GMR-1衛(wèi)星通信系統(tǒng)中基于判決的切換算法

吳廣富，姜玉潔，趙為糧

(重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

GMR-1衛(wèi)星通信系統(tǒng)中基于判決的切換算法

吳廣富，姜玉潔，趙為糧

(重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星和用戶都處于運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)用戶穿越波束邊界時(shí)需要進(jìn)行切換。切換是衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中重要的組成部分，切換算法的好壞直接影響移動(dòng)通信質(zhì)量。在無線資源受限的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，不必要的切換會(huì)造成系統(tǒng)資源浪費(fèi)。地面和衛(wèi)星移動(dòng)通信存在差異，地面移動(dòng)通信系統(tǒng)中的越區(qū)切換算法在衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中不再適用。針對現(xiàn)有波束切換算法在切換判決時(shí)沒有考慮當(dāng)前鏈路質(zhì)量，提出一種基于判決的衛(wèi)星波束切換算法。該算法根據(jù)當(dāng)前鏈路質(zhì)量動(dòng)態(tài)地調(diào)整切換遲滯值參數(shù)的變化，并為不同速度的用戶設(shè)置不同的切換觸發(fā)時(shí)間。仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有的衛(wèi)星點(diǎn)波束切換算法相比，所提算法能夠合理地觸發(fā)必須切換，避免不必要的切換，從而降低網(wǎng)絡(luò)的乒乓切換和切換失敗率。

GMR-1；衛(wèi)星移動(dòng)通信；切換算法；滯后余量；觸發(fā)時(shí)間

0 引 言

隨著高速公路、高速鐵路的快速發(fā)展以及飛機(jī)的普及，移動(dòng)終端具有分布范圍廣，移動(dòng)速度快，移動(dòng)路徑規(guī)律性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，無線移動(dòng)通信系統(tǒng)很難滿足相關(guān)性能要求，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有波束覆蓋范圍大、建設(shè)速度快、節(jié)約地面資源，易于廣播和多址通信等優(yōu)勢，因此利用移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)為高速移動(dòng)終端提供通信業(yè)務(wù)是一個(gè)發(fā)展趨勢。

由于廣大邊遠(yuǎn)及緊急救援地區(qū)地面蜂窩網(wǎng)所提供的服務(wù)受限，依靠地面網(wǎng)絡(luò)不能夠很好地給用戶提供通信服務(wù)，此時(shí)衛(wèi)星通信作為對地面網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充可為用戶提供快捷的移動(dòng)服務(wù)。高軌衛(wèi)星(geostationary earth orbit, GEO)衛(wèi)星相對于地面是靜止的，然而由于用戶具有一定的移動(dòng)性，當(dāng)用戶移動(dòng)到波束邊緣時(shí)，勢必會(huì)產(chǎn)生波束之間的切換，能否保證良好的切換服務(wù)對于用戶來說極其重要。近年來，切換算法的研究一直是移動(dòng)性管理的熱門話題[1-2]。目前，對于陸地上的切換算法研究已經(jīng)較為成熟，大多數(shù)的切換算法都是基于A3事件來判決的[3]。而對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中切換算法研究較少，衛(wèi)星移動(dòng)通信是今后發(fā)展的趨勢，其發(fā)展有著廣泛的應(yīng)用前景，因此對無線管理中的切換技術(shù)的研究就顯得十分必要。文獻(xiàn)[4]研究了負(fù)載均衡在長期演進(jìn) (long term evolution, LTE)切換系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過調(diào)整遲滯和觸發(fā)時(shí)間來達(dá)到很好的性能。文獻(xiàn)[5]研究了LTE切換系統(tǒng)中不同觸發(fā)時(shí)間(time-to-trigger,TTT)對切換性能的影響，它根據(jù)不同速度的用戶選擇不同大小的觸發(fā)時(shí)間，并且考慮到不同蜂窩網(wǎng)的情況。然而與地面蜂窩系統(tǒng)相比，GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)具有波束覆蓋大、信號(hào)傳輸時(shí)延長、星上資源受限等特點(diǎn)，已有的切換算法不能很好地在GEO衛(wèi)星中得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]提出了一種高軌衛(wèi)星波束切換觸發(fā)算法，但是它只是針對遲滯參數(shù)進(jìn)行考慮，沒有將觸發(fā)時(shí)間這個(gè)參數(shù)考慮進(jìn)去。文獻(xiàn)[7]將切換觸發(fā)與信道分配結(jié)合起來進(jìn)行了研究，但對于觸發(fā)部分沒有具體的觸發(fā)判別條件。文獻(xiàn)[8]提出了一種陸地和GEO衛(wèi)星系統(tǒng)之間的切換算法，該算法主要是針對切換判決來實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)置絕對門限值，并且改變滯后余量來判斷是否要進(jìn)行系統(tǒng)間的切換。該算法在一定程度上能夠避免許多不必要的系統(tǒng)間切換，以適用衛(wèi)星系統(tǒng)和蜂窩系統(tǒng)間的系統(tǒng)間越區(qū)切換決策。

