CN101106417B

CN101106417B - 一种星上呼叫接入控制方法

Info

Publication number: CN101106417B
Application number: CN2007101204792A
Authority: CN
Inventors: 张涛; 张军; 康政
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2027-08-20
Also published as: CN101106417A

Abstract

一种星上呼叫接入控制方法，其特征在于：对于接入请求，首先判断呼叫类型：若为切换呼叫，判断该切换呼叫业务为低优先级业务还是高优先级业务，并对低优先级业务或高优先级业务进行切换呼叫请求接入处理；若为新呼叫，判断该新呼叫业务为低优先级业务还是高优先级业务，并对低优先级业务或高优先级业务进行新呼叫请求接入处理。本发明在保证卫星系统的切换掉线率、新呼叫阻塞率、链路带宽利用率等指标的情况下，充分考虑了用户的满意程度以及网络负载变化对系统性能的影响，可有效保证移动卫星QOS要求，提高卫星系统的综合性能和健壮性。

Description

一种星上呼叫接入控制方法

技术领域

本发明涉及低轨卫星网中无线信道资源的分配方法，特别涉及一种星上呼叫接入控制方法。

背景技术

呼叫接入控制指的是对欲接入网络的呼叫，包括新发起的呼叫和由于切换而从邻近小区切换过来的呼叫提供QOS保证，若能对该呼叫提供保证，则接入该呼叫，同时分配保证该呼叫QOS的所需资源，即在星上为该呼叫预留资源，否则拒绝该呼叫。

低轨卫星网也是一种网络，卫星网中的卫星以及地面站、主控站等组成了网络中的结点。由于卫星网本身的特点，即网络拓扑和动态链路变化，链路可能经常出现中断；另外，低轨卫星采用点波束天线来覆盖目标区域，目标区域被分成类似地面蜂窝网的点波束小区。这就造成用户在一次通信当中可能会出现多次切换(不同点波束小区或卫星间的切换)，而每一次切换都可能造成通信中断或者通话质量的下降。

未来的卫星通信网的目标就是为地面终端用户提供无缝连接，支持宽带多媒体业务以及解决不同业务的QOS问题。在星上资源有限的情况下，需要研究星上切换管理和接入控制技术，来保证用户通信QOS要求和星上资源的利用率。目前已有的接入控制方法主要有以下几种：(1)星上带宽动态预留机制方法，该方法需要对预留信道数进行动态估计，计算量较大，星上无线资源利用率低；(2)缓冲/排队方法，新到达的呼叫(包括新呼叫和切换呼叫)存入不同的队列，按照不同的策略进行调度，保证了切换掉线率，该方法由于需要对接入请求进行缓存，必然对业务传输时延造成影响，可能进一步增加低优先级业务阻塞率。实际中切换排队策略一般与其它策略一起使用；(3)信道借用切换策略来取代资源预留机制，采用一定的优先级选择信道借用的对象，因此在资源利用率、呼叫阻塞率方面优于以上两种策略，但该方法没有考虑用户的满意程度以及信道借用所带来的带宽抖动对用户满意度的影响。另外，以上几种方法只能在一定程度上提高系统性能，但当网络负载高到一定程度且持续时间较长时，以上各种策略都不能阻止呼叫阻塞的增加，不能为用户提供QOS保证。

在地面蜂窝系统中，对用户满意度和带宽抖动作了研究，其方法有：(1)基于效用的接入控制策略以及基于MAX-MIN准则的分配策略，该方法主要是通过全局优化的方法，使得系统内所有业务的效用和最大化；(2)为了减小带宽抖动对用户的影响，采用自适应编码技术来平滑带宽抖动。地面上所采用的以上两种方法由于计算量大、实时性要求较高，很难在星上实现。

综上所述，目前的卫星接入方法主要存在：计算量较大，实时性差，星上无线资源利用率低，没有定量的考虑用户的不同QOS需求和满意度，因而业务整体效用相对较低，此处的效用是对应用性能或服务质量的衡量指标，能够反映用户对其所得数量资源的主观满意度，是衡量卫星系统性能很重要的一个指标。而地面上的解决方法很难在星上实现。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种实现简单和有效的星上呼叫接入控制方法，该方法在保证卫星系统的切换掉线率、新呼叫阻塞率、链路带宽利用率等指标的情况下，充分考虑了用户的满意程度以及网络负载变化对系统性能的影响，有效保证了移动卫星QOS要求，提高了卫星系统的综合性能和健壮性。

