低軌衛星網絡中基于用戶位置的位置管理策略

孫移星，楊 波，唐 倫，陳前斌

(1. 重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065；2. 東方紅衛星移動通信有限公司，重慶 401147)

1 引言

低軌(Low Earth Orbit，LEO)衛星通信系統是未來空天地一體化網絡的重要組成部分，是當前及未來移動通信領域研究的熱點與難點。移動性管理是移動通信領域的一個具有挑戰性的問題，它主要包括：切換管理和位置管理。位置管理涉及是否可以成功尋呼，在移動性管理中具有舉足輕重的作用。

位置管理包括兩個方面，位置更新(Location Update)和位置尋呼(Paging)。位置更新是指用戶向系統上報自己的位置信息，系統進行登記存儲；位置尋呼指的是系統將主叫用戶的尋呼消息成功地傳遞給被呼用戶，實現兩者之間通信的建立。如何實現較高尋呼成功率，減少尋呼時延，平衡位置更新與位置尋呼的總開銷是位置管理研究的主要問題。

根據低軌衛星是否具有星上處理能力將低軌衛星通信分為兩類：透明傳輸的低軌衛星通信系統和具有星上處理能力的低軌衛星通信系統。文獻[5]研究了透明傳輸的低軌衛星通信系統中的位置注冊與尋呼問題，討論了四種位置區設計的優點與缺點，使用訪問位置寄存器(Visitor Location Register，VLR)和歸屬位置寄存器(Home Location Register，HLR)的二級位置信息數據庫，網絡HLR與VLR相連，尋呼的時候根據存儲的信息查找用戶，從尋呼帶寬和位置更新開銷兩方面分析基于衛星和信關站的位置區劃分方案的性能；文獻[6]提出了在上述網絡架構下，一步指針轉發策略(OPF)，即不在HLR中更新自己的位置信息，而是在原VLR中建立一個指針，指向新的VLR，這種策略大大減少了信令的開銷。為避免較長的VLR鏈表導致較長的呼叫建立時延，OPF鏈表中只有兩個VLR；文獻[7]在文獻[6]的基礎之上，提出了基于動態K步的用戶位置更新策略，針對不同的業務需求，動態設置VLR中鏈表的長度，是一種動態的管理方案。上述幾個研究，都停留在過去透明傳輸的低軌衛星通信系統下，并且嚴重依賴地球地面站的支持。在今后具有星上處理能力的低軌衛星通信系統中，上述方案顯得臃腫復雜且難以實際部署實現。本研究將在具有星上處理能力，且僅有一個地面站的系統中，提出一個可用的位置管理方法，主要工作如下：

1)提出了一種基于終端自身地理位置信息的動態位置區劃分，在該位置區劃分方法下，終端超出了自己的位置更新半徑R，或者終端超過一定的時間(強制更新時間)未更新，達到兩個條件其中的一個條件，終端都將發起位置更新。

2)提出一種尋呼衛星及點波束確定算法，通過計算衛星與用戶之間的距離確定尋呼衛星的方法，得到衛星及用戶的位置，通過轉換坐標系求出用戶相對于被呼衛星的方位角，之后確定最有可能尋呼成功的波束，該方法將傳統的尋呼范圍從地面的位置區轉移到了多波束衛星的波束。

3)仿真結果表明，本文提出的位置管理策略可以有效地實現高尋呼成功率，減少了信令開銷，平衡了尋呼時延。針對不同運動特性的用戶，提出最佳的位置更新半徑和強制更新時間，在保證良好尋呼成功率的前提下盡可能減少了用戶的開銷，節約了網絡的資源。

2 低軌衛星通信網絡的位置管理

2.1 低軌衛星通信網絡的特點

在低軌衛星網路中，造成用戶與網絡相對運動的因素有三種：

1)衛星在軌道上周期性運動帶來波束的絕對運動；

2)用戶隨著地球自轉所做的相對運動；

3)用戶相對于地球的隨機運動。

以上三種因素，前兩種的影響比較大，尤其第一種，因為低軌衛星的軌道運行周期只有兩個小時左右，終端用戶的中低速運動相對于衛星來說可以忽略不計。一般情況下，終端與衛星之間的相對徑向角速度是衛星與地球自轉速度的合成。

2.2 低軌衛星網絡中的動態位置區設計

位置區是人為劃定，以便于對用戶進行位置管理。常見的劃分方法有動態和靜態兩大類劃分方法，傳統的靜態劃分由于比較死板，缺乏靈活性，無法解決“乒乓效應”，已逐步被淘汰，而基于衛星波束的位置區方案位置更新非常頻繁，會帶來極大的位置管理開銷。

