基于雨衰環境下的多波束衛星資源分配策略

于 佳 宗 鵬

（南京航空航天大學 航天學院，南京 210016）

基于雨衰環境下的多波束衛星資源分配策略

于 佳 宗 鵬

（南京航空航天大學 航天學院，南京 210016）

針對雨衰對高頻段的衛星通信造成的不利影響，采用自適應前向糾錯編碼（FEC，Forward Error Correction）使傳輸的信息量減少，提出了一種雨衰下的自適應信道分配的策略.該方法是采用調整冗余信道來保障信息信道的傳輸量以滿足系統對誤碼率的要求，達到可靠和有效地利用有限的衛星信道資源的目的.通過仿真分析了該策略針對不同的頻段和降雨情況下對呼叫產生的影響，分析中考慮了話音業務享有比數據業務更高的優先權.仿真結果表明利用冗余信道傳輸用于糾錯的冗余信息可以保證在不產生通信中斷的前提下，可以滿足系統對信道誤碼率的要求.

資源分配;雨衰;自適應編碼;通信鏈路;誤碼率

由于衛星通信具有系統設計靈活和覆蓋范圍大等優點，衛星通信將是機動和大范圍通信的最佳的選擇，尤其對于沒有地面網絡的區域和相距較遠的用戶.由于低軌衛星相比高軌衛星來說軌道低、通信時延小，可以與低功率的手持終端提供直接通信，因此小型手持移動終端在提供全球實時通信方面有很多特有的優點.而且，低軌衛星地面覆蓋是多小區蜂窩覆蓋，可以提供比高軌衛星更多的業務容量.但是，衛星通信是一個開放的通信系統，其通信鏈路易受外部條件的影響，比如雨衰的影響［1－2］，尤其在高頻段通信中，雨衰對通信質量的影響更為嚴重.

許多文獻研究信道分配方法都是基于理想的通信環境［3－4］，沒有考慮到突發情況對信道帶來的影響.本文針對雨衰的情況，提出了一種在雨衰情況下應用的信道分配方法，仿真結果表明，新的分配方法能有效的緩解雨衰的影響，保證通信的質量.

1 理論分析

在具有多個點波束的LEO（Low Earth Orbit）衛星通信系統中，每個點波束在地面的投影區都是一個小區，假設每個小區的可用總帶寬為C.在話音業務和數據業務并存的條件下，根據各業務所處狀態的不同，將其分成了話音新呼叫、話音切換呼叫、數據新呼叫和數據切換呼叫，它們到達率分別為服從參數:λnv，λhv，λnd，λhd的泊松分布，服務時間服從負指數分布.1/μd和1/μ分別為數據業務和話音業務的平均服務時間.各類型呼叫對時延的要求不同，話音的優先級要高于數據業務，如果在總帶寬為C的情況下，數據業務只能使用的帶寬值為K，而剩下的C-K的帶寬只為話音業務服務，保證了話音業務的優先權.另外，由于雨衰的影響，造成了有用信息傳輸量的減少，本文采用了冗余信道保障技術，該技術是通過增加帶寬和自適應編碼的方式，既保證了有用信息傳輸量，又滿足了系統對誤碼率的要求.

1.1 系統模型

衛星信道的時變特性不但會影響接收數據的正確性，還會影響上行及下行鏈路的信噪比變化.在傳輸鏈路上根據不同的信噪比采用相應的信道編碼方式可以保證信道的誤碼率.將每種編碼組合稱為一種模式，每種模式都有相應的信噪比范圍，劃分為:［δ0，δ1］，［δ1，δ2］，…，［δL－1，δL］共 L個區間.

本文為了緩解雨衰對通信質量的影響，采用了多種前向糾錯（FEC，Forward Error Correction）信道編碼方式.圖1是FEC編碼的信噪比與誤碼率的關系圖.

圖1 FEC編碼信噪比與誤碼率關系圖

不同的信噪比區間選擇不同編碼方式，由于話音和數據業務對誤碼率的要求不同，話音業務能承受的最大誤碼率為10－3，數據業務能承受的最大誤碼率為10－5，因此選擇編碼模式也不同.表1中給出了信噪比范圍和編碼模式的對應關系.為了要保證有用信息的傳輸速率，因此不同的編碼模式要求不同的信道帶寬的補償.其中E（t）為話音業務的信道帶寬補償比例，F（t）為數據業務的信道帶寬補償比例，Bv為話音業務的占用帶寬，Bd為數據業務的占用帶寬，雨衰下的占用帶寬表示如下.

式中，Bsv為晴天下話音業務的占用帶寬;Bsd為晴天下數據業務的占用帶寬.

