調(diào)整，同時用戶接入系統(tǒng)時所分配的信道數(shù)根據(jù)系統(tǒng)信道使用率進行自適應(yīng)分配。(3)引入計時器機制使系統(tǒng)決策不再需要獲知用戶的位置信息，從而降低開銷。仿真結(jié)果表明基于概率自適應(yīng)動態(tài)預(yù)留策略，能降低實時業(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)動態(tài)信道分配策

8、略，在動態(tài)信道分配的代價函數(shù)計算中考慮了鄰區(qū)信道負(fù)荷和終端移動性對代價函數(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，非實時業(yè)務(wù)(特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))對最小帶寬和傳輸時延的要求并不嚴(yán)格。因此，可以通過減少非實時業(yè)務(wù)所占信道數(shù)，增加其傳輸時延，來降低實時業(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)對新呼叫阻塞率、切換失敗率和信道利用率進行仿真分析，然后討論了信道借用接入策略對非實時業(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間策略，一方面最大程度地保證了非實時業(yè)務(wù)的公平性，另一方面也獲得了優(yōu)異的系統(tǒng)性能。我們還引入效用來衡量不同用戶對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)斜率和點波束內(nèi)剩余逗留時間的乘

10、積作為信道借用的依據(jù)，在處理實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)時分別采用不同的效用函數(shù)來滿足兩類業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量的不同需求，并通過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)對系統(tǒng)總效用、實時業(yè)務(wù)新呼叫阻塞率和切換失敗率進行了仿真分析。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考慮了各個呼叫的效用函數(shù)，不但能獲得很好的系統(tǒng)總效用而且實時業(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和創(chuàng)新性，并指