圖1 常見的位置區域劃分分類

在本研究中，將采用基于用戶地理位置信息的動態位置區劃分方法，該方法針對不同特性的終端用戶設置不同的位置更新半徑和強制更新時間，當終端越過自己的位置區或者到達強制位置更新時間，終端發起位置更新。

圖2 基于用戶地理信息的動態位置區劃分

2.3 低軌衛星的多波束天線設計

在無線通信系統中，系統的最大容量在于有限的帶寬。在地面移動通信系統中，可以將通過將服務區區域劃分為多個小區，按照一定的劃分規則將它們分開，并采用相同的頻率資源(頻率復用)，以提高系統容量。在低軌衛星通信系統中，為了保證衛星的覆蓋范圍和增大系統的容量，同時保證一定的服務質量(QoS)，衛星通常采用多波束天線，這些點波束在地面上形成連續的蜂窩小區，在不同的點波束間也需采用頻率復用。

衛星多波束天線根據其輻射特點可分為等波束寬度和等波束面積兩種。等波束寬度多波束天線是指各個波束的半功率寬度(點波束的天線視角)相等，優點是各個點波束天線的結構、參數呈規則分布，只用生成一個點波束天線模型，分別設置不同點波束的指向，這種設計有利于天線的簡化，易于實現；等波束面積多波束天線是指點波束小區面積相等，其優點是等小區面積的覆蓋，有利于系統為整個地面服務區提供均勻覆蓋的系統容量，實現移動性管理相對容易，但這種設計方式在工程上難以實現，在仿真中難以建模，因此難以用到實際的衛星通信系統中。本研究中采用的多波束天線參考了銥星系統的多波束天線設計模式，將48個點波束設置在不同的4層圓上，每層圓上有不同的波束。

圖3 多波束衛星48點波束示意圖

3 基于用戶自身位置的位置管理方案

3.1 位置管理開銷

在位置管理開銷中，位置管理總開銷(Nt)有位置更新開銷(NL)和位置尋呼開銷(NP)組成，

Nt=NL+NP

(1)

Nt=NL+NP

(2)

NP=NSP×λ×NBpage

(3)

其中，位置更新開銷由更新頻率(LUR)和更新所需比特數(NBLUP)決定，位置尋呼(NP)由呼叫到達率(λ)，尋呼所需的波束數(NSP)以及尋呼消息所需的比特數(NBpage)決定。

3.2 衛星及衛星點波束確定

用戶開機之后，通過進行自我定位，將自己的位置信息進行上報。當需要對用戶所處的點波束進行確定時，運控中心將用戶的最近一次上報的位置信息作為用戶的位置信息，首先通過衛星確定算法，確定一個最合適尋呼的衛星；接著，通過波束確定算法，選擇一個合適的波束發起尋呼。

如圖4所示，顯示了用戶與衛星之間的距離。已知被呼用戶處于A(lon＿A，lat＿A)點，衛星處于Si(lon＿i，lat＿i)，而衛星的經緯度和星下點經緯度相同，此時星下點的經緯度可以由以下公式求得(假設衛星的初始時刻在右升節點)

λs(t)=λ0+arctg(cos(I)·tg(θ))-

(4)

φs(t)=arcsin(sin(I)·sin(θ))

(5)

其中，λs(t)、φs(t)分別是衛星星下點的地理經緯度，λ0是t=0時刻衛星所在右升節點地面投影的經度，θ是t時刻衛星在軌道平面與右升節點投影之間的角距，逆時針方向為正，ωe是地球自轉角速度，t是衛星運行的時間，±用來表示順時針和逆時針方向。得到了衛星的經緯度，則衛星星下點與用戶的弧線距離可以由以下公式算法

(6)

(7)

(8)

利用三角函數及其推導公式，可得

cosθ=sinαsinγ+cosαcosβcosγ

(9)

Di=R×arccos(sinαsinγ+cosαcosβcosγ)

(10)

其中，Di為被呼用戶與衛星之間的弧線距離，R為地球半徑。

圖4 衛星與用戶之間的距離

取距離最近的衛星作為尋呼衛星，

Si=min{Di，i=1，2，…，65，66}

(11)

圖5 用戶方位角

在確定了尋呼衛星之后，得到了尋呼衛星的經緯度，如圖5顯示了用戶與確定尋呼衛星之間的方位角，根據衛星和用戶的地理信息，可以計算出用戶相對于尋呼衛星的方位角

Δλ=λ2-λ1

(12)

