低軌衛星通信網絡中改進的綜合加權接入算法

別玉霞，焦 棟，劉海燕

(大連大學a.遼寧省通信網絡與信息處理重點實驗室;b.信息工程學院，遼寧 大連 116622)

責任編輯:薛 京

隨著全球通信技術的迅猛發展，基于地面網絡的通信技術越來越不能滿足用戶大量的通信業務需求。由于衛星通信網絡能夠實現全球覆蓋、靈活性好，能夠為用戶提供更寬的帶寬以保證高速率的信息傳輸等優點，使得衛星通信網絡成為發展的必然。低軌衛星的軌道高度比較低，信號的傳播路徑也比較短，傳播過程中的信息損耗以及時延都比較小，可以更好地傳輸實時性業務，為實現個人通信提供了有利條件［1－3］。

由于低軌衛星的數目較多，多星覆蓋率較高，用戶終端可能被多顆衛星同時覆蓋。比如全球星系統，雙星覆蓋率超過80%，雙星以上的覆蓋率也超過50%。在低軌衛星通信網絡中，必須考慮呼叫接入問題，不僅包括新用戶在本小區內建立新連接所涉及的呼叫接入，還包括相鄰小區內切換過來的那部分呼叫請求的接入［4］。針對以上兩種情況，需要對低軌衛星通信網絡的接入算法進行研究。

1 現有的低軌衛星通信網絡接入算法

針對低軌衛星通信網絡的接入問題，很多文獻都提出了相應的接入算法，包括最短距離接入算法、最長覆蓋時間接入算法［5］、負載均衡接入算法、綜合加權接入算法［6］。其中綜合加權接入算法，對仰角、衛星覆蓋時間、衛星空閑信道數進行了綜合考慮，這也是目前應用比較多的接入算法。

1)最短距離接入算法:在該算法中，用戶終端在任何時候都選擇距離用戶最近的衛星進行接入。這種算法相對比較簡單，但是沒有考慮大氣中無線信號的傳播情況以及無線鏈路中陰影效應等影響，因此這種算法的接入性能不佳，實用性不強。

2)最長覆蓋時間接入算法:用戶終端在任何時候都選擇對其覆蓋時間最長的衛星接入。這種算法能夠最大程度地減少系統切換請求到達率，可以獲得較低的強制中斷率，但對于呼叫時間較短的用戶，這種方案選擇的衛星信號不是最好的。

3)負載均衡接入算法:該算法要求用戶終端在任何情況下都選擇空閑信道數最多的衛星進行接入，這樣能夠防止部分衛星過載，使整個衛星網絡的負載趨于平衡，但該算法相對比較單一，同樣沒有考慮無線鏈路的通信質量狀況。

4)綜合加權接入算法:該算法綜合考慮了仰角、覆蓋時間、空閑信道數因素，其中覆蓋時間和空閑信道數采用線性加權，仰角采用非線性加權。本文將這種算法稱之為原始綜合加權接入算法。計算公式為

式中:Ct代表目標性能函數;α代表衛星覆蓋用戶的時間加權系數;β代表衛星對用戶仰角的加權系數;γ代表衛星的空閑信道加權系數，且α=β=γ=1;Tover為覆蓋時間;Tmax為系統最大單星覆蓋時間;θmin為系統的最小仰角;θ為系統仰角;Cfree為用戶實時監測到的衛星剩余空閑信道數;Call為單顆衛星信道總數。該算法通過仰角因素來衡量無線鏈路實際的通信質量狀況是不夠的，雖然理論上盡可能選擇仰角大的衛星接入，但在實際情況中由于無線鏈路陰影效應等影響，空間集合上仰角大的衛星并不一定能提供最好的通信質量，而且當仰角趨近最小時，衛星信道會出現嚴重惡化。

基于此，本文重點考慮無線鏈路的通信質量狀況，將衛星覆蓋時間、衛星空閑信道數、衛星接收信號的信噪比進行加權，提出了改進的綜合加權接入算法。

2 改進的綜合加權接入算法

在用戶終端與低軌衛星通信網絡接入時，無線鏈路的通信質量非常重要［7］，而接收信號的信噪比真正反映了無線鏈路的通信質量狀況，信噪比大則鏈路質量好。本文提出的改進的綜合加權接入算法，既保留了最長覆蓋時間接入算法的優點，又保證了接入時基本的鏈路通信質量，同時還盡量使空間的通信業務量趨于均衡，避免了呼叫繁忙的部分衛星過載。

2.1 改進的綜合加權接入算法

在低軌衛星通信網絡的改進綜合加權接入算法中，可以根據算法中涉及的參數來計算衛星的優先級。覆蓋時間、空閑信道以及接收信號的信噪比均采用線性加權?，F設定其目標函數為

式中:μ代表衛星接收信號信噪比的加權系數;S代表用戶實時監測到的接收信號的信噪比，Smin代表信噪比閾值，Smax代表信噪比的最大值，且滿足 Tover≤Tmax，Cfree≤Call，S≥Smin，C≥Cmin。

約束條件中S≥Smin是基本通信質量的保證，C≥Cmin是衛星有剩余空閑信道的保證。在滿足約束條件的前提下，若用戶實時監測接收到的衛星覆蓋時間Tover越大，衛星接收信號的信噪比S越大，衛星剩余空閑信道數Cfree越多，則性能測度函數值越大。性能函數值越大，表明用戶實時監測接收到的衛星覆蓋時間、通信無線鏈路質量和衛星負荷這3個因素綜合性能越好。加權系數調整使該策略更具靈活性，系統可以根據加權系數的調整從而使系統的接入性能達到更優。