由于地震救災(zāi)和廣大邊遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多變，再加上衛(wèi)星資源的限制，因此這些算法沒有很好的適應(yīng)性。另外，上面提到的切換算法都沒有從衛(wèi)星通信時(shí)延大，較少切換的實(shí)際角度出發(fā)。為此，本文提出一種基于切換判決的衛(wèi)星點(diǎn)波束之間的切換算法，該算法綜合考慮當(dāng)前的鏈路質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)資源，從而合理地觸發(fā)切換的發(fā)生，降低網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延和切換失敗率。

1 系統(tǒng)模型

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用多波束天線，每個(gè)波束都有一定的覆蓋范圍。當(dāng)正在使用衛(wèi)星通信的用戶在波束內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)頻信號(hào)的強(qiáng)度一般是保持不變，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到波束邊緣時(shí)，導(dǎo)頻信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱。因此，我們根據(jù)導(dǎo)頻信號(hào)的強(qiáng)度和接收信號(hào)的信噪比來判斷用戶是否要切換到其他波束?？紤]受同一個(gè)信關(guān)站控制的衛(wèi)星點(diǎn)波束之間的切換，即目標(biāo)波束和服務(wù)波束受同一信關(guān)站控制，類似于地面蜂窩系統(tǒng)中的越區(qū)切換。波束切換場景如圖1所示。最外面的粗實(shí)線是一個(gè)衛(wèi)星覆蓋的范圍，即衛(wèi)星腳印，虛線是一個(gè)信關(guān)站控制的范圍，細(xì)實(shí)線是衛(wèi)星的一個(gè)波束的覆蓋范圍，衛(wèi)星由很多波束組成[9]。

圖1 波束切換情景Fig.1 Model of the beam handover

2 算法描述

切換的觸發(fā)判決是切換過程中一個(gè)重要的步驟，在地面蜂窩系統(tǒng)中，切換的觸發(fā)通常是根據(jù)對當(dāng)前導(dǎo)頻信號(hào)和鏈路質(zhì)量的檢測情況來執(zhí)行的。與切換性能相關(guān)的參數(shù)包括切換遲滯參數(shù)H和觸發(fā)時(shí)間TTT。切換遲滯參數(shù)H：如果相鄰小區(qū)參考信號(hào)接收功率(reference signal receiving power,RSRP)比當(dāng)前小區(qū)的高出一個(gè)遲滯值TTT，切換就會(huì)被初始化。遲滯參數(shù)H是用來避免乒乓效應(yīng)的，即為了避免用戶在2個(gè)小區(qū)之間來回切換，減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。然而，遲滯參數(shù)的設(shè)定在阻止一些必要切換的同時(shí)也會(huì)增加一些切換失敗的可能性。觸發(fā)時(shí)間TTT：當(dāng)使用觸發(fā)時(shí)間后，切換只有在這個(gè)時(shí)間里完全滿足觸發(fā)要求才能進(jìn)行初始化切換。該參數(shù)能夠降低不必要的切換數(shù)目，并且有效地避免乒乓效應(yīng)。圖2為LTE系統(tǒng)切換過程[10-11]。

