ＬＥＯ衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)用戶切換探討

周宇男

摘要：低軌道（LEO）衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是衛(wèi)星距離地面500～1500km，運(yùn)行周期2～4小時(shí)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。銥系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)及系統(tǒng)是地軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展最快的范例。LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景

關(guān)鍵詞：低軌道衛(wèi)星;通信系統(tǒng);切換管理

1 LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)

低軌（LEO）衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)與中軌（MEO）和靜止軌道（GEO）衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)比較，具有以下特點(diǎn)：

1.1 由于具有更小的信號(hào)衰減和更低的傳播時(shí)延，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)更有利于實(shí)現(xiàn)個(gè)人全球通信。LEO系統(tǒng)的路徑傳輸損耗通常比GEO低幾十分貝，所需發(fā)射功率是GEO的1/200-1/2000，傳播時(shí)延僅為GEO的1/7~1/50，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)終端手持化和達(dá)到話音通信所需要的延時(shí)要求是十分有利的。

1.2 蜂窩通信、多址、點(diǎn)波束、頻率復(fù)用等技術(shù)的發(fā)展為L(zhǎng)EO衛(wèi)星移動(dòng)通信提供了技術(shù)保障。

1.3 由于地面移動(dòng)終端對(duì)衛(wèi)星的仰角較大，天線波束不易受到地面反射的影響，可避免多徑衰落。

1.4 它在若干個(gè)軌道平面上布置多個(gè)衛(wèi)星，由星間通信鏈路將多個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星聯(lián)接起來(lái)。整個(gè)星座如同結(jié)構(gòu)上連成一體的大型平臺(tái)，在地球表面形成蜂窩狀服務(wù)小區(qū)，服務(wù)區(qū)用戶至少被一個(gè)衛(wèi)星覆蓋，用戶可隨時(shí)接入系統(tǒng)。

1.5 由于衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)和衛(wèi)星數(shù)目多，也帶來(lái)了多普勒頻移嚴(yán)重和星間切換控制復(fù)雜等問(wèn)題。但不管怎樣，低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的上述特點(diǎn)對(duì)于支持實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信是有巨大吸引力的。

2 LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶切換的一般過(guò)程

低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)，使得它的波束覆蓋區(qū)也跟著移動(dòng)，而波束覆蓋區(qū)的移動(dòng)速度遠(yuǎn)大于用戶的運(yùn)動(dòng)速度，因此，在LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，切換主要是由于衛(wèi)星波束移動(dòng)引起的。

對(duì)于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中的呼叫切換，通常經(jīng)歷這樣一個(gè)過(guò)程：

2.1 用戶周期測(cè)量當(dāng)前使用波束和鄰近波束的導(dǎo)頻信號(hào)或廣播信道的信號(hào)強(qiáng)度的變化，以便確定它是否正在穿越相鄰波束之間的邊界或者處于相鄰波束的重疊區(qū)內(nèi)。

2.2 若用戶進(jìn)入相鄰波束的重疊區(qū)，達(dá)到切換觸發(fā)的條件，將開始啟動(dòng)切換過(guò)程。用戶中止利用當(dāng)前波束進(jìn)行通信，等待分配信道利用新波束進(jìn)行通信。

2.3 切換過(guò)程開始后，需要在新到達(dá)波束中為該用戶按照一定的信道分配算法進(jìn)行信道分配，并在原先波束中釋放使用的信道；如果采用了波束內(nèi)切換或信道重安排，則原先波束還須按照呼叫結(jié)束后的信道重安排算法進(jìn)行波束內(nèi)的信道優(yōu)化分配，進(jìn)行必要的波束內(nèi)分配。分配完成后，將數(shù)據(jù)流從舊鏈路轉(zhuǎn)移到新鏈路上來(lái)，完成切換。

3 LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶切換的種類

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶切換可分為以下類型：

3.1 同一信關(guān)站和衛(wèi)星的不同波束之間的切換

目標(biāo)波束和現(xiàn)用波束在同一信關(guān)站和同一衛(wèi)星內(nèi)，該切換涉及兩個(gè)波束的信道分配和修改同一信關(guān)站(不采用星上交換)或衛(wèi)星(采用星上交換)的交換路由表。

