高空平臺通信系統中的小區切換技術綜述

何攀峰， 程乃平

(1. 裝備學院 研究生管理大隊, 北京 101416； 2. 裝備學院 光電裝備系, 北京 101416)

高空平臺通信系統中的小區切換技術綜述

何攀峰1， 程乃平2

(1. 裝備學院 研究生管理大隊, 北京 101416； 2. 裝備學院 光電裝備系, 北京 101416)

同溫層強風導致的高空平臺準靜止狀態嚴重影響通信系統性能，對切換技術提出了更高的要求。分析了高空平臺通信系統切換問題，從切換判決算法和接入控制策略2個研究方向，詳細討論了當前準靜止狀態高空平臺通信系統切換技術的研究現狀。針對判決切換算法，總結了傳統切換算法與智能切換算法的特點及存在的不足。針對接入控制策略，分析了現有算法對平臺準靜止狀態的適應性。最后，對高空平臺通信系統切換技術的發展方向進行了展望。

高空平臺；準靜止狀態；切換；呼叫接入控制

在移動通信系統中，切換技術一直是人們關注和研究的關鍵技術。在目前的陸地蜂窩系統和衛星通信系統內，切換技術已較為成熟并成功應用。而基于高空平臺(High Altitude Platform Stations，HAPS)的空基無線通信系統是目前國際上正處于研究階段的新型通信系統[1]，具有系統配置靈活、成本低、鏈路傳播特性良好、可長時間駐留、能提供大容量、高速通信等優點，可應用于偏遠農村、海岸線、山脈等地區的網絡覆蓋和災區通信或戰時通信[2]，得到了國內外的廣泛關注。受同溫層環境的影響，HAPS通常處于準靜止狀態，即表現為在一定范圍內存在水平偏移、垂直移動、擺動和旋轉4種狀態。準靜止狀態嚴重影響了通信系統的性能，給切換技術提出了更高的要求。目前關于高空平臺通信系統切換技術的研究并不多，本文詳細分析總結了當前無線系統和高空平臺通信系統的切換技術，包括切換判決算法和接入控制策略，展望了高空平臺通信系統切換技術的發展趨勢。

1 高空平臺通信系統小區切換問題

在地面無線通信系統中終端從一個小區移動到另一個相鄰小區，為了保證通信的連續性，必須進行合理高效的切換，保證切換準確，降低切換中斷率。高空平臺通信系統以多波束覆蓋地面區域[3-4]，通常波束指向角難以伴隨平臺擾動狀態而實時調整，從而引起覆蓋地面蜂窩區域動態變化[5]1948。位于小區邊緣的終端即使處于靜止狀態，為了保證通信不中斷也必須執行小區切換。因此，高空平臺通信系統引起小區切換技術的原因，可能是終端跨越小區移動造成，也可能是平臺擾動。

李樹鋒等[6]研究了平臺水平移動對HAPS的影響，分析和計算了平臺水平移動導致的終端在小區間的切換概率，指出在呼叫持續時間內平臺水平移動距離越大，小區內平均切換概率越大。Mellyssa等[7]仿真分析了平臺水平偏移和垂直運動(Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX)對通信系統切換性能的影響，指出平臺位置偏移會造成切換中斷率和切換時延增大。Albagory等[8-9]給出了固定波束寬度覆蓋下小區模型，分析了平臺旋轉對終端小區間切換概率的影響，指出旋轉對外層蜂窩影響最大。針對高空平臺的碼分多址(Code Division Multiple Access， CDMA)通信系統，文獻[5]1950和文獻[10]從小區切換和功率控制方面，分析了擺動對CDMA通信系統容量和切換中斷率的影響。

以上文獻研究表明:無論是水平偏移、垂直移動、擺動或旋轉都會對切換性能造成不同程度的影響，增加不必要的切換次數和切換中斷率，同時對通信系統本身也會產生一定的影響。因此需要研究高效的切換技術，主要包括2個層面：切換判決算法和呼叫接入控制策略。

