HAP網(wǎng)絡(luò)中的移動預(yù)測輔助切換判決算法*

倪淑燕，金　山，吳翔宇

(裝備指揮技術(shù)學(xué)院 光電裝備系，北京 101416)

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HAP網(wǎng)絡(luò)中的移動預(yù)測輔助切換判決算法*

倪淑燕，金山，吳翔宇

(裝備指揮技術(shù)學(xué)院 光電裝備系，北京 101416)

摘要：在基于高空平臺(High Altitude Platform，HAP)的通信網(wǎng)絡(luò)中，用戶在小區(qū)間運動時會觸發(fā)通信切換。采用常規(guī)基于信號強度的切換判決方法，門限低易發(fā)生乒乓切換，而門限高對于高速用戶會發(fā)生越區(qū)未切換。為提高判決算法對速率的適應(yīng)性，結(jié)合HAP波束覆蓋的特點，設(shè)計了一種基于移動預(yù)測輔助的切換判決算法，利用速度信息預(yù)測下一時刻的位置，再根據(jù)波束覆蓋模型推導(dǎo)其信號強度，以此輔助切換判決。仿真證明該算法在降低切換次數(shù)保證切換成功率方面具有較好的性能。

關(guān)鍵詞：高空平臺;移動預(yù)測;切換判決;波束覆蓋

0引言

高空平臺通信系統(tǒng)是指在距地面20～100 km的空域部署可懸停飛行器，通過平臺上搭載通信載荷構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)為目標區(qū)域提供通信服務(wù)。具有機動性好、有效載荷技術(shù)難度小、易于更新和維護等優(yōu)點[1]。特別適合戰(zhàn)場環(huán)境和應(yīng)急環(huán)境下的通信需求。

在地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，為了提高切換精度，減少不必要的切換，常采用位置預(yù)測輔助切換判決[2-6]。文獻[3]在充分覆蓋條件下，提出了基于離基站距離和運動速度輔助的切換判決算法，根據(jù)信號傳播模型和信號強度估計用戶的位置和速度，并對可能離開小區(qū)覆蓋范圍的情況進行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果判決切換；文獻[4]提出基于上下文和粒子濾波算法的輔助切換機制，利用粒子濾波算法準確預(yù)測移動臺下一時刻位置，進而輔助切換判決。文獻[5]提出自適應(yīng)增量的切換觸發(fā)算法，將接收信號強度，用戶速度，位置信息等參數(shù)共同作為觸發(fā)切換的判決因素，通過仿真驗證，對不同移動速度的用戶切換均有較好的效果。文獻[6]在小蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景下，通過采用參考信號接收功率方案，對用戶終端的移動軌跡進行跟蹤，進而達到速度估計的目的，根據(jù)估計的速度值建立與蜂窩覆蓋區(qū)域之間的切換關(guān)系，降低了切換失敗概率。

臨近空間通信網(wǎng)的波束覆蓋不同于地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)，同時又不具有低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中衛(wèi)星高速規(guī)律運動的特點。若采用速度位置信息輔助切換判決的方法，需要根據(jù)HAP的波束覆蓋特點進行具體設(shè)計。因此本文將根據(jù)HAP波束覆蓋特點設(shè)計一種移動預(yù)測輔助切換(Mobile Predict Auxiliary Handoff,MPAH)的切換判決算法。

1HAP通信系統(tǒng)波束覆蓋方案

通過多波束天線，HAP系統(tǒng)可以對地面用戶進行分區(qū)覆蓋。一個波束覆蓋一個小區(qū)。ITU-RF.1569針對27.5～28.35GHz和31～31.3 GHz頻段的寬帶業(yè)務(wù)用戶提出了兩種多波束覆蓋方案：均勻覆蓋和分層覆蓋[7]。

均勻覆蓋方案是指將HAP通信覆蓋區(qū)域分割成367個均勻大小的小區(qū)，利用橢圓不對稱波束在地面形成圓形覆蓋，增大系統(tǒng)覆蓋范圍，簡化帶寬復(fù)用規(guī)劃過程。其缺陷是天線的物理實現(xiàn)十分困難。分層覆蓋方案是將覆蓋區(qū)域分成5簇11層共397個小區(qū)，每簇小區(qū)的天線采用相同的最大增益，并且是圓形波束。該方案通過提高遠離中心的小區(qū)的主瓣增益，來克服路徑損耗對用戶電池損耗的影響，物理實現(xiàn)簡單，但在地面上形成非均勻的覆蓋。

文獻[8-9]對兩種覆蓋方案按照圖1和圖2所示進行了分析。

圖1　均勻覆蓋方案投影示意

均勻覆蓋方案下，任意點處的增益可按照式(1)計算：

A(θa,φa)=G(max[{cos(θacosφa)}nθ·

{cos(θasinφa)}nφ],Sf)

