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《国防科学技术大学》 2010年
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LEO卫星网络呼叫允许控制及切换管理机制研究

丁丁  
【摘要】:低轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星网络由于具有全球无缝覆盖、系统容量大、传播时延低等优点,被认为是构建新一代宽带卫星通信系统的有效技术途径。呼叫允许控制(Call Admission Control,CAC)及切换管理机制是LEO卫星网络无线资源管理(Radio Resource Management,RRM)的一项关键技术,在保障通信过程顺利进行和提高系统整体效率等方面起到重要作用。CAC及切换管理机制的设计应当考虑到LEO卫星网络无线资源有限、拓扑结构快速变化、业务条件复杂、无线信道因不同尺度的衰落和信号间的干扰而呈现起伏变化等特点。论文将连接级系统性能作为研究重点,旨在针对各种应用条件设计高性能且易于实现的CAC及切换管理机制,主要研究工作和成果包括以下几个方面: 1、在切换过程发生之前为切换业务预留信道的方式能够在不引入时延的条件下最大程度地降低业务强制性中断概率。为了尽量减少信道预留所造成的新业务阻塞概率的增加,需要对LEO卫星网络的移动性特征和切换发生过程进行准确的预测和描述。为此,论文首先分析了LEO卫星星座系统的覆盖特性,并建立了一种满足均匀无记忆特性的移动性模型。通过对信道持续时间和切换业务量的统计预测,能够克服保守的信道预留机制中资源利用率低的缺点。论文针对单一业务,通过引入时间门限参数提出了一种新的基于门限的切换优先(Threshold-Based Handover Prioritization,TBHP)算法。按照时间门限参数推迟发送信道预留请求的时间,可以增大新业务接入的机会,从而提高系统资源利用率。理论分析及仿真结果表明,通过适当地选取时间门限参数值,TBHP算法能够实现新业务阻塞概率和强制性中断概率的折中平衡,获得较大的性能提升。TBHP算法的另一个优点是能够针对不同的卫星/波束小区采用不同的时间门限参数值,使之与输入业务条件相匹配。 2、随着移动卫星业务的宽带化发展,以有限的信道资源向不同类型的业务提供QoS保障是混合业务LEO卫星网络中CAC及切换管理机制所面临的主要问题。论文利用LEO卫星网络移动性模型的均匀无记忆特性,提出了一种新的多门限信道预留(Multi-Threshold Channel Reservation ,MTCR)策略,并建立了混合业务CAC及切换管理机制的连接级性能理论分析框架。MTCR策略将传统的信道预留方法扩展至混合业务条件下,针对LEO卫星网络的业务特征为不同类型和不同连接状态的业务设置不同的允许带宽门限值,能够灵活地调整业务流优先级并保障不同业务的QoS要求。同时,MTCR策略的系统稳态概率具有易于求解的乘积形式,能够应用高效卷积算法进行快速求解,从而避免了系统容量提高和业务类型增加时所面临的“状态空间爆炸”问题。大量的仿真结果验证了理论分析模型的正确性,同时表明MTCR策略能够满足不同业务的QoS要求,并通过选取适当的门限参数矢量达到较高的系统整体性能。 3、论文研究了LEO卫星网络中CAC及切换管理机制的最优化问题,包括最优化目标函数的建立和最优化算法的设计两个部分。CAC机制的设计通常以最优化系统在长期或稳态下的特定性能指标作为目标要求。论文首先借鉴经济学中“收益函数”的概念,将LEO卫星网络中CAC及切换管理机制的最优化问题表示为系统收益速率的非线性规划数学模型,将最优MTCR(Optimal MTCR,OMTCR)策略中最优门限参数矢量的求解过程表示为无QoS约束条件和有QoS约束条件的系统收益速率最优化问题。然后,考虑到最优机制在实际系统中(尤其是在问题规模较大、系统参数相互依赖的复杂系统中)不一定能够实现,论文采用智能计算的方式寻找最优解或者性能较高的次优解。论文提出一种新的改进遗传算法(Genetic Algorithm,GA),针对OMTCR策略对于门限参数矢量可行域以及目标函数的特殊要求对基本GA进行修复,实现以上问题的快速求解。统计平均结果与随机抽样结果表明,改进GA具有较高的计算精度和收敛速度,可以以离线方式支持OMTCR机制在实际LEO卫星网络中实现。针对问题规模更大的未来系统中种群规模与优化精度相矛盾的问题,在改进GA的基础上进一步设计了一种分区间小种群的迭代GA优化机制,也具有一定的工程应用价值。 4、自适应调制技术在提高传输可靠性及系统吞吐量的同时,也为CAC及切换管理机制设计带来了新的挑战。在自适应星地链路的LEO卫星网络中,由于频谱效率随传输模式的变化而发生改变,即使某业务连接占据了较大的带宽,一旦信道处于深度衰落条件下时也难以完全保障其QoS要求,因此需要设计相应的统计性CAC及切换管理机制。论文首先分析了LEO星地链路信道衰落特性,然后从实用性角度出发研究了自适应离散速率多级正交幅度调制(Multi-level Quadrature Amplitude Modulation,M-QAM)传输条件下的信道衰落状态概率分布。最后基于以上分析设计了一种新的基于系统过载概率的信道预留(OVerload-probability-based Channel Reservation,OVCR)策略,将MTCR策略扩展应用到统计性信道条件下。交叉层的设计方案能够在满足物理层误比特率(Bit Error Rate,BER)要求的条件下使吞吐量达到最大,同时将系统过载概率控制在允许范围以内。数值仿真结果表明物理层自适应M-QAM传输方式与连接级OVCR策略的联合设计方案能够有效提高系统性能。根据所建立的交叉层理论分析框架能够求得最优或次优OVCR策略的门限参数矢量。
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