3.2 同一信關(guān)站不同衛(wèi)星之間的切換

目標(biāo)波束與現(xiàn)用波束不在同一顆衛(wèi)星內(nèi)、但在同一個(gè)信關(guān)站范圍內(nèi)，它涉及兩顆衛(wèi)星的信道分配；對(duì)于采用星上交換的體制，需要改變兩顆衛(wèi)星星上交換路由表；對(duì)于衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)的體制，需要修改信關(guān)站交換路由表。

3.3 不同信關(guān)站同一衛(wèi)星的波束間的切換

目標(biāo)波束和現(xiàn)用波束屬于同一顆衛(wèi)星，但屬于不同的信關(guān)站，它涉及兩個(gè)信關(guān)站之間的切換，包括信道分配、改變地面線路連接、位置更新、記費(fèi)等，對(duì)于采用星上交換的衛(wèi)星還需要改變其交換路由表。

3.4 不同信關(guān)站不同衛(wèi)星之間的切換

目標(biāo)波束和先用波束屬于不同的衛(wèi)星且屬于不同的信關(guān)站，它涉及兩個(gè)信關(guān)站和兩顆衛(wèi)星之間的切換，信關(guān)站涉及信道分配、改變地面線路連接、位置更新、記費(fèi)等問(wèn)題，對(duì)于采用星上交換的衛(wèi)星需要改變其交換路由表。

4 LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中用戶切換目標(biāo)衛(wèi)星的選擇準(zhǔn)則

在低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的切換控制中，切換的目標(biāo)衛(wèi)星的選擇策略對(duì)切換的最終性能也有著直接的影響。因此，根據(jù)系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)出適合于本系統(tǒng)的切換目標(biāo)衛(wèi)星選擇方案至關(guān)重要。目前，低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中的切換目標(biāo)衛(wèi)星選擇策略主要有以下幾種：最近衛(wèi)星準(zhǔn)則、最強(qiáng)信號(hào)準(zhǔn)則、最長(zhǎng)可視時(shí)間準(zhǔn)則、最多可用信道數(shù)準(zhǔn)則、覆蓋時(shí)間與仰角加權(quán)準(zhǔn)則及最小跳數(shù)切換準(zhǔn)則。

其中，最近衛(wèi)星準(zhǔn)則認(rèn)為距離用戶終端最近（仰角最大）的衛(wèi)星能夠提供很好的服務(wù)質(zhì)量（QoS），可從純幾何上對(duì)其性能進(jìn)行分析，也稱為最大仰角準(zhǔn)則。采用該準(zhǔn)則時(shí)，用戶終端在任何時(shí)候都選擇能夠?yàn)槠涮峁┳畲笱鼋堑男l(wèi)星。該準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但一般不會(huì)在實(shí)際系統(tǒng)中采用，因?yàn)樗葲](méi)有考慮無(wú)線信號(hào)在空中的傳播條件，也沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況。

最強(qiáng)信號(hào)準(zhǔn)則是終端在任何時(shí)候選擇能夠接收到最強(qiáng)信號(hào)的衛(wèi)星。擁有足夠高的信號(hào)強(qiáng)度是無(wú)線通信的一個(gè)基本條件，可以認(rèn)為最強(qiáng)信號(hào)衛(wèi)星準(zhǔn)則能夠提供較好的服務(wù)質(zhì)量。

最長(zhǎng)可視時(shí)間準(zhǔn)則又稱為最大覆蓋時(shí)間準(zhǔn)則。按照這個(gè)策略，用戶將利用星座系統(tǒng)運(yùn)行的先驗(yàn)知識(shí)，始終選擇具有最大服務(wù)時(shí)間的衛(wèi)星作為其切換的目標(biāo)衛(wèi)星。該準(zhǔn)則基于對(duì)最小化系統(tǒng)的切換請(qǐng)求到達(dá)率考慮，延長(zhǎng)了切換后呼叫一直被某個(gè)衛(wèi)星服務(wù)的時(shí)間，從而可獲得較低的被迫中斷概率。