θ=atan2[(sin(Δλ)cos(φ2))，(cos(φ1)sin(φ2)-

sin(φ1)cos(φ2)cos(Δλ))]

(13)

其中，λ2為用戶的經度，λ1為衛星的經度，φ2為用戶的緯度，φ1為衛星的緯度。

在計算得出了尋呼衛星和用戶方位角之后，通過點波束確定流程選定一個波束作為尋呼波束。圖6為衛星及點波束確定算法流程圖，若得到用戶相對于衛星的方位角之后，結合前面得到用戶與被呼衛星之間的距離，先比較他們之間的距離，確定用戶在衛星四層波束中的哪一層，然后在確定的那一層波束中找到最接近用戶的那個波束，記錄這個波束信息，并將此波束作為尋呼波束。

圖6 衛星及點波束確定算法

3.3 位置更新

用戶以自己的位置更新半徑R1為半徑畫一個圓形，作為自己的動態位置區域，同時，用戶自己有一個計時器。當用戶出了自己的位置區或者計時器溢出，用戶將進行位置更新。當用戶由于越過更新半徑而發起更新之后，用戶將根據自己的運動狀態設置一個新的位置更新半徑R2，同時用戶的計時器清零，用戶將處在一個新的位置區。圖7顯示用戶越過位置區示意圖，用戶將根據自己的狀態來決定是否改變自己的位置更新半徑。

圖7 用戶越過更新半徑示意圖

圖8 用戶判斷是否進行位置更新

圖8為用戶判斷是否需要進行位置更新示意圖，用戶位置更新的觸發條件有兩個，強制位置更新時間和位置更新半徑，這兩個中只要滿足一個條件，即發起一次位置更新。

圖9 終端用戶位置更新流程圖

采用動態位置更新方案，其位置更新流程如圖所示，其位置更新如圖9所示：

Step0：用戶開機；

Step1：衛星的波束模塊以一定的頻率向地面發送導頻信息；

Step2：用戶在收到衛星的導頻信息之后，以一定的準則(最強信號、最大仰角等)選擇一個衛星波束進行位置更新；

Step3：衛星波束模塊收到用戶的位置更新信息，轉發至衛星的中央處理器；

Step4：衛星的中央處理器將對該信令進行處理并查看是否與信關站直接連接；若與信關站直接連接，則將該信令發送至信關站；若沒有與信關站直接連接，則通過星級鏈路將該信令發送至與信關站相連的衛星，與信關站相連的衛星把該信令轉發至信關站；

Step5：信關站收到來自用戶的位置更新信令，轉發至運控中心；

Step6：運控中心對用戶的位置更新信令處理，若數據庫中無此用戶，則存儲該用戶信息；若有，則更新；

Step7：存儲、更新完成之后，系統將對該用戶的位置更新發送一個反饋信息告知用戶已完成位置更新；

Step8～9：位置更新反饋信令將原路返回至用戶；

Step10：用戶在收到位置更新反饋之后，將自己的更新狀態調整為已更新狀態，并每隔一定的時間檢查一次自己的狀態，查看是否需要發起新的位置更新，至此，用戶完成一次位置更新。

在Step10中，若由于一些原因，用戶在一定的時間間隔后沒有收到來自運控中心的反饋信令，則重新發起一次位置更新，直到收到位置更新反饋。

3.4 位置尋呼

尋呼時根據網絡的邏輯位置進行。地面控制中心收到主叫用戶的呼叫請求之后，解析出被叫用戶的相關信息。系統將被叫用戶最近一次的位置更新信息作為其尋呼算法的信息。在這個過程中，系統調用星座的星歷信息。

3.4.1 不同的尋呼策略

廣播尋呼：選定尋呼衛星，在該衛星下的所有波束進行尋呼，該方法尋呼成功率高，時延低，但是開銷大。

一次尋呼：系統對尋呼消息進行處理，選定一個合適的衛星和波束，在該波束內發起尋呼。這種方法尋呼開銷低，時延低，需要更加精確的用戶位置信息，適用于低速用戶，但當用戶移動速度過快時，尋呼失敗率增大，為了提高成功率，不得不將用戶更新半徑和強制更新時間減小，加大位置更新次數。

二次尋呼：選定尋呼的衛星之后，通過計算得到用戶與該衛星之間的距離和方位角，計算出最可能尋呼成功的波束，如尋呼失敗，則在該波束的一周進行尋呼。此種方法平衡了尋呼開銷和尋呼時延，是一種較為良好的尋呼方法，在本研究中，將采用此種尋呼方法。