切換判決算法根據測量和估計的鏈路和系統參數進行切換判決，減少不必要的切換次數，確保切換準確及時發起，避免發生頻繁切換；接入控制策略則是根據所采用的策略選擇接納或拒絕切換呼叫請求，保證在切換執行時，接入該呼叫請求盡量不會對已接入的用戶產生影響，同時能夠提高系統資源利用率，降低切換失敗率。

2 切換判決算法

高空平臺通信系統的特點是平臺處于準靜止狀態，研究切換算法時通常需要考慮平臺的運動。切換可能是用戶移動引起的，也可能是平臺運動引起的，或者2種共同作用的結果。雖然高空平臺有擾動的固有特性，但是現有地面無線通信系統和衛星通信系統切換算法仍然值得借鑒。從已有的文獻來看，根據切換算法考慮的因素可以分為傳統的切換算法和智能切換算法。

2.1 傳統切換算法

1) 基于相對接收信號強度切換算法。基于相對接收信號強度的切換判決算法一般通過檢測接收的信號強度并選擇接收相對信號強度最大的接入點執行切換。該類算法主要有4種方法：相對信號強度(Relative Signal Strength，RSS)、設置門限的相對信號強度(Relative Signal Strength with Threshold，RSST)、帶滯后余量的相對信號強度(Relative Signal Strength with Hysteresis，RSSH)，以及帶門限和滯后余量相對信號強度(Relative Signal Strength with Threshold and Hysteresis，RSSTH)。目前普遍采用的是后2種方法。RSSH切換算法，只有相鄰小區的RSS比服務小區的RSS高出一定的滯后余量(用H表示滯后余量)時，才進行切換。RSSTH切換算法，只有當相鄰小區的RSS比服務小區的RSS高出一定的滯后余量，同時服務小區的RSS下降到一定門限(用T表示門限)時進行切換[11]。這2種方法的性能取決于H和T的大小，太大的H會導致通信中斷；相反過小，則會產生不必要的切換。同樣T太大會增加切換時延，太小同樣會造成不必要的切換。這類方法實現簡單，但滯后余量和門限的設置通常為固定值，難以適應動態場景的變化。Chen等[12]提出了自適應滯后余量的切換算法，根據移動終端的移動速度動態調整切換滯后余量和檢測周期，有效減少了切換中斷概率。

2) 基于位置信息的切換算法。當移動終端處于小區間重疊覆蓋區域，并將要超出原服務小區的覆蓋范圍時會發生切換，這也是最普遍意義上的切換，因此可以考慮將位置信息作為判決條件。位置信息包括GPS或北斗提供的小區精確位置信息、小區覆蓋區域位置、終端到小區中心的距離等。此外，可以利用預測方法估計用戶終端的位置信息。這些位置信息有助于對小區覆蓋范圍、小區拓撲及用戶距離小區中心距離較為全面的了解。由于切換總是發生在小區邊緣區域，考慮位置信息可以提高切換判決的準確性和及時性。Liu等[13]通過計算接收信號強度的變化來估計終端移動的距離，并設置了切換門限，根據信號強度大小和終端移動距離進行切換判決，有效減小了不必要的切換。宋莉等[14]利用導頻信號接收強度測量值和移動終端速度估計值，提出了對滯后余量和平均窗口長度進行自適應動態調整的切換算法，降低了鏈路衰落率和切換時延，避免了不必要的切換，對高速終端具有較好的適應性。李樹鋒等[15]63研究了平臺不同維度運動對通信系統切換的影響，地理位置信息輔助的切換算法，但只針對平臺水平移動。

3) 基于移動性或速度的切換算法。如果用戶快速移動，切換中斷率會由于切換不及時而增加；如果用戶速度較慢，不必要的切換次數由于切換過早而增大。因此，考慮移動速度或者預測速度可以減少上述情況的發生。李大成[16]從提高切換準確率的角度考慮，提出了基于移動路徑預測的均衡切換策略。根據現有的位置信息，通過牛頓插值法預測出終端的運動路徑，使得切換目標小區更加準確，提升切換性能。Ulvan等[17]將移動性預測作為切換判決過程的一種重要參數，通過用戶終端當前的位置和速度預測下一時刻即將發生切換的位置，從而減少切換次數。