最多可用信道數(shù)準(zhǔn)則為：用戶選擇具有最多可用信道數(shù)的衛(wèi)星為它提供服務(wù)。該準(zhǔn)則出于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)信道資源利用率考慮，以使衛(wèi)星系統(tǒng)中每個(gè)衛(wèi)星所承載的業(yè)務(wù)量趨于均勻分布，避免因某個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)超負(fù)荷而失效，從而影響到整個(gè)系統(tǒng)性能。應(yīng)用這個(gè)準(zhǔn)則時(shí)，不管衛(wèi)星的具體位置，新呼叫和切換呼叫會(huì)經(jīng)歷相同的阻塞率或被迫中斷概率，從而可以避免出現(xiàn)某個(gè)衛(wèi)星超載的情況。

最小跳數(shù)切換準(zhǔn)則則應(yīng)用于具有星上路由的情況，策略要求用戶在任何時(shí)候都選擇能夠?yàn)槠涮峁┳钌偬鴶?shù)路徑的衛(wèi)星。在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通信雙方周期性檢測(cè)其可見衛(wèi)星中是否有比當(dāng)前通信路徑的跳數(shù)更少的路徑，如果存在則進(jìn)行切換，否則繼續(xù)使用當(dāng)前衛(wèi)星進(jìn)行通信。當(dāng)然，如果通信雙方的當(dāng)前衛(wèi)星出現(xiàn)低于最小仰角（或信噪比）時(shí)，也需要進(jìn)行切換。假定衛(wèi)星系統(tǒng)使用準(zhǔn)靜態(tài)路由算法，路由表項(xiàng)中帶有衛(wèi)星到衛(wèi)星的路由跳數(shù)，而且其路由信息隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓上到y(tǒng)自動(dòng)刷新。

5 低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶切換與路由

在切換時(shí)，由于服務(wù)衛(wèi)星的改變，對(duì)于采用星上交換和星上路由的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，原有路由也需要被重新建立。重建路由有以下幾種方案：全路由重建，部分路由重建，重路由結(jié)合擴(kuò)展路由，動(dòng)態(tài)概率優(yōu)化路由，最小跳數(shù)路由。

其中全路由重建衛(wèi)星切換方案：原有路由完全被新路由代替，該方案得到的新路由仍然是最優(yōu)化路徑，但其處理時(shí)延比較大。

部分路由重建衛(wèi)星切換方案：當(dāng)切換發(fā)生時(shí)，原有路由被部分保存，只有變化部分被更新，該方案處理時(shí)延比較小，但新生成的路由可能不是最優(yōu)化路徑。

重路由與擴(kuò)展路由結(jié)合：切換后首先進(jìn)行路由擴(kuò)展，再進(jìn)行路由優(yōu)化。以降低延時(shí)，但信令開銷增大。

動(dòng)態(tài)概率優(yōu)化路由：全路由重建節(jié)約帶寬，但是擴(kuò)大了信令資源，需要選擇合適的優(yōu)化概率P，在帶寬和信令資源之間折中。即并不對(duì)所有擴(kuò)展后的路由進(jìn)行優(yōu)化，而是以概率P，對(duì)一部分路由進(jìn)行優(yōu)化，一部分仍保持原擴(kuò)展路由。

最小跳數(shù)路由策略：用戶在任何時(shí)候都選擇能夠?yàn)槠涮峁┳钌偬鴶?shù)路徑的衛(wèi)星。通信雙方周期性檢測(cè)其可見衛(wèi)星中是否有比當(dāng)前通信路徑的跳數(shù)更少的路徑，如果存在則進(jìn)行切換，否則繼續(xù)使用當(dāng)前衛(wèi)星進(jìn)行通信。該策略能夠獲得較低的傳播延時(shí)和較小的切換頻率，具有很好的系統(tǒng)性能。

參考文獻(xiàn)

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