(1)

式中，nθ和nφ表示適合在波束邊緣具有最優(yōu)方向性的天線方位角和俯仰角的天線指數(shù)，G是點波束的中心增益，nθ和nφ控制主瓣功率衰減速率，Sf是平坦旁瓣相對最大增益的衰減平層。θa和φa表示平臺到點(x,y)俯仰角和方位角。

分層覆蓋方案下的增益計算公式如下：

A(θ)=G(max[cosn(θ),Sf])

(2)

式中，G是點波束的中心增益，n為控制主瓣功率衰減速率，θ表示偏離波束主軸的角度，Sf是平坦旁瓣相對最大增益的衰減平層。

圖2　分層波束覆蓋模型

2移動預(yù)測輔助切換的判決算法

現(xiàn)有的移動信息輔助切換判決算法在實現(xiàn)過程中，普遍基于小區(qū)覆蓋邊界呈規(guī)則幾何形狀或覆蓋信息作為已知條件的假設(shè)下進行。通過預(yù)判運動方向和速度，判斷用戶離開小區(qū)的時間和位置從而進行切換判決。對于HAP通信系統(tǒng)，受平臺運動特性和波束覆蓋特點的影響，上述假設(shè)并不合理，因此本文在速度位置信息可獲取的前提下，針對HAP通信系統(tǒng)，重新設(shè)計一種位置信息輔助切換的判決算法，使切換發(fā)生在靠近小區(qū)邊緣的區(qū)域。

算法原理如下：當用戶接收到相鄰波束的信號強度RSSnew與原波束的信號強度RSScur之間滿足關(guān)系式：

RSSnew≤RSScur

(3)

開始執(zhí)行位置預(yù)測算法。利用GPS可實時獲取用戶和平臺的位置速度信息，將信號強度值和位置速度信息作為測量報告的內(nèi)容一同發(fā)送給通信平臺。設(shè)切換執(zhí)行時間為t，根據(jù)相應(yīng)的位置預(yù)測算法預(yù)測t時刻后用戶所在的位置P。根據(jù)相關(guān)公式估算P點處的信號強度值RSSpro。當該值與用戶接收門限值RSSth之間滿足關(guān)系式(4)時執(zhí)行切換：

第一，思想準備。各級政府及其水行政主管部門要達成共識，真正轉(zhuǎn)變觀念，切實將思想認識統(tǒng)一到使市場在水資源微觀配置中起決定性作用上來。同時，在全社會也要達成共識。

RSSpro≤RSSth

(4)

算法流程圖如圖3所示。算法中預(yù)測時長t應(yīng)大于算法的判決周期。由于定位和位置預(yù)測過程中存在誤差，因此在算法中設(shè)定一個誤差余量。該余量值應(yīng)能根據(jù)用戶的移動速度動態(tài)調(diào)整。設(shè)定保護時間tp，用戶的速度估計值為v，則l=v*tp作為切換保護距離。預(yù)測點P的位置等于預(yù)測算法中計算出的位置坐標加上運動方向的距離l。

圖3　MPAH算法流程

信號在臨近空間通信網(wǎng)中傳輸時沒有精確的參考模型，因此，在估計出下一時刻位置后，仍難以精確的估計出該位置處的信號強度，需要對判決式(4)進行進一步分析。

由式(4)變形可得到式(5):

RSScur-RSSpro≥RSScur-RSSth

(5)

任意一點處的接收信號強度RSS滿足如下關(guān)系：

RSS=Pt+Gt+GR-Lt-Lf-La-Lr-LR

(6)

式中，RSS(dBw)為接收機輸入端的載波功率，Pt(dBw)為發(fā)射機功率，Gt為P點處的發(fā)射機功率增益，GR為接收天線增益(dB)，Lf為自由空間傳播損耗(dB)，La為大氣引起的損耗(dB)；Lt為發(fā)射饋線的損耗(dB)；Lr為接收饋線的損耗(dB)；LR為其他損耗。在預(yù)測時長t內(nèi)，用戶移動距離較近時，假設(shè)當前時刻與t時刻后P點處接收信號強度的改變僅與P點處的Gt和Lf有關(guān)。則式(5)可進一步化為：

RSScur-RSSth≤(Gt_cur-Gt_pro)+(Lf_pro-Lf_cur)

(7)

