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高空平台通信系统中呼叫允许控制与切换技术研究

李树锋  
【摘要】:高空平台通信系统(High Altitude Platform Communications System,HAPCS)将通信载荷置于运行在平流层(高度为17-22 km)的高空平台上,其高度介于陆地无线发射塔和卫星高度之间,可以很好地兼具陆地无线通信系统和卫星通信系统的优势,因而受到广泛关注。通常,高空平台利用多波束天线在地面投射蜂窝,不同蜂窝之间通过频率复用来提高系统容量。高空平台位置保持非稳定性和高空平台更替都会不可避免地引起服务区内的呼叫在蜂窝间和平台间切换,对HAPCS性能产生较大影响,成为制约HAPCS应用的瓶颈之一。本文围绕高空平台运动引起的HAPCS中切换问题展开研究,通过设计性能良好的呼叫允许控制(Call Admission Control,CAC)与切换算法来减少甚至消除高空平台运动引起的切换掉话,降低呼叫阻塞概率。同时,切换掉话性能的提升也有利于放宽通信载荷对高空平台位置保持非稳定性和移动性的要求。 高空平台水平运动、垂直运动和偏航等运动方式都会引起服务区内的呼叫在相邻蜂窝之间切换。本文建立了高空平台水平/垂直最大偏移距离解析表达式,精确地描述了水平/垂直最大偏移距离与用户终端波束宽度和高空平台高度等参数的关系;建立了高空平台分别具有上述三种运动方式时的平均呼叫切换概率解析表达式,精确地描述了平均呼叫切换概率与高空平台最大偏移距离或最大偏航角度的关系。此外,高空平台需要定期返回地面进行维护,平台更替是一个必不可少的过程。尤其是在基于短航时高空平台的HAPCS中,平台更替较为频繁。本文建立了平台更替引起的平台间切换模型,基于蜂窝覆盖约束条件和用户终端波束宽度约束条件,建立了切换成功率、切换机会间隔(Handover Opportunity Interval,HOI)、HOI起始率和切换负载等平台间切换性能指标的数学表达式,阐述了平台间切换性能与用户终端波束宽度、高空平台高度和用户终端切换方案等的关系。 在蜂窝通信系统中,相邻蜂窝的业务量具有不均衡特点,即当一个蜂窝处于“阻塞”状态时,其相邻蜂窝以很大概率只承载较轻的业务量。基于业务量转移的CAC与切换算法将“阻塞”蜂窝内的业务量转移到“非阻塞”蜂窝,很好地降低了呼叫阻塞概率和/或切换掉话概率。此外,高空平台运动引起的呼叫切换具有方向性切换特点,即HAPCS服务区内固定用户终端发起的呼叫的切换方向相似且由高空平台运动特性决定。利用相邻蜂窝的业务量不均衡特点和HAPCS中方向性切换特点,本文在呼叫转移和切换排队算法基础上提出协同方向性切换算法(Cooperative Directional Handover Scheme,CDHS),在呼叫切换请求排队时间即将到达时尝试进行呼叫转移操作,尽量避免呼叫切换请求排队超时引起的切换失败的发生。与切换排队算法相比,该算法能够显著地降低切换掉话概率。进而,在负载均衡算法和CDHS基础上提出方向性业务量感知切换算法,在当前蜂窝和其平台运动相反方向相邻蜂窝的业务量差大于特定门限时执行负载均衡操作,在呼叫切换过程中采用CDHS。与负载均衡算法和CDHS相比,在平台速度较大且呼叫阻塞概率加权因子取值适中时,该算法具有更优的系统综合性能,能够获得较好的呼叫阻塞与切换掉话性能的折中。 目前,已有的确保切换算法能够确保高优先级业务不发生切换失败,但是,它们会引起较高的呼叫阻塞概率。本文提出重叠区辅助确保切换算法,综合利用地理位置信息和重叠区信息来辅助接入控制,避免新呼叫引起的切换失败。与基于时间的信道预留算法(Time Based Channel Reservation,TCRA)相比,在单业务和两类业务条件下,该算法能够在确保切换过程成功的同时显著地提升呼叫阻塞性能。进而,针对采用自适应调制编码的HAPCS,本文提出速率过渡区辅助确保切换算法,除了利用地理位置信息和重叠区信息之外,还在高速率区和低速率区之间设置与重叠区作用类似的速率过渡区,必要时使速率过渡区中处于低速率模式的呼叫提前切换到高速率模式,或使速率过渡区中处于高速率模式的呼叫推迟切换到低速率模式,协助提升确保切换算法的呼叫阻塞性能。此外,对于允许一定切换掉话概率的一般业务,在设计切换算法过程中充分利用已知的地理位置信息并考虑呼叫离开蜂窝的可能性,可以在获得可接受切换掉话概率的同时降低呼叫阻塞概率。本文根据虚拟蜂窝内具体的业务量分布情况,提出切换间隔时间受限的CAC算法,通过设置切换间隔时间门限来约束业务量大于蜂窝容量N的虚拟蜂窝中第N+1大的切换间隔时间,进而限制新呼叫引起的切换失败概率。与动态多普勒切换优先级算法相比,当选取较小的可接受切换掉话概率门限时,该算法能获得更好的呼叫阻塞性能。提出切换性能受限的CAC算法,利用虚拟蜂窝内具体的业务量分布信息估计并设置切换掉话门限来限制新呼叫引起的切换掉话概率。该算法能够在较高负载条件下仍然确保切换掉话概率不超过指定门限。 当HAPCS与陆地蜂窝系统共存时,共享频率的方式能够提供较高的频谱效率。但是,在共享频率的两层蜂窝系统中,共信道宏蜂窝与微蜂窝之间将产生较强的层间共信道干扰,甚至导致部分覆盖区内的用户终端不能正常通信。本文提出部分覆盖区频率共享策略,利用配置方向性天线的感知用户终端智能地识别层间共信道干扰较强的区域,即层间干扰限制区(Cross-tier Interference Limited Areas,CILAs),并为宏蜂窝与微蜂窝的CILAs分配独立的频段,其它区域共享剩余频段。即使用户终端采用较低的方向性天线,通过合理地选择宏蜂窝与微蜂窝CILAs大小,该策略也能够在确保链路中断性能的同时获得较好的频谱效率,有效地克服了全覆盖区频率共享策略所面临的部分覆盖区内用户终端不能正常通信的问题。 两层蜂窝系统的两重覆盖可以看成是单层蜂窝系统中蜂窝重叠区的扩展,合理地利用两重覆盖特性可以显著地提升CAC与切换算法的性能。已有的CAC与切换算法利用蜂窝层之间的呼叫溢出操作有效地均衡了不同蜂窝层的业务量,利用呼叫返回操作消除了由于蜂窝尺寸和呼叫类型不符带来的问题。本文在TCRA基础上,提出两层蜂窝系统中呼叫溢出操作、呼叫返回操作和多个由有序的溢出操作构成的业务流辅助的确保切换算法,利用两层蜂窝系统中的地理位置信息、两重覆盖特性、相邻蜂窝层之间的溢出和/或返回操作来辅助接入控制,避免新呼叫可能引起的切换失败。呼叫溢出操作能显著地提升呼叫阻塞性能,利用的呼叫溢出操作越多,呼叫阻塞性能越好;呼叫返回操作能进一步提升呼叫阻塞性能,并且降低溢出的业务量。


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