本发明的技术解决方案：一种星上呼叫接入控制方法，其特点在于：对于接入请求，首先判断呼叫类型：

(1)若为切换呼叫，判断该切换呼叫业务为低优先级业务还是高优先级业务，并对低优先级业务或高优先级业务进行切换呼叫请求接入处理；

(2)若为新呼叫，判断该新呼叫业务为低优先级业务还是高优先级业务，并对低优先级业务或高优先级业务进行新呼叫请求接入处理。

所述(1)中的低优先级业务呼叫接入请求处理的过程为：

(1)若切换呼叫业务为低优先级业务，星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(0，W_{2_req})业务的最小净效用net-utility_min，若net-utility_min≥u2，进行下一步判断；否则拒绝该接入请求；

(2)系统判断星上剩余资源是否满足业务接入的最低资源要求(W_unused＞0)，若不满足，则拒绝该呼叫；若满足，进行下一步判断；

(3)星上剩余资源是否满足W_unused≥a*W_{2_req}，若满足，接入该切换呼叫请求，系统为其分配a*W_{2_req}数量的星上资源，为其计算借用权重，并将其加入到信道借用库中，其中：W_unused为星上剩余资源，W_{2_req}为低优先级业务的期望资源数，a表示呼叫加入到信道借用库的门限因子；否则，进行下一步判断；

(4)星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(0，min(W_unused，W_{2_req}))业务的最大净效用net-utility_max，接入该切换呼叫请求，系统为其分配net-utility_max所对应的资源数。

所述(1)中的高优先级业务呼叫接入请求处理的过程为：

(1)若该切呼叫业务为高优先级业务，星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(W_{1_min}，W_{1_req})业务的最小净效用net-utility_min，若net-utility_min≥u1，进行下一步判断；否则拒绝该接入请求；

(2)系统判断星上剩余资源是否满足业务接入的最低资源要求(W_unused≥W_{1_min})，若不满足，进入步骤(3)；若满足进入步骤(5)：

(3)若星上资源借用库是否为空，若为空，则拒绝接入请求，否则进入步骤(4)；

(4)系统将从信道借用库中选择借用权重最小的那个呼叫作为新切换呼叫的资源借用对象，该对象将让出部分其占用的星上资源作为新切换呼叫接入用，同时卫星将该对象从库中移除；资源借用后若系统剩余资源满足业务呼叫的最小资源要求，则资源借用过程完成，进入步骤(5)；若仍不满足呼叫的资源要求，进入步骤(3)；

(5)星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(W_{1_min}，min(W_unused，W_{1_req}))业务的最大净效用net-utility_max，接入该切换呼叫请求，系统为其分配net-utility_max所对应的资源数。

所述(2)中的低优先级业务新呼叫请求接入处理过程为：当新呼叫到达时：

(1)若该新呼叫业务为低优先级业务，星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(0，W_{2_req})业务的最小净效用net-utility_min，若net-utility_min≥u2，进行下一步判断；否则拒绝该接入请求；

(2)系统判断星上剩余资源是否满足业务接入的最低资源要求(W_unused＞0)，若不满足，则拒绝该新呼叫；若满足进行下一步判断；

(3)星上剩余资源是否满足W_unused≥a*W_{2_req}，若满足，接入该新呼叫请求，系统为其分配a*W_{2_req}数量的星上资源，计算借用权重，并将其加入到信道借用库中；否则，进行下一步判断；

(4)星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(0，min(W_unused，W_{2_req}))业务的最大净效用net-utility_max，接入该新呼叫请求，系统为其分配net-utility_max所对应的资源数。

所述(2)中的高优先级业务新呼叫接入请求处理的过程为：

(1)若该新呼叫业务为高优先级业务，星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(W_{1_min}，W_{1_req})业务的最小净效用net-utility_min，若net-utility_min≥u1，进行下一步判断；否则拒绝该接入请求；

(2)系统首先判断星上剩余资源是否满足业务接入的最低资源要求(W_unused≥W_{1_min})，若不满足，则拒绝该新呼叫；若满足进行下一步判断；

(3)星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(W_{1_min}，min(W_unused，W_{1_req}))业务的最大净效用net-utility_max，接入该新呼叫请求，系统为其分配net-utility_max所对应的资源数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)引入借用权重作为资源借用的依据：