多波束并行尋呼：為了解決二次尋呼帶來的時延，將尋呼在多個波束同時進行，這種方法比廣播尋呼開銷小，比一次尋呼開銷大，但是保證了一定的尋呼成功率，尋呼時延和廣播尋呼時延一樣。

逐個尋呼：選定尋呼的衛星之后，通過計算得到用戶與該衛星之間的距離和方位角，計算出可能尋呼成功的概率波束，依次尋呼。

分組尋呼：選定尋呼的衛星之后，通過計算得到用戶與該衛星之間的距離和方位角，計算出可能尋呼成功的概率波束，按照波束的分組情況進行尋呼。特點：時延和開銷的平衡。

圖10 位置尋呼流程圖

假設主叫用戶的服務衛星為A，被叫用戶的服務衛星為B，則尋呼流程如圖10所示：

Step0：用戶摘機，準備發起尋呼，選擇一個合適的衛星上報自己的請求；

Step1：衛星收到請求，若自身的狀態(信道是否可以分配、波束是否要即將關閉等)滿足該用戶的請求，則發送確認消息；若不滿足，則發送資源不可用消息；

Step2：主叫用戶發起呼叫，并在確認的衛星及波束內進行上報請求；

Step3：衛星給主叫用戶分配一個信道；

Step4：衛星收到用戶的呼叫，若該衛星與信關站直接連接，將此信息傳遞至地面站，若不是，則查看哪顆衛星與信關站連接，并將此消息通過星間鏈路傳送至于信關站連接衛星；

Step5：地面站收到主叫用戶的呼叫請求，處理該請求，通過衛星及波束算法選定尋呼衛星及波束，并選用一種尋呼策略(廣播尋呼、一次尋呼、二次尋呼、多波束同時尋呼等)，將尋呼發出；

Step6：地面站將尋呼消息發送至確定的尋呼衛星；

Step7：給被呼用戶分配信道；

Step8：在確定的尋呼波束內發起尋呼；

Step9：若被呼用戶收到來自地面站的尋呼，給地面站發送一個確認消息，用以告知信關站收到了來自的地面站的尋呼請求；

Step10：被叫用戶在完成Step5之后，給主叫用戶發送信息，表明收到了主叫用戶的請求，可以建立通信鏈路，至此，一個尋呼完成。

其中，在Step2之后的計時器之內，若沒有收到被叫用戶的反饋，表明第一次尋呼失敗，系統將根據采用尋呼策略的不同采取不同的應對措施，采用二次尋呼策略，系統將在第一次確定的尋呼波束的周圍同時發起尋呼。

圖11 多波束衛星尋呼示意圖

4 仿真結果分析

OPNET 是一款網絡仿真及優化領域性能較好的軟件，它為解決通信網絡的仿真和優化，以及高效的網絡管理提供了整套的解決方案。此次仿真是基于 OPNET 14.5 版本。

在 OPNET 中的驅動機制是離散的事件。事件是指數據分組到達、時間到來時、切換發生等等網絡中發生的變化。離散的事件是指這些事件在時間軸上都是一個個離散的點，當事件發生的時候，仿真時間停止，相應的事件處理程序在該時間點運行，那么在整個時間軸上這些事件是順序排列的點。OPNET仿真的通信網絡可以是固定網、移動網以及衛星網絡，所采用的是三層建模機制：最上層為網絡域，反映了網絡的拓撲結構；再者是節點域，由相應的協議模塊構成，反映了設備的特性；最底層是進程域，用狀態機的形式來描述協議，反映了協議的具體功能是如何實現的。這種三層模型建模同實際的協議、設備和網絡一一對應，能夠全面地反映網絡的相關特性基于地理位置的衛星通信網絡。

4.1 網絡模型

仿真平臺參考了銥星星座，共有66顆衛星，分布在6個軌道平面上，每個軌道面上有11顆衛星，衛星軌道高度為780km；共設有兩個信關站，一個運控中心。

圖12 仿真平臺網絡拓撲圖

4.2 關鍵節點

4.2.1 衛 星節點

衛星節點由波束模塊，天線模型，星間鏈路模塊等組成。其中，波束模塊負責用戶的接入及用戶與用戶之間的通信，天線模塊負責加載及動態更新多波束天線，星間鏈路模塊實現前后左右四條星際鏈路(反向縫除外)，中央處理器模塊實現各種信令的處理。