2.2 智能切換算法

在通信系統中與切換相關的參數較多，通過多個參數聯合判決的切換算法，可以提高切換準確性。目前以基于模糊邏輯和基于神經網絡的多屬性判決算法居多，還有基于學習算法的切換判決算法。

1) 基于模糊邏輯的切換判決算法。切換通常受環境因素影響較大，難于精確描述，而模糊邏輯對表達界限不清晰的定性知識與經驗表現良好，因此可以用模糊邏輯的方法提高切換準確性。Dhand等[18]利用模糊控制器來優化切換性能，相比于信號強度切換算法，該方法能根據動態環境自適應調整切換門限和滯后余量，消除了通信中斷效應。Singh等[19]采用模糊邏輯方法解決切換問題，與傳統的利用信號強度切換算法相比，減小了切換引起的乒乓效應，同時優化了切換代價。Monil和 Kaur等[20-21]充分考慮了信號強度、小區負載、終端與基站的距離、移動終端速度與方向以及信號干擾比多個因素，提出模糊邏輯切換算法，避免了不必要的切換和乒乓效應。

2) 基于神經網絡的切換判決算法。神經網絡具備處理大量數據的能力，可以改善切換算法的性能。Munoz等[22]考慮多個因素，如信號強度、誤碼率等，驗證了神經網絡處理切換問題的可行性。Alsamhi等[23-24]充分考慮平臺移動距離、信號強度、小區負載、用戶性能、移動終端速度方向以及可用功率和帶寬等，采用徑向基函數神經網絡，提出一種智能切換算法，降低了切換掉話率，同時有效避免了乒乓效應。

3) 基于強化學習算法的切換判決算法。強化學習算法通過不斷與環境交互獲得一個優化策略，能夠適應環境的動態變化，具有較強的魯棒性。Becvar等[25]提出了基于Q學習信道質量預測的切換算法，根據切換完成時刻用戶與目標小區信道質量的預測值決定是否發起切換，以降低切換失敗概率。其中，預測誤差通過Q學習算法動態調節，以適應不同環境下信道質量的變化。Tabrizi等[26-27]提出一種最大化用戶體驗的動態切換算法，系統狀態包括延遲、可用比特率、信號強度指示，并且假定用戶可以從環境中獲取這些參數，將用戶體驗作為回報函數，根據最大化用戶體驗來判決切換。

2.3 切換算法比較

雖然上述2類切換算法對于切換問題提出了有效的解決方案，但在切換性能、實現復雜度等方面差異較大，表1總結了2類算法的優勢和劣勢。

通過對比可以看出:傳統切換算法的實現復雜度低，易于工程實現，但切換性能受平臺擾動的影響較大，特別是平臺姿態擾動情況下，切換算法的性能較差;智能切換算法由于考慮多種影響切換的因素，能夠消除乒乓切換、降低切換次數，適合于解決平臺擾動條件下的切換問題，但是算法的復雜度較高。

因此，基于傳統切換算法的研究方向是在不增加系統復雜度的條件下盡量提高系統的切換性能，而智能切換算法的研究方向是在不降低系統性能的前提下降低實現復雜度。在實際通信系統應用中選擇切換判決算法時，需要在切換性能與算法實現復雜度之間折中。

表1 不同切換算法比較

3 呼叫接入控制策略

考慮到高空平臺通信系統有限的可用資源及用戶和平臺的移動性，如何為用戶提供服務質量(Quality of Service，QoS)保證一直是研究重點。而呼叫接入控制策略則是保證QoS的關鍵技術。呼叫接入控制也稱作接納控制或呼叫允許控制(Call Admission Control，CAC)，即在保證用戶服務質量要求的前提下，接入控制決定系統是否接受新用戶呼叫和切換用戶呼叫。合適的接入控制策略可以保證切換用戶能夠順利完成切換，降低切換中斷概率，同時提高系統資源利用率。從目前的研究策略來看，根據是否考慮平臺動態特性，可分為不考慮平臺特性的策略和考慮平臺特性的策略。

