衛星移動通信系統集群通信競爭回退策略研究

鄭　璇，孫晨華

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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衛星移動通信系統集群通信競爭回退策略研究

鄭璇，孫晨華

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要在衛星移動通信系統基礎上，實現集群通信組呼功能。當前衛星組呼通信采用固定頻率方式，組呼成員在一個頻率下進行通信，實用性差。針對組呼用戶身份轉換競爭上行信道的過程，為降低用戶碰撞概率，提出一種針對媒體接入控制層(Medium Access Control，MAC)的一鍵通(Push To Talk，PTT)競爭回退策略，并仿真給出了各優先級的用戶的概率曲線。仿真結果表明，競爭策略能夠很好地保證優先級高的用戶有較大的PTT競爭成功的概率。

關鍵詞衛星移動通信；組呼；PTT競爭

Research on Trunked Communication Competition Fallback Strategy of Mobile Satellite Communication System

ZHENG Xuan,SUN Chen-hua

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn this paper,the group call function of trunked communication is implemented based on mobile satellite communication system.The current satellite group-call communication adopts a fixed frequency mode,and the group-call members communicate in a same frequency,which is not practical.This paper puts forward a fallback strategy for the push-to-talk (PTT) competitive conflict at medium access control (MAC) layer to lower conflict probability during a group call,and the simulation is performed to present the probability curve of all priority users.The simulation results show that the competition strategy has higher probability of success in PTT competition.

Key wordsmobile satellite communication;group call;PTT competition

0引言

在指揮調度以及搶險救災中，集群組呼通信發揮著重要作用[1]，由于地面集群通信網絡覆蓋范圍有限，在通信時，會發生超出網絡覆蓋范圍的情況。衛星移動通信系統對通信距離不敏感，在此基礎上實現組呼呼叫功能，能夠極大地提高集群通信覆蓋范圍。衛星移動通信系統提供基于衛星的移動通信業務，其中所涉及的通信都是單呼呼叫[2]。將集群通信與衛星移動通信系統融合，可在衛星移動通信系統中實現組呼通信。目前我國在這個研究方向還沒有成熟的研究成果，所以依靠目前衛星移動通信的資源，建設覆蓋全球的數字衛星集群通信具有廣闊的應用前景[3]。在衛星集群通信系統中，移動臺用戶在入網后競爭上行話音信道，由于用戶眾多，在競爭過程中由于信息“碰撞”會造成請求發送失敗[4]。本文提出的PTT競爭回退策略，使呼叫請求的成功概率提高，減小碰撞信號發生的概率，極大地提高了衛星集群通信系統性能。

1MAC層PTT競爭隨機接入回退策略

衛星移動通信系統組呼呼叫過程中存在2種組呼上行信道的競爭：一是當前講話方講話完畢，將上行信道釋放，網絡廣播上行信道空閑消息后[4]，所有想講話的用戶按下PTT鍵申請講話權時；二是在組呼呼叫進行中，主叫用戶還沒有申請釋放上行信道，但是同組中更高優先級的用戶按下PTT鍵想搶占上行信道時[5]。當無空閑業務信道或空閑業務信道不滿足本次呼叫時，網絡側將按照呼叫優先級別的高低將呼叫進行排隊，等待空閑業務信道，一旦業務信道發生變化，首先將滿足優先級高的用戶進行呼叫[6]

1.1用戶競爭上行信道流程

當前講話方講話完畢，將上行信道釋放，網絡廣播上行信道空閑消息后，所有想講話的組成按下PTT鍵申請講話權時的流程情況，如圖1所示。

圖1　MES競爭上行信道流程

講話完畢的用戶按下PTT鍵發送UPLINK_RELEASE消息向網絡申請釋放上行信道，網絡響應后，首先拆去為用戶分配的上行信道[7]，然后在組呼區域波束下的廣播UPLINK_FREE消息。網絡在同意用戶請求后，向用戶廣播UPLINK_GRANT消息，并發送一個短消息指示用戶可以開始講話。接著網絡向所有參與組呼呼叫的用戶所在波束的下行信道發送UPLINK_BUSY消息，指示上行鏈路繁忙[8]。

1.2用戶上行信道競爭算法

移動臺PTT競爭流程如圖2所示。

圖2　移動臺PTT競爭流程

當組呼講話方講話完畢后，講話方將釋放組呼上行信道，并在上行信道上發送UPLINK_RELEASE消息。網絡收到講話方發送的UPLINK_RELEASE消息后[9]，會向所有組呼呼叫成員移動臺發送UPLINK_FREE消息，表明各個移動臺可以開始競爭使用上行信道。