對用戶來說，話音業務的中斷比數據業務更加難以接受，因此，為了保證話音業務的優先權，首先，在話音與數據業務同時到達時，接入話音業務的概率遠大于數據業務.

其次，話音業務能使用小區中全部帶寬C，數據業務只能占用帶寬K，這樣保證了即使有大量數據業務到達小區時，仍有C-K的帶寬可供話音業務使用，保證了話音業務的高優先級.

在晴天的情況下，當空閑帶寬小于帶寬C時，話音業務可以接入小區，空閑帶寬小于K時，數據業務可以接入小區，表示如下:

式中i，j為小區中當前使用的話音和數據業務的數量.在雨天的情況下，表示如下:

表1 信噪比范圍和編碼模式的對應關系

1.2 數學分析

在給出誤碼率的最低標準后，每個時刻的信道補償比例給定，晴天下小區中能容納的話音和數據業務的數量為

式中，［X］為取整;S為小區中業務占用信道的狀態空間.

式中，a為數據業務占用的信道與話音業務占用帶寬之比.

二維馬爾可夫過程如圖2所示，q（i，j;i'，j'）表示從狀態（i，j）轉移到（i'，j'）的概率，其中，在雨天的情況下，概率為

式中，πv（i，j;i+1，j）表示新到達了語音呼叫時，有足夠帶寬能夠接入新呼叫的概率，πv（i，j;i，j+1）表示新到達了數據呼叫時，有足夠帶寬能夠接入新呼叫的概率.

由于新呼叫和切換呼叫優先級相同，所以切換失敗率和新呼叫阻塞率相同.

話音業務的新呼叫阻塞率（切換失敗率）為

數據業務的新呼叫阻塞率（切換失敗率）為

式中p（i，j）為處于狀態（i，j）概率.

1.3 通信鏈路的計算

E（t）與F（t）為話音和數據業務的信道帶寬補償比例，它們的取值取決于當前狀態下所選的編碼方式，而編碼方式的選擇取決于當前鏈路的信噪比，雨衰是主要影響信噪比的因素，因此，E（t）與F（t）的取值主要取決于雨衰.

鏈路信噪比的計算為

圖2 二維馬爾可夫狀態圖

式中，Pt為發射功率;Gt為發射天線的增益;LP為自由空間鏈路損耗;Lm為其他雜損;Gc為編碼增益;Gr為接收天線增益;B為帶寬;K為玻爾茲曼常數;T為噪聲溫度;A為雨衰.除了雨衰是不可預知的，其他參數均為可預知的值.

雨衰的計算如下:

式中，Ath為此刻能承受的最大雨衰值;（Eb/N0）cs是晴天下的信噪比;（Eb/N0）th是達到誤碼率門限的最小信道比.

由于雨衰隨著時間在變化，令呼叫持續時間為Ts，通信結束時刻，雨衰為

通信開始時刻的雨衰為

在文獻［5］中給出了兩個不同時刻的雨衰值的關系為

式中，Q（x），Sa的計算在文獻［4］中均已給出.計算出雨衰值，即可得到信噪比.根據當前的信噪比值，找到對應信噪比區間的信道編碼模式，算出E（t）與F（t）值，根據式（3）判斷小區是否有足夠的空閑信道能夠容納新呼叫或切換呼叫，最后選擇接受或者拒絕呼叫.

2 仿真結果

仿真的模型以低軌衛星中的銥星為例，銥星系統網絡模型的建立在之前的研究中已經完成［5］，使用的仿真參數如表2所示，話音業務能承受的最大誤碼率為10－3，數據業務能承受的最大誤碼率為 10－5［6］，1/2FEC，2/3FEC，3/4FEC，5/6FEC，7/8FEC編碼的補償比例 E（t）（或F（t））分別為1，1/2，1/3，1/5，1/7.因為話音業務優先級高于數據業務，在總帶寬中，數據業務只能使用其中80%的信道.

本仿真的終端分布在南京地區，仿真南京的業務情況，南京的降雨量為年平均60 mm/h，海拔8.9 m.

上行鏈路和下行鏈路均采用MF-TDMA接入方式.銥星系統的總帶寬為10.5 M，其中時分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）和頻分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access）結構如圖3所示.圖中 UL1，UL2，UL3，UL4為上行鏈路時隙，DL1，DL2，DL3，DL4 為下行鏈路時隙.上行鏈路和下行鏈路的資源分配方法是一樣的，因此在仿真中只討論上行鏈路的資源分配.