3.1 不考慮平臺特性的策略

與地面移動通信和衛星通信系統一樣，高空平臺通信系統同樣面臨資源受限，對于新到達的呼叫請求和切換呼叫請求，以何種方式分配信道資源，保證用戶QoS，同時能保證切換用戶的性能，提高系統資源利用率，是接入控制策略的關鍵所在。已有的切換策略主要有以下3類。

_3.1.1 切換優先策略

一般情況下用戶對新呼叫阻塞容忍性要比切換中斷高得多，因此為了降低切換中斷概率，通常對于優先處理切換業務，主要包括切換信道預留和切換排隊優先2種策略。

1)切換信道預留策略。為了降低切換中斷概率，為切換用戶預留專用信道。信道預留包括固定信道預留和自適應信道預留。固定信道預留策略預留C-CG(C為系統內總信道數)個信道供切換用戶專用，而前CG個信道則由切換用戶與新呼叫接入用戶共享，系統內占用信道狀態轉移圖如圖1所示，其中λn為新呼叫到達率，λh為切換呼叫到達率，μ為平均服務時間。當新的呼叫請求到達時，如果業務請求信道與當前系統占用信道之和小于等于CG，則接入該業務，否則拒接該業務；當切換呼叫請求到達時，如果業務請求信道與當前系統占用信道之和小于等于C，則接入該業務，否則拒接該業務[28]。因此預留信道數的大小直接決定了系統的性能，但較大的預留信道數會降低系統的資源利用率。

圖1 固定信道預留策略狀態轉移圖

自適應信道預留通常根據網絡的狀態以一定的概率接入新呼叫業務，為切換呼叫動態預留信道，避免預留信道不足造成切換中斷，或預留信道過多造成系統資源利用率下降。Wu等[29]提出了設定切換中斷概率門限的信道預留方案，當切換中斷概率達到預定門限時再進行預留信道。這樣可以在負載較重的情況下，保證切換中斷概率，同時降低新呼叫阻塞概率。Liu等[30]提出了一種準靜止狀態下軟切換的自適應門限容量預留算法，通過一種預測機制，切換呼叫可根據當前小區的潛在業務載荷動態地調整切換門限，從而降低阻塞概率和中斷概率。Rouzbehani等[31]提出了一種模糊邏輯控制的動態信道分配方案，給予切換用戶較高的優先級，并動態預留保護信道數，能夠保證較低的呼叫阻塞概率，同時保證較好的服務等級。

2) 切換排隊優先策略。在信道預留的基礎上，對切換業務進行排隊，進一步降低切換業務中斷概率，獲得較高的切換性能[32]。假定切換排隊隊列長度為Cq,用戶切換排隊平均等待時間為μq，系統狀態轉移圖如圖2所示。與信道預留策略相比，只是在系統滿負載(狀態為C)情況下，對切換請求業務進行排隊，等待系統有空閑的資源時再接入，而不是直接拒絕，因此對于切換業務的接入成功率更高，但是同時也增加了新呼叫請求用戶的阻塞概率。此外，較短的切換排隊長度對切換業務性能的提升有限,該策略對時延要求較高的業務適應性差。

圖2 切換排隊優先策略狀態轉移圖

3.1.2 保證業務QoS的策略

保證業務QoS的策略是以業務的QoS參數作為優化目標的接入控制策略。對用戶而言，只有QoS級別達到一定的要求，服務才可能被接受。通常用戶業務QoS參數主要包括業務的分組等待時延和時延抖動、信息傳輸速率、丟包率等。Tsiropoulos等[33]提出了區分用戶業務優先級的接入控制策略，考慮實時和非實時2種業務，對實時業務設置較高的優先級，對非實時業務則以一定的概率α接入。其中，α的取值范圍為(0,1]，并隨著網絡負載的上升而減小。因此當前網絡負載上升時實時業務比非實時業務具有更高的優先級接入系統。Khanjari等[34]在所有級別業務共享帶寬的條件下，提出一種基于最大最小公平策略的資源分配策略，通過帶寬降級和帶寬升級以及不同業務呼叫優先級來保證各業務的QoS。因此，保證業務QoS的策略能區分QoS要求不同的業務，為了保證高優先級的業務較高的接入概率，會造成部分系統資源浪費。

