基于海量用戶屬性的低軌衛星網絡優化分組切換方法

摘 要：隨著低地球軌道（Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ，ＬＥＯ） 衛星通信系統設備的大規模部署，用戶終端數量呈迸發式增長。然而衛星運動會導致服務間斷，大量用戶需要同時發生切換，產生了大量的信令開銷，致使網絡性能下降。針對以上問題，提出了一種基于海量用戶的屬性優化分組方式的多星切換方法。該方法根據用戶服務衛星向網絡發送的滿足用戶通信需求的切換衛星信息，對用戶考慮其在波位內相對位置和切換需求帶寬等屬性進行初始分組。通過考慮切換成功率、負載均衡和切換時延等因素，調度組內用戶和用戶組，優化用戶的分組切換方法。對于信令交互流程，分析了優化分組切換方法對比譜聚類分組切換方法和單用戶切換方法的信令開銷。仿真結果表明，優化后的分組切換方法能夠有效提高切換成功率，改善衛星的負載均衡，降低切換時延，減少部分節點間交互的信令，從而降低切換的信令開銷。

關鍵詞：低軌衛星；多星覆蓋；星間切換；分組切換

中圖分類號：ＴＮ９２７＋． ２ 文獻標志碼：Ａ

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）１２－２８５０－０８

０ 引言

如今，低地球軌道（Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ，ＬＥＯ）衛星通信系統發展十分迅速，在地面通信系統受地理和經濟因素的制約，無法實現全球可達時，ＬＥＯ 衛星通信系統能夠提供全球無縫覆蓋通信，并且其具有低時延、低功耗的特點，能夠作為地面通信系統的重要補充［１］。ＬＥＯ 衛星通信系統與以往的地球靜止軌道（Ｇｅｏｓｔａｔｉｏｎａｒｙ Ｏｒｂｉｔ，ＧＥＯ）衛星通信系統大不相同，一方面由于低軌衛星高速運動，導致對地面上終端的覆蓋時間短，一般在十幾分鐘以內，當終端由一顆衛星覆蓋區進入另一顆衛星覆蓋區時，要進行衛星切換［２］；另一方面，地面上的終端分為靜止終端和運動終端，后者運動速度相對于低軌衛星可忽略，因此認為ＬＥＯ 通信系統的切換主要由衛星的運動引起［３］。傳統的衛星網絡切換和認證機制主要是基于個體用戶設計的，并且由于ＬＥＯ 衛星的高動態性，導致網絡切換會產生更大的切換開銷和時延［４］。文獻［５］以端到端連接的跳數為基礎，提出了最小跳數切換策略，提供一定程度的服務質量（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ，ＱｏＳ）保障，獲得了較低的傳播時延和較低的切換頻率。文獻［６］提出了以用戶為中心的多屬性切換決策，基于用戶偏好和實時的系統測量調整屬性權重，獲得了在切換時間、信號強度、信道利用率上的性能提升。文獻［７］提出了一種基于波束可視時間與接收信號強度的波束小區［８］切換準則，有效降低了終端切換的頻次。隨著ＬＥＯ 衛星網絡的不斷發展，終端數量也在逐步增加，星間切換面臨著大量終端同時切換的可能。由于ＬＥＯ 波束遠大于地面基站服務小區，可能存在一顆衛星甚至一個波束下具有海量用戶的情況，解決由于衛星高速移動帶來的特有的批量用戶跨星跨波束并發切換問題異常重要［９］。星上的計算資源有限，大量的切換請求會造成網絡的性能下降，針對大量切換的衛星切換方法越來越受關注。與此同時，衛星天線技術的發展，使相控陣天線能夠凝視地面固定波位，使地面的小區形狀不隨衛星的移動而變化，波位小區內用戶終端只在某一固定時間切換到另一個ＬＥＯ 衛星［１０］，在發生星間切換時，波束的改變也會伴隨波位內大量終端同時切換的問題，波位內的終端在星座上呈現群移動的特性。現有研究發現，大量終端同時切換需要在衛星和網絡控制中心之間頻繁傳輸綁定更新消息，將帶來嚴重的切換信令開銷問題［１１］，由此產生的信令開銷，會增加網絡處理壓力，進一步導致網絡性能降低，使整體的切換失敗率上升［１２］、時延增加，因此需從終端分組的角度設計星間及星地網絡之間的切換機制。研究發現，大量用戶中具有相似屬性的用戶很可能在相同或相近的時間間隔內向同一顆衛星發送切換請求。如果能夠將這些用戶劃分為一個用戶組去發起切換請求，將在切換過程中極大地節省信令開銷［１３］。文獻［１４］將切換到同一顆衛星的用戶分到一組，根據相應的切換性能指標，遍歷了所有的分組方式后，得到使性能指標最優的情況作為用戶分組切換時的分組方式，但隨著用戶數量增加，算法復雜度過大，難以實現。文獻［１５］采用根據用戶的分群屬性預測對用戶進行分組，挑選出在切換觸發時刻下處于切換邊緣的一組用戶，研究了分組方法中組內聚集用戶數和切換性能的關系。文獻［１６］研究了用戶終端的分組方法和切換調度算法，根據網絡負載和終端特性采用了分層聚類算法分組，設計了一種基于網絡流模型的限制衛星選擇算法。文獻［１７ ］提出了一種通過研究用戶之間的相似性進行分組的方式，以用戶組執行切換決策，并采用非合作博弈解決了切換時間調度問題，降低了切換時延。

針對ＬＥＯ 衛星切換方法存在的算法復雜度較高、信令開銷較大和切換成功率較低的問題。本文從減少切換產生的信令開銷、降低用戶分組算法的復雜度、易于實現、提升切換成功率、改善負載均衡、降低切換時延等網絡性能的目的出發，結合ＬＥＯ 衛星波束切換工作的特點，提出了一種基于用戶在波位內相對位置和切換需求帶寬等用戶屬性，采用譜聚類算法對用戶進行初始分組，根據網絡性能設立切換成功率、負載均衡、切換時延等優化目標進行優化分組方式的切換方法，仿真結果表明，基于用戶屬性的優化分組切換方法實現了切換成功率的提升，切換時延、切換開銷的降低。

１ ＬＥＯ 多星覆蓋場景

多波束衛星場景下，如圖１ 所示，衛星網絡以地面固定波位的方式在覆蓋范圍［１８］內劃分了若干波位，衛星波束按照劃分好的波位在服務時間內通過系統調度服務某一波位內用戶。假設某一波位的服務衛星剩余時間即將結束，當前服務波位內的用戶都要發生切換，此時由于系統是地面固定波位，當前服務波束會調度到其他波位上服務，因此對于波位內的用戶，這種波束的改變幾乎是同時發生的。因為是多星覆蓋的，其他衛星的波束經過調度，也會服務當前波位。衛星Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 都能服務此波位，在發生切換時，隨機分布在波位內的用戶即可以根據需求和系統調度切換到其中任意目標衛星上。本文場景假設切換發生在同一信關站下的衛星之間，由于分組切換并不能減少綁定信息在不同信關站之間更新的信令開銷［１４］，對不同信關站的星間切換不做考慮。