(a)引入用户满意度的概念，在改善呼叫阻塞(或掉线)率和星上资源利用率的基础上保证了系统总效用最大，提高卫星系统整体性能；

(b)引入当前小区驻留时间，充分考虑移动卫星多波束以及呼叫切换频繁的特点，保证了卫星系统的QOS要求；

(c)引入资源借用次数，改善资源借用所带带来的带宽抖动问题以及公平性问题；

(2)通过调整业务接入的门槛——净效用的门限来改善卫星网络拥塞状况，提高卫星的健壮性。

附图说明

图1为本发明的处理流程图；

图2为本发明的切换呼叫请求处理流程图；

图3为本发明的新呼叫请求处理流程图。

具体实施方式

未来的卫星网需要支持多种业务，需要对不同的业务提供不同的QOS保证。因此，在卫星网中普遍采用区分服务的方法，将不同业务划分为几个优先级，不同的优先级具有不同的QOS保证。在接入控制当中，同样需要对不同优先级的业务区分对待，卫星优先满足高优先级的资源需求，优先接入高优先级业务。为了简单起见，在下文的描述当中，业务主要将分为高优先级业务和低优先级业务两类。为了简化，假定高优先级业务的QOS要求包括最小资源数以及期望资源数；低优先级业务的QOS要求包括最小资源数和期望资源数，前者可以为零。

符号说明：

W_unused：系统剩余资源(可以为无线信道、发射功率等)；

W_{1_min}：高优先级业务的最小资源数要求；

W_{1_req}：高优先级业务的期望需求数；

W_{2_req}：低优先级业务的期望资源数；

net-utility：业务呼叫对分配具体资源产生的净效用，其模型为：

其中：U_j(r_i，t)表示业务呼叫j对分配具体资源r_i产生的效用，β(t)为单位星上资源的价格因子，a₃、b₃为比例因子，ρ(t)为t时刻系统已分配资源占星上总资源数的比例；

借用权重：决定系统借用库中的对象被借用的先后次序，其模型为：

borrow-weight＝(net-utility□t_stay)⁽¹⁺ⁿ⁾，

其中：t_stay代表呼叫在当前小区的驻留时间，n代表该呼叫在整个通信过程中资源被借用的次数。

u1：高优先级业务接入控制的门限；

u2：低优先级接入控制的门限；

本发明的具体实现步骤如下：

本发明所述的接入请求包括新呼叫发起的接入请求和由于卫星运动造成通话中的呼叫终端所属小区发生切换而发起的呼叫切换请求，如图1所示，首先，判断呼叫类型，如果为切换呼叫，则进行切换呼叫请求接入处理，如果为新呼叫，则进行新呼叫请求接入处理。

判断是切换呼叫还是新呼叫是通过消息标志位区分的，在本发明中通过消息中的消息类型来区分的，如下图所示：

1、切换呼叫请求接入处理，如图2所示，当切换呼叫j到达时：

(1)若该呼叫业务为低优先级业务(低优先级业务通过消息净荷中业务类型标志位来区分)，星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(0，W_{2_req})业务的最小净效用net-utility_min(所谓最小净效用指的是在(0，W_{2_req})资源范围内所有可能的净效用值中最小的那个净效用值)，若net-utility_min≥u2，进行下一步判断；否则拒绝该接入请求。

(a)系统判断星上剩余资源是否满足低优先级业务接入的最低资源要求，若不满足，则拒绝该呼叫；若满足进行下一步判断；

(b)星上剩余资源是否满足W_unused≥a·W_{2_req}(其中为a表示呼叫加入到信道借用库的门限因子，其值在[0，1]之间，在星上资源充足的情况下系统尽可能地分配a*W_{2_req}资源数目，从而增加资源借用库中可借用呼叫的数目，从而降低高优先级业务呼叫的阻塞率。参数a可以适当调整，满足卫星系统QOS要求即可——在这里主要指新呼叫阻塞率和切换呼叫掉线率)，若满足，接入该呼叫请求，系统为其分配a*W_{2_req}数量的星上资源，系统将计算该呼叫的借用权重(计算该呼叫在该时刻分配a*W_{2_req}资源的净效用、处于当前波束的剩余驻留时间以及该呼叫在整个通信过程中被借用的次数，即可得到借用权重)，并将其加入到信道借用库(借用库是卫星在初始化阶段事先建立好的并保存在星上存储单元中，一开始为空，随后将不断加入或删除可作为资源借用对象的低优先级切换呼叫的索引号。在加入过程中系统将按呼叫借用权重从小到大的顺序存放；当需要借用时，系统将首先取走权重最小的呼叫；当信道借用库中的呼叫发生切换或者通信结束时也将从库中移除)中；否则，进行下一步判断；