圖2 切換流程Fig.2 Process of the handover

2.1 觸發(fā)時(shí)間

在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，處于波束邊界的用戶接收到的廣播信號(hào)強(qiáng)度具有和地面蜂窩小區(qū)相似的特性，只是目前的切換算法大部分只是針對切換門限h，并通過設(shè)置門限值h來優(yōu)化切換觸發(fā)條件。然而，當(dāng)某地區(qū)的信號(hào)嚴(yán)重受到干擾時(shí)，所測得的接收信噪比和信號(hào)強(qiáng)度都比較小，但經(jīng)過很短的時(shí)間，干擾又不存在了，按照切換觸發(fā)條件，此時(shí)要進(jìn)行切換，這樣的切換對于資源短缺的衛(wèi)星通信來說勢必會(huì)造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行避免。鑒于此，本文提出將切換觸發(fā)時(shí)間加入到切換觸發(fā)判斷的條件中，即用戶終端在測量到當(dāng)前波束信號(hào)強(qiáng)度降低時(shí)，需要再進(jìn)行一定的時(shí)間才確認(rèn)切換是否執(zhí)行，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)那袚Q觸發(fā)時(shí)間來避免不必要的切換[12]。

2.2 遲滯參數(shù)

在偏遠(yuǎn)的地方或?yàn)?zāi)區(qū)，干擾對接收信號(hào)的影響很大，導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量下降，如果設(shè)置固定的切換遲滯參數(shù)就會(huì)產(chǎn)生過早切換或過晚切換的場景，使衛(wèi)星系統(tǒng)具有較差的自適用性，為了解決這一問題，可以根據(jù)鏈路質(zhì)量指示(link quality indicator,LQI)值的大小來對h值進(jìn)行動(dòng)態(tài)地調(diào)整。當(dāng)源波束小區(qū)的接收信號(hào)強(qiáng)度比較高時(shí)，說明此時(shí)的服務(wù)質(zhì)量較好，可以延緩切換的發(fā)生，此時(shí)可以采用高的遲滯值，限制用戶切換到其他波束中；當(dāng)源波束小區(qū)的接收信號(hào)的值相對較低時(shí)，說明此時(shí)的服務(wù)質(zhì)量相對較差，可以采用較低的遲滯值，這樣能促使用戶切換到另一個(gè)鏈路質(zhì)量相對較好的點(diǎn)波束中。

設(shè)a和b分別為信號(hào)質(zhì)量相對較好和信號(hào)質(zhì)量較差的邊界值，rL和rH分別為較小的切換遲滯和較大的切換遲滯，當(dāng)服務(wù)質(zhì)量不小于b時(shí)，遲滯值為相對較大的rH，當(dāng)信號(hào)質(zhì)量不大于a時(shí)，遲滯值為相對較小的rL，而當(dāng)鏈路質(zhì)量介于a和b之間時(shí)，遲滯值介于rL和rH之間，并成逐漸增加的趨勢。因此，遲滯值的大小和當(dāng)前服務(wù)質(zhì)量LQI的關(guān)系如(1)式所示，本文設(shè)定最小遲滯值rL取值為0。

(1)

(1)式中：rH代表最高的滯后余量；b和a分別代表最高和最低鏈路質(zhì)量門限；k是降低因子。從(1)式分析可知，當(dāng)LQI不小于設(shè)定的最好鏈路質(zhì)量b時(shí)，h等于rH，此時(shí)鏈路質(zhì)量很好，應(yīng)該采用較大遲滯參數(shù)，從而抑制切換的發(fā)生。當(dāng)LQI降低至a時(shí)，這時(shí)h已降至rL。當(dāng)用戶的LQI從b降低至a的過程中，滯后余量相應(yīng)地從rH降低到rL。k表示滯后余量降低速度的快慢，本文k的取值為0.9。

根據(jù)以上分析，我們可以得出當(dāng)前的鏈路質(zhì)量與遲滯參數(shù)的關(guān)系如圖3所示。

圖3 h值的變化Fig.3 Variation trend of h

2.3 算法的流程

根據(jù)上述對基于判決的切換算法的描述，具體步驟總結(jié)如下：

步驟1 移動(dòng)終端測量當(dāng)前波束和鄰近波束的信號(hào)強(qiáng)度RSSI(received signal strength indication)和LQI，并將測得的結(jié)果經(jīng)過處理，然后發(fā)給信關(guān)站用以判決切換是否發(fā)生；