_3.1.3 最大化系統收益策略

最大化系統收益策略是從系統或網絡段來考慮接入控制問題，同時兼顧業務QoS要求。一般根據業務的某種QoS參數或多個QoS參數的組合，建立傳輸業務的網絡效用函數或網絡收益因子，網絡效用或網絡收益同時與網絡中的資源利用相關，具有不同QoS參數的業務在接入到網絡中時所能為網絡帶來的效用或者收益是不同的[35]。最大化當前系統總的網絡效用或收益，滿足已接入業務的QoS要求，同時提高系統資源利用率。Chowdhary等[36]提出基于網絡收益的接入控制策略，通過計算不同類型業務能夠帶來的網絡收益，選擇收益最大的業務優先接入網絡中。該方法能夠確保接入業務的QoS同時使得網絡收益最大，但在一定程度上增加了低優先級用戶的阻塞概率；此外僅從當前接入業務考慮網絡的收益，沒有從整個網絡考慮收益最大化，對于網絡內接入請求用戶到達率變化較大的場景，性能會變差。

3.2 考慮平臺特性的策略

1) 基于平臺多波束覆蓋特性的接入策略。Grace等[37]研究了高空平臺多波束功率衰減逼近函數，指出相對于地面無線通信系統，高空平臺多波束天線覆蓋小區的重疊區域干擾較小，可以利用重疊區域提高系統的性能。此外還分析了高空平臺通信系統中信道分配策略，利用蜂窩間的重疊區提升系統的呼叫阻塞性能，增加系統的靈活性[38]。李樹鋒等[15]67提出重疊區域輔助確保切換策略，除了利用高空平臺和用戶位置信息之外，還利用蜂窩之間的重疊區來協助判定并阻塞可能引起切換失敗的新呼叫，獲得近乎于零的切換掉話率。

2) 基于平臺位置姿態信息的接入策略。利用平臺的位置姿態信息可以對網絡覆蓋有更全面的了解，因此根據平臺動態信息可以獲得更好的網絡性能。平臺在擺動狀態時，會造成小區邊緣用戶來回切換問題，游思晴等[39]對于CDMA高空平臺通信系統在平臺擺動情況下的性能，提出在小區邊緣用戶采用2個基站同時接收的接入控制方案，來避免“乒乓切換”;還提出了高空平臺蜂窩系統與地面蜂窩融合解決平臺擺動的影響，即將平臺覆蓋蜂窩中心恰好處在地面蜂窩六邊形的頂點上，用地面蜂窩中心來接收平臺小區邊緣用戶數據，減少切換次數[40]，但是這種方法需要地面移動通信系統的配合。蔣靜雅等[41]針對此問題，提出區分用戶優先級的信道預留和切換排隊相結合的信道分配算法，該策略能夠顯著降低切換掉話率，尤其是高優先級用戶的切換掉話率，補償了因平臺擺動所導致的系統性能損失。李樹鋒[42]借鑒了低軌道(LowEarthOrbit,LEO)衛星通信系統中基于地理位置信息的呼叫允許控制，設計了一種適用于高空平臺移動情況下的呼叫允許控制算法，通過利用地理位置信息精確地判斷切換時刻，并根據切換時刻進行精確的信道預留，降低了系統的呼叫阻塞性能。管明祥等[43]通過檢測高空平臺與用戶間收發鏈路通信距離來進行無線信道分配，解決高空平臺通信中負載不均等造成的無線資源無法滿足用戶需求的問題，仿真驗證了該方法無須估計，提高了信道利用率。

