GMR-1衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中融合波束覆蓋的動(dòng)態(tài)信道分配算法

丁亞南 龐文鎮(zhèn) 張艷君 趙金峰

【摘 ?要】

GMR-1衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)屬于典型的帶寬頻率雙受限系統(tǒng)，功率/帶寬利用率是評(píng)價(jià)傳輸方案優(yōu)劣的重要指標(biāo)，提出了一種融合波束覆蓋的無線信道動(dòng)態(tài)分配算法，該算法充分利用衛(wèi)星波束覆蓋范圍信息，并結(jié)合終端地理位置信息實(shí)時(shí)為用戶分配信道資源。仿真結(jié)果表明，該算法相對(duì)于常規(guī)的DCA算法，功率、帶寬利用率均有提升。

【關(guān)鍵詞】GMR-1衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng);波束覆蓋;信道動(dòng)態(tài)分配

0 ? 引言

GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)作為地面蜂窩移動(dòng)通信的延伸和補(bǔ)充，多用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的通信和應(yīng)急通信，較好地解決了地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)以及海域中覆蓋能力有限的問題，為此，針對(duì)GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信的GMR-1標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（GEO-Mobile Radio-1，同步軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信一代標(biāo)準(zhǔn)）應(yīng)運(yùn)而生。然而GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可用頻譜、功率等資源都極為寶貴，限制了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的吞吐量等系統(tǒng)性能，資源管理旨在對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)有限資源進(jìn)行合理調(diào)度，以提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，而目前最為常用的資源管理算法包括動(dòng)態(tài)信道分配與固定信道分配。

為了有效提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻譜資源利用率，眾多學(xué)者開始研究動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)。其中，文獻(xiàn)[1]采用了基于代價(jià)函數(shù)的動(dòng)態(tài)信道調(diào)度算法，與固定信道分配算法相比，該算法減少了系統(tǒng)的阻塞率。文獻(xiàn)[2]、[4]分析了業(yè)務(wù)分布及信道質(zhì)量對(duì)資源利用率的影響，采用了基于業(yè)務(wù)分布及信道子良的動(dòng)態(tài)信道分配算法。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于用戶位置的動(dòng)態(tài)信道調(diào)度方案，來減少資源分配時(shí)的碎片，從而提高系統(tǒng)資源利用率。

但以上文獻(xiàn)并未考慮到波束中心與波束邊緣信號(hào)差異，導(dǎo)致邊緣用戶服務(wù)質(zhì)量差，因此，有必要引入波束指向，通過調(diào)配用戶到更強(qiáng)波束，減少波束邊緣的用戶分配，提高系統(tǒng)資源利用率，本文提出了面向GMR-1衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的融合波束覆蓋的動(dòng)態(tài)信道分配算法。

1 ? 相關(guān)概念介紹

GMR-1系統(tǒng)[6]由GEO衛(wèi)星、地球移動(dòng)站MES、信關(guān)站GS和衛(wèi)星操作中心SOC等元素組成，可以為用戶提供網(wǎng)內(nèi)電話、短消息、上網(wǎng)、傳真等業(yè)務(wù)，通過與PSTN、PLMN、Internet互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)業(yè)務(wù)互聯(lián)。圖1給出了GMR-1系統(tǒng)的元素組成圖。

信關(guān)站是GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的管理核心，由于大部分的GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)采用了透明轉(zhuǎn)發(fā)器載荷，衛(wèi)星功能相對(duì)簡單，復(fù)雜的協(xié)議處理及資源管理均有地面信關(guān)站實(shí)現(xiàn)，其資源管理算法的性能直接決定了系統(tǒng)資源利用率。

GMR-1系統(tǒng)采用了類似于GSM的幀結(jié)構(gòu)，如圖2所示，以TDMA幀為單位，一個(gè)復(fù)幀包含16個(gè)TDMA幀，一個(gè)超幀包含4個(gè)復(fù)幀（64個(gè)TDMA幀），一個(gè)超高幀包含4 896個(gè)超幀（313 344個(gè)TDMA幀）。而每個(gè)TDMA分為24個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙持續(xù)5/3 ms，1個(gè)時(shí)隙等于78比特。

GMR-1系統(tǒng)中定義了雙向業(yè)務(wù)信道TCH，用于承載編碼的語音或用戶數(shù)據(jù)，這些信道的頻率、時(shí)隙、功率等資源是資源動(dòng)態(tài)分配的基礎(chǔ)，主要包括TCH3、TCH6、TCH9，如表1所示。

2 ? ?融合波束覆蓋的動(dòng)態(tài)信道分配算法

2.1 ?限制條件

由于衛(wèi)星距離地球較遠(yuǎn)且衛(wèi)星載荷的體積受限，導(dǎo)致了衛(wèi)星通信傳輸信道的功率也受到限制，因此，在信道資源分配的過程中，需要考慮到衛(wèi)星的峰值功率，該功率主要跟并發(fā)載波個(gè)數(shù)有關(guān)，每顆衛(wèi)星往往限制了最大的峰值功率。

在移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，某些小型化終端無法使用體積較大的雙工器，使得終端無法實(shí)現(xiàn)射頻通道同時(shí)收發(fā)，只能夠通過切換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)信道收發(fā)，而這些切換開關(guān)往往有一定的時(shí)間，在信道資源分配時(shí)須考慮該類型終端收發(fā)開關(guān)延時(shí)。