2.2 參數的計算

設星座系統軌道傾角為i，軌道高度為h，S為衛星的星下點，M是地面用戶節點，σ是衛星對地面的最大覆蓋地心角，φ是衛星的最大半視角，則某時刻衛星對地面的覆蓋區是以衛星與地心O的連線為軸線、半徑等于地球半徑R、球面角等于2σ的球帽區。設衛星在任一時刻t(t＞0)的星下點經度緯度(λs，ψs)，地面用戶m的經緯度為(λm，ψm)，則用戶與地心O、星下點S的地心角γ滿足

用戶被該衛星覆蓋的時間Tover近似為

式中:V是衛星相對于地球的運動速度。

對于每顆衛星總的信道數以及剩余信道數可以進行實時的檢測。

在對信噪比進行計算時，用戶終端為發射端，衛星為接收端，設地球站有效全向輻射功率為EIRP，鏈路的傳播損耗為LU，衛星轉發器接收天線的增益為GRS，則衛星轉發器接收機輸入端的載噪比［8］為

式中:Ts為衛星轉發器輸入端等效噪聲溫度，BS為衛星轉發器接收機帶寬，k為常數，這些都是已知量。

根據載噪比和信噪比的關系

可以得出信噪比為

式中:R為比特傳輸速率;B為接收系統的等效帶寬。

3 仿真實現和結果分析

參照典型的低軌衛星系統－Globalstar系統參數對改進的綜合加權接入算法進行系統仿真分析，并與綜合加權接入算法進行了比較。具體的仿真參數包括8個軌道平面，每個平面上有6顆衛星，軌道的高度為1 414 km，傾度52°，相鄰軌道衛星相位差為7.5°，每顆衛星240個信道，Cmin=1，Cmax=240，建立全球非均勻用戶呼叫模型，呼叫到達率均服從泊松分布，通話時間服從負指數分布，仿真過程記錄了新呼叫阻塞率和強制中斷率隨呼叫到達率的變化關系。

由于誤碼率越小，信噪比越大。因此，衛星接收前端的信噪比采用誤碼率來衡量，仿真時設定誤碼率閾值為1×10－6。本文采用BPSK調制方式時，誤碼率Pe與信噪比的關系為

定義新呼叫阻塞概率Pb，強制中斷概率Pth，其中Pb是指一個新發起的呼叫請求無法接入到衛星通信網絡的概率，Pth是指已經成功接入衛星通信網絡的呼叫在通話過程中發生通信中斷的概率［9－10］，表示為

圖1反映了新呼叫阻塞率與呼叫到達率變化的關系。仿真時選取5個參考點，業務量從每秒5個呼叫到每秒25個呼叫。

圖1 新呼叫阻塞率

從圖1可以看出隨著呼叫到達率的增加，改進的綜合加權接入算法在性能上要優于原始綜合加權接入算法。當呼叫到達率低于10個/s時，由于新呼叫數目比較少，系統的負載也相對較輕，到達的每個呼叫基本上都能夠接入到系統網絡中，因而兩種算法的新呼叫阻塞率都很低，隨著呼叫到達率的進一步增加，兩種算法的新呼叫阻塞率也呈現遞增的趨勢，這是因為系統的容量有限，系統將無法提供額外的空閑信道滿足多余的新呼叫接入。由于原始綜合加權接入算法考慮的仰角因素并不能真正反映無線鏈路的通信質量，而改進的綜合加權接入算法考慮了信噪比因素，真正保證了無線鏈路的通信質量，可以為用戶實時監測衛星接收信號的信噪比，即使衛星空閑信道數有限，但確保了呼叫的建立，增加了用戶接入衛星的概率，因而新呼叫阻塞率降低。

圖2反映了強制中斷率和呼叫到達率的變化關系。

圖2 強制中斷率

從圖2可以看出，當呼叫到達率低于10個/s時，系統的強制中斷率非常低，這意味著成功接入到衛星網絡的呼叫沒有發生通話的中斷，由于切換所造成的呼叫請求也相對較少。隨著呼叫到達數目的不斷增加，發生切換的概率也不斷增大，切換過來的部分呼叫將繼續選擇合適的衛星接入，在信道資源有限的前提下，強制中斷率必然隨之增大。相比于原始的綜合加權算法，改進的綜合加權接入算法的強制中斷率得到了明顯的改善，這是因為改進的加權算法滿足衛星的信噪比不小于信噪比閾值，保證用戶的基本通信質量，強制中斷率也相應降低。

4 結束語

本文將衛星覆蓋時間、衛星空閑信道數以及衛星接收信號的信噪比進行了綜合考慮，提出了一種改進的綜合加權接入算法，對低軌衛星通信網絡的新呼叫阻塞率和強制中斷率進行了仿真分析，從仿真結果來看，改進的綜合加權接入算法相比于原始的綜合加權接入算法，新呼叫阻塞率、強制中斷率都得到了明顯的改善，通過適當的調整加權系數的值可以滿足系統的不同需求，用戶終端接入低軌衛星通信網絡的有效性與可靠性得到有效提升。因此改進的綜合加權接入算法既保留了原始的綜合加權接入算法的優點，又保證了基本的無線鏈路通信質量，具有現實意義。

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