步驟2 根據(jù)測得的信號(hào)強(qiáng)度RSSI和LQI確定遲滯參數(shù)h值；

步驟3 判斷目標(biāo)波束信號(hào)強(qiáng)度是否大于源波束一個(gè)遲滯值，如果是，則跳到步驟4，如果否，跳至步驟6；

步驟4 計(jì)時(shí)器加1；

步驟5 判斷計(jì)時(shí)器是否達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)定的切換觸發(fā)時(shí)間，如果是，則跳至步驟7，否則，返回步驟1；

步驟6 不執(zhí)行切換；

步驟7 執(zhí)行切換。

整個(gè)切換觸發(fā)判決的流程如圖4所示。

圖4 切換算法流程圖Fig.4 Process of the beam handover algorithm

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 性能參數(shù)

為了能更準(zhǔn)確、清晰地展示仿真結(jié)果，在這里對評(píng)估切換性能的一些標(biāo)準(zhǔn)及定義進(jìn)行說明。

3.1.1 乒乓切換率

乒乓效應(yīng)是因?yàn)樗O(shè)置遲滯值太小或信號(hào)不穩(wěn)定所導(dǎo)致的移動(dòng)用戶在小區(qū)邊沿來回進(jìn)行多個(gè)切換。定義2次切換的時(shí)間間隔小于系統(tǒng)所設(shè)定的時(shí)間即為乒乓切換，此處設(shè)定的時(shí)間間隔為1 s。則乒乓切換率的計(jì)算公式可以用(2)式表示。

(2)

3.1.2 切換失敗率

在切換的過程中，切換用戶由于接收信號(hào)功率過低或在切換開始之后沒有足夠的資源可分配給用戶使用而導(dǎo)致用戶掉話。引起掉話的原因有很多，本文只考慮由于切換失敗所引起的掉話。則在這個(gè)過程中，切換失敗的數(shù)目占總的切換數(shù)的比例就稱為切換失敗率，計(jì)算公式為

(3)

3.2 仿真結(jié)果

在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于終端用戶處于運(yùn)動(dòng)中，信號(hào)的傳播具有隨機(jī)性。信號(hào)在傳輸過程中，地面用戶終端與衛(wèi)星之間會(huì)存在直射信號(hào)分量，因此，實(shí)際的衛(wèi)星信道可用多種分布來共同描述。這里采用Lutz衛(wèi)星信道模型，且僅考慮該信道處于好狀態(tài)的情況。在Lutz衛(wèi)星信道下用Matlab對切換算法的性能進(jìn)行仿真。相應(yīng)的仿真參數(shù)及其數(shù)值大小設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)的設(shè)置

3.2.1 切換次數(shù)

在下面的仿真中，傳統(tǒng)的切換算法均指采用固定的遲滯和沒有切換觸發(fā)時(shí)間的切換算法。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示，并且終端移動(dòng)速度V=100 km/h，圖5是本文提出的切換算法與傳統(tǒng)的切換算法在切換次數(shù)方面比較。從圖5中可以看出，隨著波束內(nèi)用戶數(shù)目的增多，2種切換算法中切換次數(shù)均增多，與傳統(tǒng)的切換算法相比，本文所提出的切換算法能使網(wǎng)絡(luò)的平均切換次數(shù)明顯減小。

3.2.2 切換失敗率

圖6是本文算法與傳統(tǒng)的切換算法在乒乓切換性能方面的比較。切換觸發(fā)時(shí)間為100 ms，從圖6中可以看出，隨著移動(dòng)用戶速度的增加，本文提出的切換算法在降低切換失敗率方面有明顯的優(yōu)勢，本文提出的算法中，當(dāng)終端移動(dòng)速度小于300 km/h時(shí)，切換失敗率比較低，當(dāng)速度高于300 km/h時(shí)，切換失敗率明顯提高，這是因?yàn)樵谙嗤臅r(shí)間內(nèi)，速度大的用戶運(yùn)動(dòng)的距離較遠(yuǎn)，所需要的切換觸發(fā)時(shí)間越小，設(shè)置較大的切換觸發(fā)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致切換失敗率的增加。從這里可以看出，合適的觸發(fā)時(shí)間對系統(tǒng)來說非常重要。