表2 仿真參數

圖3 銥星TDMA與FDMA結構示意圖

每顆銥星有48個波束，每個波束有240/48=5個頻率，因為頻率復用因子為12，因此每個波束有240/12=20個頻率，可用上行鏈路有4個時隙，下行鏈路有4個時隙，因此每個波束的上行鏈路的可用信道有20×4=80個信道.每個頻率一個信道，每個單獨的頻率信道由4個TDMA時隙組成.整個資源的分布可以用一個二維陣列來表示，圖4是上行鏈路一個衛星覆蓋下48個波束中一個波束的資源分布圖.

圖4 資源分配圖

帶寬調整過程如圖5所示.

圖5 自適應信道分配流程圖

圖6 不同頻率下話音數據業務新呼叫阻塞率

圖7 不同頻率下話音數據業務切換失敗率

由圖6和圖7可以看出新呼叫阻塞率和切換失敗率隨著業務量和頻率的增加而增加，話音業務的新呼叫阻塞率在0.17～0.42之間變化（不同頻率），而數據業務的阻塞率在0.58～0.9之間變化.話音的切換失敗率在10－5～2×10－4之間變化，而數據業務的切換失敗率在5×10－4～2×10－3之間變化.話音業務的新呼叫阻塞率和切換失敗率比數據業務小，首先因為話音業務享有比數據業務更高的優先權，且同樣的環境下占用的信道少，其次因為話音持續時間小于數據業務持續時間.滿足了用戶對話音業務的低切換率的要求.圖8中信道利用率隨業務量的增加而增加，隨頻率增加而減少.業務量越多，新造資源中空閑的信道越少，因此信道利用率越高.頻率越高，雨衰越大，為了保證有用信息的傳輸量，動態增加的信道數越多，因此導致新呼叫的阻塞率，切換失敗率的上升和信道利用率的下降.本文仿真的是南京地區的業務情況，降雨量取的是60 mm/h.如果降雨量不限制，而頻率定在12 GHz，那么降雨量最高可以達到150 mm/h（不同頻率下最大降雨量的結果也不同）.

圖8 不同頻率的信道利用率

由圖9和圖10可以看出，在晴天和恒定業務量的情況下，由于話音和數據業務的分配信道數量不隨信道占用時間的影響，因此新呼叫阻塞率和切換失敗率是恒值.例如，數據業務新呼叫阻塞率恒為0.514，話音業務的切換失敗率恒為2.3×10－6，而在雨天的情況下，由于雨衰的原因，造成信噪比動態變化而引起誤碼率變化，要滿足系統對誤碼率的要求，采用自適應編碼，為了滿足有用信息的傳輸量，必須動態增加信道的數量，誤碼率越高，增加的信道數就越多，而導致了新呼叫阻塞率和切換失敗率隨誤碼率的增加而增加.由于雨衰值是隨著業務占用信道的時間的增加而增加［7］，因此語音和數據業務平均持續時間越長，雨衰越大［8］，增加的信道數量越多，因此新呼叫阻塞率和切換失敗率越大.

圖9 數據業務新呼叫阻塞率與誤碼率的關系

圖10 話音業務切換失敗率與誤碼率的關系

3 結論

本文提出的降雨情況下的自適應信道分配算法根據不同的降雨情況，采用調整信道帶寬補償比例，動態的為業務分配信道，并采用給話音業務預留信道的方法，保證了語音業務的切換失敗率和新呼叫阻塞率.該算法以新呼叫阻塞率為代價，在保證誤碼率達到系統要求的同時，又保證了信道中有用信息的傳輸量，并且滿足系統對切換失敗率的要求.本文對該算法進行了詳細的理論推導和分析，以銥星系統為背景建立仿真系統，理論分析與仿真結果得到了相互驗證.該算法為低軌衛星系統中多種衰減環境下的信道分配算法研究提供了參考，并且為接下來對雨衰下信道帶寬補償比例的研究奠定了基礎.

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Resource allocation scheme under rain fading in multi-beam mobile satellite systems

Yu Jia Zong Peng
（College of Astronautics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

An efficient dynamic resource calculation algorithm applicable to satellite networks was presented.The rain attenuation was taken into account，and adaptive forward error correction（FEC）coding technology was used to mitigate the decrease in signal to noise ratio caused by rain.In order to guarantee the information date rate and bit error rate，the proposed scheme adaptively increases the number of channels to transmit more information date.The algorithm's performance was validated through simulation of different rain rates and frequencies，and the theoretical analysis and simulation results were matched perfectly.

resource allocation;rain attenuation;adaptive coding;communication link;bit error rate

TN 927

A

1001-5965（2012）03-0291-06

2010-11-20;< class="emphasis_bold">網絡出版時間:

時間:2012-03-28 15:12

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120328.1512.001.html

于 佳 （1985－），女，江蘇金壇人，博士生，yujiahahaha@126.com.

（編 輯:張 嶸）