圖13 衛星節點模型

4.2.2 終端用戶節點

用戶模塊有兩部分組成，一部分實現通信終端的功能，包括用戶的接入，收發信令等，另一部分負責用戶的移動，實現用戶的隨機運動，包括方向、速度、運動時間等。

圖14 終端用戶節點模型

4.3 仿真結果分析

仿真將針對幾種類型的終端用戶進行，下表分別給出系統的仿真參數和不同移動終端的配置參數。每條更新消息為1108比特，每條尋呼消息為168比特[11]，用戶每2-3分鐘檢查一次自己的狀態，用以判斷是否需要發起新的位置更新。

表1 系統仿真參數

參考UMTS中關于移動模型的定義及真實場景下用戶的移動特性，將終端用戶的移動模型設置為以下幾類：A類終端代表地面行人；B類代表地面普通車載終端；C類代表火車終端；D類代表動車終端；E類代表高速鐵路終端；F類代表普通民航客機終端。

表2 A類終端用戶參數設置

圖15 A類終端用戶位置管理開銷

圖16 A類終端用戶位置更新次數

圖17 A類終端用戶一次位置尋呼成功率

表3 B類終端用戶類型參數設置

圖18 B類終端用戶位置管理開銷

圖19 B類終端用戶位置更新次數

圖20 B類終端用戶一次位置尋呼成功率

表4 C類終端用戶類型參數設置

圖21 C類終端用戶位置管理開銷

圖22 C類終端用戶位置更新次數

圖23 C類終端用戶一次位置尋呼成功率

表5 D類終端用戶類型參數設置

圖24 D類終端用戶位置管理開銷

圖25 D類終端用戶位置更新次數

圖26 D類終端用戶一次位置尋呼成功率

圖15～26分別顯示A、B、C、D類四種終端用戶的位置管理開銷、位置更新次數和一次尋呼成功率。對于該四類終端用戶，移動速度相對較小，隨著位置更新半徑的增大，位置管理開銷和更新次數在減小，一次位置尋呼成功率也變化不大。當位置更新半徑到一定的值之后，位置管理開銷、更新次數以及一次尋呼成功率趨于一個定值。故為A、B、C、D四類終端用戶分別設置10～40km、40～80km、200～400km、500～600km的位置更新半徑可以到達位置管理開銷最小。

表6 E類終端用戶類型參數設置

圖27 E類終端用戶位置管理開銷

圖28 E類終端用戶位置更新次數

圖29 E類終端用戶一次位置尋呼成功率

圖27～29為E類終端用戶的位置管理開下、更新次數和一次尋呼成功率。對于E類終端用戶，由于其移動速度相對快，在強制位置更新時間內，其運動出了一定的距離，位置更新半徑超過400km，其管理開銷到最值。但是隨著更新半徑增大，一次尋呼成功率有明顯的下降，二次尋呼帶來時延，故應該靈活設置位置更新半徑，對于時延不受限終端用戶，更新半徑設置為400km，對于時延受限終端用戶，更新半徑設置應根據具體情況考慮。

表7 F類終端用戶類型參數設置

圖30 F類終端用戶位置管理開銷

圖31 F類終端用戶位置更新次數

圖32 F類終端用戶一次位置尋呼成功率

圖30～32為F類終端用戶的位置管理開銷、位置更新次數和一次尋呼成功率。該類終端用戶移動速度較快，且方向改變的概率較小，隨著位置更新半徑的增大，其位置管理開銷先減小，之后緩慢上升。故其位置更新半徑設置為1000～1500km能夠實現位置管理開銷最小。

圖33 各類終端用戶一次尋呼成功率

從圖33可以看出，隨著位置更新半徑的增大，各類終端的一次位置尋呼成功率在下降，當位置更新半徑增大到某個值時，一次尋呼成功率趨于一個定值。

5 結束語

本研究充分利用了衛星通信的特點，在衛星具有星上能力和終端具有自主定位能力并采用單信關站的低軌衛星通信系統中，提出了一種基于用戶自身位置信息的位置管理策略。與傳統的位置管理相比，該方案摒棄了傳統的多信關站模式，簡化了系統的復雜度，提高了可實施性。之后，結合實際場景中終端的運動情況，針對具有不同移動特性的終端用戶，分別設置不同的位置更新半徑進行仿真，仿真結果表明，隨著位置半徑的增加，位置管理開銷和一次尋呼成功率趨于一個極值，當位置更新開銷達到理論最小值時，其一次位置尋呼成功率也比較高，表明該策略可以較好地實現位置管理，對于低軌衛星通信網絡的發展和建設具有一定的參考價值。