圖5 切換次數(shù)性能比較Fig.5 Comparison of the handover number based on the two algorithms

圖6 高速終端切換失敗率對比Fig.6 Comparison of the failure ratios based on the mobile station with high speed

為了說明本文所提出的切換算法不但適用于高速終端，對于較低速度的終端用戶來說在切換失敗率方面也有明顯的提高。本文對較低速度的用戶進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。在仿真中，切換觸發(fā)時(shí)間設(shè)為320 ms。從圖7中可以看出，對于速度相對較低的用戶，本文所提的切換算法較傳統(tǒng)切換算法在減小切換失敗率方面也較明顯。當(dāng)速度高于50 km/h時(shí)，本文所提切換算法切換失敗率明顯提高，這是切換觸發(fā)時(shí)間過高導(dǎo)致。

圖7 低速終端切換失敗率比較Fig.7 Comparison of the failure ratios based on the mobile station with low speed

3.2.3 乒乓切換率

圖8顯示了本文算法在乒乓切換率方面的性能。假設(shè)用戶的速度為400 km/h，切換觸發(fā)時(shí)間為100 ms。仿真結(jié)果表明：隨著波束內(nèi)用戶數(shù)的變化，本文的切換算法在減少乒乓效應(yīng)方面有明顯的改善。

圖8 乒乓切換性能比較Fig.8 Comparison of the ping-pong ratios according to the user number.

4 結(jié)束語

本文提出一種基于切換判決的衛(wèi)星點(diǎn)波束之間的切換算法。該算法重點(diǎn)考慮當(dāng)前的鏈路質(zhì)量的影響，不但保證了切換的性能，而且減少了衛(wèi)星通信中的切換次數(shù)。該算法從切換過程中的遲滯和觸發(fā)時(shí)間2個(gè)參數(shù)對切換的觸發(fā)條件進(jìn)行改進(jìn)，不但克服了傳統(tǒng)切換算法缺陷，而且提高了衛(wèi)星通信系統(tǒng)無線資源利用率。

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(編輯：張 誠)

Research on handover algorithm based on handover decision in GMR-1 satellite communication system

WU Guangfu, JIANG Yujie, ZHAO Weiliang

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R. China)

In satellite communication system, handover of beam happens when the users cross the boundary of spot beam because of the high speed movement of satellite and terrestrial user. Handover is an important part of satellite mobile communication system, the performance of handover algorithm affects the service quality of users. In resource-constrained satellite mobile communication system, unnecessary handover will cause the waste of resources. There exits differences between terrestrial mobile communication system and the satellite communication system exists difference, terrestrial handover algorithm is not applicable to high-speed users on satellite mobile communication system. For the issue that existing beam handover algorithm does not take the quality of current link into account, a beam handover algorithm based on the quality of current link is proposed. In this handover algorithm, hysteresis parameter value is dynamically adjusted by the current link quality and different time to trigger is set for terrestrial users of different speeds. Simulation results show that the proposed handover algorithm can trigger the handover reasonably and avoid unnecessary handover, thereby reducing the ping-pong effect of the network and the rate of handover failure.

GMR-1; satellite mobile communication; handover algorithm; hysteresis margin; time-to-trigger

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.01.006

2016-05-18

2016-10-25 通訊作者：吳廣富 wgf1016@126.com

國家科技重大專項(xiàng)課題(2013ZX03006005);國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2015AA01C303);長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助(IRT1299)

Foundation Items：The Major Special Project of National Science and Technology(2013ZX03006005); The National High Technology Research and Development Program(“863”Program) of China (2015AA01C303); The Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (IRT1299)

TN927

A

1673-825X(2017)01-0036-06

吳廣富(1980-)，男，山東省平邑縣人，工程師，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)。E-mail: wugf@cqupt.edu.cn

姜玉潔(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信切換算法。E-mail:1291733203@qq.com 趙為糧(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)閷拵o線接入技術(shù)。E-mail: zhaowl@cqupt.edu.cn