不考慮平臺特性的接入控制策略，沒有考慮平臺擾動帶來的小區內切換呼叫到達率大范圍變化的影響，無法確保切換用戶的性能。相比于不考慮平臺特性的策略，考慮平臺動態特性的策略，有效降低切換呼叫中斷概率，更適合于處理高空平臺通信系統切換呼叫請求，但一般只針對某一類場景，如平臺位置擾動[42-43]或擺動[39,41]條件下，而且還需要平衡系統其他參數。同時適應平臺位置和姿態擾動的接入控制策略還有待進一步研究。

4 高空平臺通信系統切換技術展望

高空平臺通信系統性能受限于平臺本身的準靜止狀態，合理高效的切換判決和接入控制策略，可以顯著提高通信系統的性能。

1) 設計準確高效的切換判決算法。用戶的隨機移動和高空平臺固有的準靜止狀態給切換判決算法提出了更高的要求，傳統的考慮單個因素的切換判決算法顯然難以勝任，而智能切換算法為切換提供新的思路，通過智能算法將平臺擾動參數以及其他影響切換性能的參數與切換判決建立相應的聯系，能夠保證切換性能，但如何權衡性能參數與其所付出的代價仍然是今后研究的重點。

2) 合理的接入控制策略。隨著業務多樣性和移動性的要求，接入控制策略不僅需要滿足不同業務的QoS，還需要在此基礎上提高網絡資源利用率，平衡切換中斷率和新呼叫阻塞概率。將平臺的動態特性作為約束條件或考慮因素，系統或用戶性能參數作為優化目標，可以顯著改善系統的性能。但優化某一性能參數，會對系統其他性能產生一定影響。綜合考慮多個性能參數，平衡各性能參數是未來研究的重點方向所在，但同時還要考慮算法實現的復雜度。

3) 聯合切換判決與接入控制策略。單一的切換判決算法或接入控制策略只能提升系統部分性能，只有切換判決與接入控制策略相互配合才能確保切換順利完成。將切換判決算法與接入控制策略綜合考慮，可以減少不必要的參數，確保切換過程的成功率，有效提高系統性能[44]，能夠減小平臺擾動對切換算法的影響。針對平臺多維度擾動的影響，考慮到學習算法能夠適應場景變化，結合強化學習算法研究切換問題是提高切換性能的研究方向。

5 結 束 語

雖然高空平臺通信系統相對于地面移動通信系統和衛星通信系統具有諸多優點，但是平臺的穩定性仍然是制約其應用的關鍵因素，切換技術的好壞直接影響到切換時延、切換頻率、資源利用率、切換中斷率、呼叫阻塞率等指標，進而影響到整個通信系統的系能。合理的切換判決算法和接入控制策略則可以降低通信系統對平臺穩定的要求，為高空平臺通信系統盡早進入實用階段提供技術支撐。

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(編輯：李江濤)

Overview of Cell Handover Technique in High AltitudePlatform Communication System

HE Panfeng1， CHENG Naiping2

(1. Department of Graduate Management， Equipment Academy， Beijing 101416， China；2. Department of Optical and Electronic Equipment， Equipment Academy， Beijing 101416， China)

The quasi-stationary state of high-altitude platform caused by strong winds in the stratosphere has severe impact on the performance of the communication system, and puts forward higher requirements for the handover technique. This paper analyzes the handover problem of the high altitude platform communication system. In two research directions of switching decision algorithm and access control strategy, the paper discusses current studies on the quasi-static high-altitude platform communication system handover technology in detail. As to handoff algorithm, the paper concludes the characteristics and deficiencies of conventional algorithm and intelligent handoff algorithm. With regard to access control strategy, the paper analyzes the adaptability of the existing algorithm to the quasi-stationary state of the platform. In the end, the paper forecasts the development direction of high-altitude platform communication system handover technology.

high altitude platform; quasi-stationary state; switching; call access control

2016-09-27

國家“863計劃”資助項目(2015AA7011071)

何攀峰(1986—)，男，博士研究生，主要研究方向為無線通信網絡。Hepanfeng01@126.com 程乃平，男，教授，博士生導師。

TN929.5

2095-3828(2017)01-097-08

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2017.01.018