式中，RSScur由實際測量得到，RSSth為已知的門限值。Gt_cur和Gt_pro分別表示當前位置處的發(fā)射機增益和P點處的發(fā)射機增益。在位置已知的條件下，增益大小可由式(1)和式(2)計算出。Lf_pro和Lf_cur分別表示P點處和當前位置處的路徑損耗，大小可由自由空間路徑損耗公式求出。由于切換觸發(fā)點是根據(jù)用戶當前的速度和位置信息進行推算，因此預(yù)測觸發(fā)點的位置包含了用戶的速度和位置信息，其切換判決將隨不同用戶的速度位置而動態(tài)調(diào)整。

綜上所述，切換的觸發(fā)條件為：

(8)

3仿真分析

3.1仿真場景

利用MATLAB軟件對用戶在單個平臺下同一層的兩個相鄰波束間的切換性能進行仿真驗證。即每個波束的主瓣最大增益相同。由于實際應(yīng)用中，算法關(guān)心的是接收信號強度值和偏離主瓣方向的夾角，因此，取某一層的小區(qū)進行分析，不失一般性。

為了簡化仿真分析，設(shè)波束在地面的覆蓋區(qū)域近似為圓形，3 dB波束寬度為7.3，小區(qū)半徑為1.6 km。圓心位置即為中心波束在地面的映射位置。相鄰波束中心位置間距離為2.4 km。

圖4　仿真場景示意

3.2傳輸模型

自由空間路徑損耗以dB為單位時通常由式(9)計算：

Lf=32.45+20lgf+20lgd

(9)

由于平臺與發(fā)射機間的距離遠大于一次切換判決時間內(nèi)用戶的移動距離，相鄰兩次位移所造成的路徑損耗可忽略不計。在波束重疊區(qū)域，由于不同波束的發(fā)射機位于同一處，用戶與不同發(fā)射機間的損耗相等。因此仿真時信號強度與位置之間的關(guān)系由發(fā)射機增益決定。因此仿真時設(shè)RSSth=-3 dB，這與實際應(yīng)用時的參數(shù)設(shè)置是有出入的。按照式(2)對分層覆蓋方案下的增益進行求解。根據(jù)圖2，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意一點P、平臺位置A、中心投影O，三點構(gòu)成一個三角形。設(shè)AP=a，AO=b，PO=c，a、b、c的值可通過兩點間距離公式求出。則偏離波束主軸的角度θ可由式(10)計算出：

(10)

3.3評價參數(shù)

為了說明算法性能，仿真時對以下參數(shù)進行統(tǒng)計：

實際越區(qū)次數(shù)，反映用戶需要切換的最小次數(shù)；觸發(fā)切換次數(shù)，根據(jù)切換判決算法觸發(fā)的切換次數(shù)；通信中斷次數(shù)，即越區(qū)過程中未能成功切換的次數(shù)。包括兩部分，一是觸發(fā)切換后，在切換執(zhí)行時間內(nèi)移動到原始波束范圍以外的切換，仿真時設(shè)t=1 s，tp=0.5 s。二是越區(qū)后仍為發(fā)起切換導(dǎo)致通信中斷的次數(shù)。所有參數(shù)的統(tǒng)計均以波束覆蓋半徑為界。

對于切換判決算法，在不考慮資源準入的條件下，觸發(fā)切換的次數(shù)越接近實際越區(qū)次數(shù)，且中斷次數(shù)越少，算法的性能越好。

3.4仿真分析

為了比較MPHA算法性能，仿真時對磁滯電平法同樣進行了仿真分析。在磁滯電平法中取不同的磁滯門限值的條件下與MPHA算法進行仿真比較。

從圖5、圖6可以看出，對于磁滯電平法，在相同的速度條件下，增大磁滯門限值，同樣可以降低觸發(fā)切換次數(shù)，但切換過程中的中斷次數(shù)明顯增高。這是因為門限值越高，觸發(fā)切換的時機越晚，觸發(fā)的切換中通信中斷前離開原始小區(qū)的比例增加，越區(qū)未切換的次數(shù)同樣增大。降低磁滯門限值，切換發(fā)起的次數(shù)顯著增加，切換中斷的次數(shù)則明顯減少。但這種中斷次數(shù)的統(tǒng)計忽略了呼叫接入控制導(dǎo)致切換中斷的情況。通常情況下，頻繁的切換將加重系統(tǒng)的資源消耗，容易出現(xiàn)乒乓效應(yīng)，切換失敗的可能性增大。而MPHA算法在切換觸發(fā)次數(shù)和切換中斷次數(shù)上均較低，且切換觸發(fā)切換次數(shù)更接近于實際越區(qū)次數(shù)。從降低切換次數(shù)保證切換觸發(fā)及時準確的角度考慮，MPHA算法的性能更優(yōu)，在不同的用戶移動速度條件下，均具有較好的切換性能。