與地面移動(dòng)通信不同，GMR-1衛(wèi)星與地面距離長達(dá)三萬六千公里，造成了終端到衛(wèi)星之間的較大傳輸延時(shí)，約為119.37 ms～140 ms，如此大的傳輸延時(shí)，勢(shì)必對(duì)終端的收發(fā)定時(shí)造成一定影響。此外，由于衛(wèi)星對(duì)地面小傾角劃“8”字運(yùn)動(dòng)，即使終端處于靜止不動(dòng)的狀態(tài)，長時(shí)間的業(yè)務(wù)保持也可能造成幾毫秒級(jí)的定時(shí)調(diào)整。為此，須根據(jù)衛(wèi)星對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)計(jì)算星地傳輸時(shí)間延時(shí)。

另外，GMR-1衛(wèi)星形成的多個(gè)信號(hào)波束往往是不規(guī)則的，但波束覆蓋的區(qū)域可以根據(jù)衛(wèi)星的實(shí)時(shí)位置與波束賦形算法來模擬仿真，本處為了論證方便，假定衛(wèi)星波束為圓形的。

2.2 ?算法描述

動(dòng)態(tài)信道分配算法分成三部分：

（1）判斷終端位置

根據(jù)終端MES上報(bào)的經(jīng)緯度或者信關(guān)站測量到的TA，判斷終端MES所在位置是否超出衛(wèi)星當(dāng)前波束覆蓋范圍，若超出覆蓋范圍，則拒絕終端接入并通知終端接入到其他波束，其過程如圖3所示：

（2）分配下行信道

當(dāng)終端允許接入時(shí)，進(jìn)入該步驟，如圖4所示：

（3）分配上行信道

首先計(jì)算衛(wèi)星的實(shí)時(shí)位置及波束中心點(diǎn)，估算波束邊緣到波束中心點(diǎn)的最大延時(shí)，調(diào)整分配的起始時(shí)刻Return_TS_Start，如圖5所示：

2.3 ?算法分析

在上述算法中，信關(guān)站首先根據(jù)終端的TA/經(jīng)緯度信息估算終端是否在衛(wèi)星波束的覆蓋范圍內(nèi)，若不在覆蓋范圍內(nèi)，則拒絕終端接入并通知其接入到其他波束;若在覆蓋范圍內(nèi)，則根據(jù)用戶請(qǐng)求的信道類型在當(dāng)前下行信道資源池中尋找可用的資源，并使得分配的信道占用衛(wèi)星發(fā)射功率峰值最低。接著，信關(guān)站為終端分配上行信道資源，此時(shí)，信關(guān)站判斷上行信道分配的時(shí)間是否需要調(diào)整，若需要調(diào)整且與下行對(duì)應(yīng)的信道資源上空閑，則調(diào)整上行信道分配起始時(shí)間，更新用戶使用的上行信道資源起始時(shí)間為：Return_TS_START+FowrdChannelStart。最后將FowardChannelStart與ReturnChannelStar返回給用戶。

2.4 ?仿真試驗(yàn)及分析

為了對(duì)本文提出的算法進(jìn)行評(píng)估，采用NS-2仿真軟件（版本2.35）對(duì)GMR-1衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，并在NS-2擴(kuò)展的傳統(tǒng)GMR-1衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)功能，增加了融合波束覆蓋的動(dòng)態(tài)信道分配算法模塊，以支持終端信道資源動(dòng)態(tài)分配。仿真參數(shù)表如表2所示：

場景1：單波束場景下，1 000個(gè)用戶分布到某一波束覆蓋范圍某個(gè)區(qū)域內(nèi)，每秒40個(gè)終端呼叫并成功后保持40 s，直到用戶數(shù)量達(dá)到峰值時(shí)，對(duì)比分析了本文算法與常規(guī)的動(dòng)態(tài)信道分配算法性能，如圖6所示，本文算法較其他算法在功率均勻上升，而其他算法很快就達(dá)到了峰值功率。

場景2：單波束場景下，1 000個(gè)用戶隨機(jī)分布到波束覆蓋范圍內(nèi)，每秒40個(gè)終端呼叫并成功后保持40 s，直到用戶數(shù)量達(dá)到峰值時(shí)，對(duì)比分析了本文算法與常規(guī)的動(dòng)態(tài)信道分配算法性能，如圖7所示，本文算法可以穩(wěn)定達(dá)到用戶峰值，但常規(guī)的動(dòng)態(tài)信道分配算法由于時(shí)隙差異導(dǎo)致無法最大化利用信道資源。

場景3：多波束場景下，3個(gè)相鄰波束，每波束配置1 000個(gè)用戶并隨機(jī)分布到波束覆蓋范圍內(nèi)，每秒40個(gè)終端呼叫并成功后保持40 s，直到用戶數(shù)量達(dá)到峰值時(shí)，對(duì)比分析了本文算法與常規(guī)的動(dòng)態(tài)信道分配算法性能，如圖8、圖9所示，本文算法較其他算法在功率均勻上升，而其他算法很快就達(dá)到了峰值功率，但用戶容量并未達(dá)到最大值，主要是由于部分終端接入到臨近波束，導(dǎo)致反向信道分配中存在較大的空隙，所以終端用戶無法達(dá)到最大峰值。

3 ? 結(jié)束語

本文提出了一種針對(duì)GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的信道動(dòng)態(tài)分配算法，該算法結(jié)合衛(wèi)星波束覆蓋范圍與終端實(shí)際位置，實(shí)時(shí)為用戶分配信道資源。仿真結(jié)果表明，在單波束或多波束場景下，本文所提算法較常規(guī)動(dòng)態(tài)信道分配算法，最大化衛(wèi)星信道資源利用率，提升了系統(tǒng)接入用戶容量。

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