衛星網絡綜合加權信道分配策略

蔡睿妍

（1. 大連大學 通信與網絡重點實驗室，遼寧 大連 116622；2. 大連大學 信息工程學院,遼寧 大連 116622）

0 引言

近年來，衛星通信在軍用和民用通信方面都得到了廣泛應用。尤其是低軌（Low Earth Orbit,LEO）衛星，軌道高度多位于500～1000 km，具有傳輸時延低、通信容量大、傳輸損耗低等特點[1]，在環境監測、搶險救災等諸多領域得到了廣泛應用。由于LEO衛星高速運行，每個運行周期與地面站的通信時間短，且星上存儲、計算能力有限，為實時傳輸數據，降低LEO衛星存儲數據量，當LEO衛星在地面站通信范圍以外，將通過地球同步軌道（Geostationary Earth Orbit, GEO）衛星進行轉發。但是，GEO衛星連接度有限，當請求GEO信道的LEO衛星數量較多時，GEO衛星如何分配信道是亟待解決的問題。

目前，衛星通信信道分配技術研究主要針對低軌、高軌移動衛星通信系統。文獻[2]中，切換預留信道經過一定時間未被切換用戶使用則被釋放，新呼叫阻塞率明顯降低，但是沒有考慮用戶的優先級。文獻[3]針對LEO衛星網絡業務的QoS提出了多優先級業務條件下基于預留信道優先占用方案，根據業務的優先級，對預留信道和共享信道分別設置不同的信道門限，切換呼叫首先使用預留信道，達到門限值后開始使用共享信道，新呼叫只能使用共享信道。文獻[4]將流量預測引入到衛星信道分配中，但其分配性能受預測性能影響。

GEO-LEO 衛星網絡中，星間距離遠，由于噪聲和傳輸損耗等影響，信道誤碼率較高。目前信道分配方法中均未考慮星間信道質量，本文提出了基于信道質量的綜合加權信道分配算法，該算法首先考慮信道質量參數，滿足數據可靠傳輸，同時根據衛星的功能，設定了衛星任務優先級，滿足緊急救援及軍情等實際需要，并且，同級別衛星的優先級別還取決于衛星可通時間、緩存剩余量及傳輸速率，降低了對衛星存儲容量的要求。

1 算法描述

衛星網絡信道分配中，LEO衛星處于GEO衛星的覆蓋區內，且LEO衛星與GEO衛星的星間信道質量較好時，LEO衛星發送請求。GEO衛星根據呼叫衛星的優先級分配信道。

本文算法中，第i顆LEO衛星的優先級可表示為：

式中，li是第i條信道質量，當信道質量滿足要求時，該信道可用，其值為1，否則值為0；tsm是與GEO通信的LEO衛星緩存存滿需要的最長時間；tis是第i顆LEO衛星緩存存滿需要的時間；tvm是與GEO衛星和LEO衛星通信時間的最大值；tiv是第i顆LEO衛星的剩余通信時間；Li是第i顆LEO衛星的任務級別，緊急星的Li值為1，非緊急星的Li值為0；α、βγ是權重系數，為了保證緊急星的數據優先傳輸，要求γ≥α+β，即緊急星任務級別最高。

當然，僅按照上述優先級分配信道時，LEO衛星運行過程中，其優先級隨時間不斷變化，將導致信道頻繁分配。為此，本文提出了以下約束條件：

約束條件1 本算法設定呼叫門限閾值δ1，當衛星緩存量大于門限閾值δ1時，衛星方可發起呼叫。衛星的呼叫概率為：

式中，Pc是LEO衛星的呼叫概率；Mc是LEO衛星緩存量。

約束條件2 同類別衛星強占一條信道時，強占信道的衛星利用信道傳輸數據，優先級不斷降低，未強占信道的衛星存儲量一直增加，優先級不斷提高，僅按照優先級分配信道，將導致頻繁切換現象。因此，本算法又設定了門限閾值δ2和δ3，當請求信道的LEO衛星的優先級大于門限閾值δ2，同時與在通的LEO衛星優先級的最小值的差值超過門限閾值δ3時，方可強占。衛星強占概率為：

式中，Ppr是LEO衛星的強占概率；pirc是呼叫衛星的優先級；pirmin是正在通信的LEO衛星的最低優先級。

2 算法仿真驗證

2.1 仿真環境

為了驗證本文算法的性能，仿真中設計了4顆低軌衛星通過1顆高軌衛星轉發數據，α、βγ三個權重系數分別規定為2，1，3。δ1、δ2和δ3三個門限閾值分別規定為0.5，0.25，0.1。LEO衛星的存儲容量均為25000字節，其中LEO3衛星為緊急星，仿真時間為2548 s。

2.2 仿真分析

現有信道分配算法主要用于低軌、高軌移動衛星通信系統，與GEO-LEO衛星網絡差別較大。因此，仿真中比較了本文算法和FIFO（First in First out）算法的性能。

圖1是4顆LEO衛星的數據累計丟失量。數據丟失主要來自兩方面，一是衛星信道質量不滿足要求，將導致接收端無法正確接收數據，大量數據被丟失；二是LEO衛星的緩存量、可通時間等均有限，按照先來先服務原則傳輸數據，將導致后進入GEO覆蓋范圍的LEO衛星無可用信道，數據量超出系統緩存容量后，發生數據溢出丟失與FIFO算法相比，本文的信道分配算法有效地降低了數據丟失量，保證了數據傳輸的正確性和完整性。

圖1 LEO衛星數據累計丟失量

圖2是兩種算法下4顆LEO衛星與GEO衛星的通信時段。本文算法中，每顆LEO衛星與GEO衛星的通信時間段明顯高于FIFO算法，尤其是緊急衛星LEO3，本文算法中與GEO衛星通信時間為1100 s，而FIFO算法中與GEO衛星通信時間不足500 s，故本文算法有效滿足了緊急衛星數據的實時傳輸。

圖2 LEO衛星與GEO衛星通信時段

圖3是兩種算法下LEO衛星與GEO衛星通信信道利用率的比較。FIFO算法在誤碼率不滿足系統要求情況下仍然傳輸，既占用了有限的信道資源，接收端又得不到有效數據信息，因此，信道利用率遠低于本文算法。

圖3 GEO衛星信道利用率

3 結論

本文結合衛星網絡誤碼率高、可視時間和緩存容量有限等特點，提出了基于信道質量的綜合加權信道分配算法。該算法兼顧了影響衛星數據丟失的主要因素，設計了衛星呼叫及強占信道的約束條件，并根據實際需要，設計了緊急星，符合衛星網絡的特點。與FIFO算法進行了仿真比較，結果表明，本文算法滿足重要數據的實時傳輸，避免了衛星網絡信道的頻繁切換，提高了信道利用率，滿足數據完整、可靠傳輸要求。