衛星集群通信中的話語權競爭是指組呼信道上行鏈路空閑時，任何參與組呼的移動臺都可以通過隨機競爭的方式申請講話[10]，然后由組呼交換機根據設定的策略授權某個移動臺使用組呼信道的上行鏈路講話，其他移動臺只能通過組呼信道的下行鏈路接收話音[11]。而多個移動臺同時按下PTT鍵想要申請成為講話方時，必然會產生沖突。為了解決避免這個沖突，應采取一定的退讓策略。

講話方完成講話后，應該通過其占用的上行鏈路向網絡發送釋放鏈路的報文，以便其他有講話需求的移動臺可以申請上行鏈路[12]。網絡應該通過組呼信道的下行鏈路即時向所有移動臺廣播上行鏈路的空閑狀況。

有講話需求的移動臺在聽到網絡廣播信道空閑時，通過直接搶占與直接接入相結合的方法，會在組呼上行信道發送呼叫申請消息，即UPLINK_ACCESS，直接搶占第1幀，如果搶占失敗則開始回退，隨機在之后的[1,N]中選擇后退的幀數，考慮到集群組用戶中成員用戶優先級不同，設優先級為m(優先級最高用戶m=0，以此類推)，回退次數為n，回退最大幀數為K，則

F=(m+2)*n,m=0,1,2,3;n>0。

對優先級最高m=0的用戶進行分析，第1次申請在第1幀上發送，第2次從[1，2]中隨機選擇幀數后退，第3次從[1，4]中隨機選擇幀數后退，第4次從[1，6]中隨機選擇幀數后退，第5次從[1，8]中隨機選擇幀數后退，第6次從[1，10]中隨機選擇幀數后退，第7次從[1，12]中隨機選擇幀數后退，重發7次則總共在42幀內發送7次UPLINK_ACCESS請求。并且，在允許競爭的最長時間4 s內優先級最高的用戶能夠重復發送UPLINK_ACCESS消息的次數越大，因此競爭成功的概率也越大[13]。

對不同優先級用戶的等待時延進行分析，假設網絡中4個優先級用戶的比例分別是：m=0的用戶占10%，m=1的用戶占20%，m=2的用戶占30%，m=3的用戶占40%。設此時正在進行的集群組呼中的成員有k個，對于m=2的成員來說，在同一幀發生碰撞的概率公式為：

p(0)=1/k，

p(1)=...=p(4)=(1-p(0))*(1/4)，

p(5)=...=p(12)=(1-p(1))*(1/8)，

p(13)=...=p(24)=(1-p(5))*(1/12)，

p(25)=...=p(40)=(1-p(13))*(1/16)。

則可以得到m=2的組成員在發送上行接入消息時發生碰撞的概率，如表1所示。

表1　m=2的MES在各幀上發送時發生碰撞的概率

2仿真驗證

綜上所述，將m=0,1,2,3優先級的用戶消息在各幀中發生碰撞的概率匯總，如圖3所示。

圖3　不同優先級MES在各幀上發送時發生碰撞的概率

對于單一優先級用戶，等待時間越長，再次發送競爭信道消息的碰撞概率越小[14]。對于不同優先級用戶，優先級高的用戶發送競爭上行信道消息在各幀上的碰撞概率低于優先級低的用戶，因此等待發送時延也小。這也與不同優先級用戶申請講話時優先級越高的用戶等待時間越小的思想相符合[15]。

3結束語

本文主要研究了衛星集群組呼呼叫過程中，用戶按下PTT按鍵競爭組呼上行信道講話的過程，以及競爭發生碰撞時根據優先級不同提出的退避算法，并分析得到了該算法中優先級越高的用戶的發送等待時延越小的結論，這與提出算法的思想相一致。在衛星移動通信和集群通信的理論基礎上，研究了衛星移動通信組呼業務中需要解決的接入競爭的部分問題，為以后研究衛星移動通信集群通信打下了理論基礎。

參考文獻

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鄭璇女，(1989—)，在讀研究生。主要研究方向：衛星移動集群通信。

孫晨華女，(1964—)，研究員。主要研究方向：衛星通信系統與總體技術。

作者簡介

基金項目：國家部委基金資助項目。

收稿日期：2015-12-30

中圖分類號TN911

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0012-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.04

引用格式：鄭璇,孫晨華.衛星移動通信系統集群通信競爭回退策略研究[J].無線電工程,2016,46(3):12-14.