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低轨卫星通信接入与切换策略研究

黄飞  
【摘要】: 卫星通信系统是实现全球个人通信的重要组成部分,其中低轨卫星通信系统以其全球覆盖、低传输时延、低功耗、抗毁性强等优点而具有广阔的发展前景,并将在未来的个人通信领域中发挥重要作用。然而,为促进低轨卫星通信系统的全面应用,依然还存在一些关键问题需要研究。 首先,在低轨卫星通信系统中存在着多星覆盖情况,按照何种准则选定接入卫星是接入策略要解决的重要问题。接入策略的好坏直接影响到呼叫阻塞率、切换开销以及系统信道利用率等系统性能。其次,低轨卫星通信系统大都采用多波束天线,通常存在着十分频繁的波束间切换。这种切换过程引发的突然掉话让人不能接受,因此这需要系统采用某种切换策略以优化系统性能。再次,随着Internet中交互式多媒体业务量迅速增加,人们对低轨卫星多媒体通信的需求日益迫切。然而目前的策略大多针对单一的话音业务,还很难适应多媒体通信的需求。本文针对上述问题,开展了如下研究: 第一章回顾了卫星通信的发展概况和关键技术,着重分析了低轨卫星通信系统接入和切换策略国内外研究现状,并引出本文的主要动机和工作亮点。 第二章对低轨卫星通信接入和切换做了系统阐述和建模。本章引入低轨卫星通信覆盖模型和低轨卫星通信用户多媒体业务量模型,给出低轨卫星通信系统的主要参数,讨论了低轨卫星通信的切换过程,比较了低轨卫星通信的信道分配方式以及低轨卫星通信主要的三种接入和切换策略。特别地,本章对低轨卫星通信接入与切换进行了深入分析,为后续章节的系统研究提供了理论基础。 第三章讨论了低轨卫星通信多星覆盖下卫星接入和切换策略。本章首先提出了综合加权策略,在以往的研究中大都仅考虑全球话务均匀分布时多星覆盖下的卫星接入系统性能,然而均匀模型无法客观地反映出真实的网络环境,因为实际全球业务差异很大,分布并非均匀。为了更好地描述实际的全球业务,研究了非均匀分布全球话务密度模型下综合加权策略的系统性能,并在简单综合加权策略的基础上建立模型分析了各个地区具有不同最小仰角时综合加权策略对低轨卫星通信系统的影响,提出在不同的区域中设置不同的卫星仰角来改善综合加权策略。我们讨论了综合加权策略中加权系数对新呼叫阻塞率和强制中断率的影响,及其对强制中断率、切换请求到达率和平均仰角这三项系统性能的综合影响,并根据系统设计需要利用遗传算方法对综合加权策略中加权系数进行优化,以达到系统总体性能最优。最后,我们根据卫星多媒体通信的业务特点,针对实时和非实时业务分别采用不同的接入策略,对这两种降低强制中断率的方法在非均匀分布全球话务密度模型下进行了仿真分析。结果表明在高负载情况下,较小的信道预留(如1%)不但对新呼叫阻塞率的影响较小,而且还能较大地降低实时业务的强制中断率,同时非实时业务也可通过暂时等待然后再选择卫星的方式降低其强制中断率。 第四章研究了低轨卫星通信动态预留接入策略与自适应动态信道分配问题。目前已有的低轨卫星动态预留接入策略多数只适用于单一的话音业务,同时它们还要求掌握用户的位置信息导致较大的系统开销。为了更好地支持低轨卫星多媒体通信波束间接入,我们提出了基于概率自适应动态预留接入策略,其特点包括:(1)对实时业务切换请求以概率进行信道预留,同时这种预留概率随用户的剩余切换时间和切换概率自适应变化;(2)对新呼叫以一定概率接入系统,接入概率随用户移动性和系统信道使用率自适应调整,同时用户接入系统时所分配的信道数根据系统信道使用率进行自适应分配。(3)引入计时器机制使系统决策不再需要获知用户的位置信息,从而降低开销。仿真结果表明基于概率自适应动态预留策略,能降低实时业务切换失败率,并能获得较高的信道利用率。此外,我们还提出了自适应动态信道分配策略,在动态信道分配的代价函数计算中考虑了邻区信道负荷和终端移动性对代价函数的影响,因此获得了更高信道资源使用效率。仿真结果表明自适应动态信道分配策略的系统性能优于业务量相关动态信道分配和预留策略。 第五章讨论了低轨卫星多媒体通信信道借用接入和切换策略。在低轨卫星多媒体通信中,非实时业务(特别是数据业务)对最小带宽和传输时延的要求并不严格。因此,可以通过减少非实时业务所占信道数,增加其传输时延,来降低实时业务切换失败率。在这种思想引导下,提出了信道借用接入和切换策略,并参照典型低轨卫星通信系统的参数对新呼叫阻塞率、切换失败率和信道利用率进行仿真分析,然后讨论了信道借用接入策略对非实时业务的公平性影响。仿真结果表明信道借用策略中选取最小剩余逗留时间策略,一方面最大程度地保证了非实时业务的公平性,另一方面也获得了优异的系统性能。我们还引入效用来衡量不同用户对带宽需求的满意程度,提出基于效用函数的信道借用接入和切换策略。这种策略以效用函数斜率和点波束内剩余逗留时间的乘积作为信道借用的依据,在处理实时业务和非实时业务时分别采用不同的效用函数来满足两类业务对服务质量的不同需求,并通过接入控制满足各类业务的服务质量。我们参照典型的低轨卫星通信系统对系统总效用、实时业务新呼叫阻塞率和切换失败率进行了仿真分析。仿真结果表明由于基于效用信道借用策略在信道借用和信道重分配时考虑了各个呼叫的效用函数,不但能获得很好的系统总效用而且实时业务切换失败率也很低。 第六章总结全文,阐述了论文的主要贡献和创新性,并指出进一步需要研究的问题。


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