圖5　不同切換判決條件下切換次數(shù)統(tǒng)計

圖6　不同切換判決條件下切換失敗率和錯誤執(zhí)行率

4結(jié)語

在HAP通信系統(tǒng)中，用戶終端向平臺上報的測量信息中不僅包括信號強度、信噪比等信道信息，還包括用戶的移動速度和位置信息。合理利用這些信息有助于提高切換判決精度。利用位置速度信息輔助判決的方法在地面蜂窩和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的研究，但HAP通信系統(tǒng)具有一定的特殊性。結(jié)合HAP波束覆蓋的特點，合理利用上報的速度信息輔助切換，顯著提高了切換判決算法對速率的適應(yīng)性，是未來HAP通信系統(tǒng)實際應(yīng)用過程中處理切換問題的有效方法。

參考文獻：

[1]李樹峰.高空平臺通信系統(tǒng)中呼叫允許控制與切換技術(shù)研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

LI Shu-feng.Studies on Call Admission Control and Handover Techniques for High Altitude Platform Communications Systems[D].National University of Defense Technology,2010.

[2]李泰，李燁.高速鐵路場景移動通信系統(tǒng)切換研究綜述[J].通信技術(shù)，2015,48(05):566-572.

LI Tai,LI Ye.Mobile Communications Handover Schemes in High-Speed Railway Scenario[J].Communications Technology,2015,48(05): 566-572.

[3]賀鋒.異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中切換技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)，2009.

HE Feng.Handoff Technology Research in Heterogeneous Wireless Networks[D].Huazhong University of Science and Technology,2009.

[4]王玉祥，徐翰，馬廷淮.基于上下文和粒子濾波的輔助切換機制[J].電子與信息學(xué)報，2012(01):223-226.

WANG Yu-xiang,XU Han,MA Ting-xiang.Auxiliary Handoff Mechanism based on Context and Particle Filter Algorithms[J].Journal of Electronics & Information Technology,2012(01): 223-226.

[5]倪大冬.異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)垂直切換判決算法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

NI Da-dong.Rearch on Vertical Handover Algorithm in Heterogeneous Wireless Network[D].Southwest Jiaotong University,2013.

[6]冷家麗，曹永民，王東軍.小蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于速度估計的切換觸發(fā)時間選擇方案[J].電訊技術(shù)，2014(08): 1123-1128.

LENG Jia-li,CAO Yong-min,WANG Dong-jun.Time to Trigger Selection Scheme based on Speed Estimation in Small Cell[J].Telecommunication Engineering.2014(08): 1123-1128.

[7]游思晴.平流層CDMA移動通信蜂窩網(wǎng)的性能研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

YOU Si-qing.Performance Research of HAPS-CDMA Mobile Cellular Network[D].Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications,2012.

[8]鄭嘉浩.基于OPNET的高空平臺通信系統(tǒng)建模性能仿真[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

ZHENG Jia-hao.Modeling and Performance Simulation for High Altitude Platform Communication System Based on OPNET[D].Changsha:National University of Defense Technology,2010.

[9]John Thornton,David Grace,Myles H.Capstick.Optimizing An Array of Antennas Cellular Coverage from a High Altitude Platform[J].IEEE Transactions on Wireless Communication,May 2003,2(3): 484-492.

A Handover Decision Algorithm for HAP Network based on Mobility Prediction

NI Shu-yan,JIN Shan,WU Xiang-yu

(Optical-Electronic Equipment Dept.,Academy of Equipment and Command Technology,Beijing 101416,China)

Abstract：In HAP (High Altitude Platform)communication network,the users’ move across cells would touch off communication handoffs.And with traditional handoff decision algorithm based on signal strength,low thresthold would cause ping-pong swith,while high thresthold result in over-line but no handoff for high-speed users.To increase the adaptability of handoff-decision threshold to speed,and according to the beam-cover characteristics of HAP platform,a handover decision algorithm with mobility prediction as an auxiliary is proposed and designed.This algorithm,with speed information to predict the position of next moment and beam-cover model to drive the signal strength of next moment could thus assist the handover decision.Simulation indicates that the proposed algorithm is of fairly good performance in reducing handover frequency and ensuring handover success-rate.

Key words：high altitude platforms,mobile prediction,handoff decision,beam cover

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.013

* 收稿日期：2015-09-01；修回日期：2015-12-20Received date:2015-09-01；Revised date：2015-12-20

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)02-0189-05

作者簡介：

倪淑燕(1981—)，女，博士，講師，主要研究方向為空間信息傳輸技術(shù)；

金山(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為無線通信組網(wǎng)技術(shù)；

吳翔宇(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向為無線通信組網(wǎng)技術(shù)。