(c)星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(0，min(W_unused，W_{2_req}))业务的最大净效用net-utility_max(所谓最大净效用指的是在(0，min(W_unused，W_{2_req}))资源范围内所有可能的净效用值中最大的那个净效用值)，接入该呼叫请求，系统为其分配net-utility_max所对应的资源数；

(2)若该切换呼叫业务为高优先级业务，星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(W_{1_min}，W_{1_req})业务的最小净效用net-utility_min(方法同上)，若net-utility_min≥u1，进行下一步判断；否则拒绝该接入请求。

(a)系统判断星上剩余资源是否满足业务接入的最低资源要求(W_unused≥W_{1_min})，若不满足，进入步骤(b)；若满足进入步骤(d)；

(b)若星上资源借用库是否为空，若为空，则拒绝接入请求，否则进入步骤(c)；

(c)系统将从信道借用库中选择借用权重最小的那个业务作为新切换呼叫的资源借用对象，该对象将让出部分其占用的星上资源作为该切换呼叫的接入用，同时将该对象从库中移除；资源借用后若系统剩余资源满足业务呼叫j的最小资源要求(W_{1_min})，则资源借用过程完成，进入步骤(d)；若仍不满足呼叫的资源要求，进入步骤(b)；

(d)星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(W_{1_min}，min(W_unused，W_{1_req}))业务的最大净效用net-utility_max(方法同上)，接入该呼叫并为其分配net-utility_max对应的资源数。

2、新呼叫请求接入处理，如图3所示，当新呼叫j到达时：

(1)若该新呼叫业务为低优先级业务，星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(0，W_{2_req})业务的最小净效用net-utility_min(方法同上)，若net-utility_min≥u2，进行下一步判断；否则拒绝该接入请求。

(a)系统判断星上剩余资源是否满足业务接入的最低资源要求(W_unused＞0)，若不满足，则拒绝该新呼叫；若满足进行下一步判断；

(b)星上剩余资源是否满足W_unused≥a·W_{2_req}，若满足，接入该呼叫请求，系统为其分配a*W_{2_req}数量的星上资源，系统将计算该呼叫的借用权重，并将其加入到信道借用库中；否则，进行下一步判断；

(c)星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(0，min(W_unused，W_{2_req}))业务的最大净效用net-utility_max(计算方法同上)，系统接入该呼叫请求，并为其分配net-utility_max所对应的资源数；

(2)若该呼叫业务为高优先级业务，星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(W_{1_min}，W_{1_req})业务的最小净效用net-utility_min(方法同上)，若net-utility_min≥u1，进行下一步判断；否则拒绝该接入请求。

(a)系统判断星上剩余资源是否满足业务接入的最低资源要求(W_unused≥W_{1_min})，若不满足，则拒绝该新呼叫；若满足进行下一步判断；

(b)星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内业务(W_{1_min}，min(W_unused，W_{1_req})的最大净效用net-utility_max，接入该新呼叫请求，系统为其分配net-utility_max所对应的资源数；

卫星网开始工作前需要相当长的一段测试时间，需要对系统一些关键参数进行配置，以达到卫星网平稳工作的目的。门限u1和u2是一个很重要的系统参数，系统通过它来调节系统负载状况。门限的选择可以事先通过计算机仿真获得一即在给定系统QOS要求、负载条件以及工作环境的情况下求得门限值。因为门限值受到多方面因素制约，所以，很难用一个模型表示出来，实际需要不断测试才能获得。

Claims

1.一种星上呼叫接入控制方法，其特征在于：对于接入请求，首先判断呼叫类型：

(2)若为新呼叫，判断该新呼叫业务为低优先级业务还是高优先级业务，并对低优先级业务或高优先级业务进行新呼叫请求接入处理；

所述(1)中的低优先级业务呼叫请求接入处理的过程为：

(1a)若切换呼叫业务为低优先级业务，星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(0，W_{2_req})业务的最小净效用net-utility_min，若net-utility_min≥u2，其中u2为低优先级接入控制的门限，进行下一步判断；否则拒绝该接入请求；

(1b)系统判断星上剩余资源是否满足业务接入的最低资源要求W_unused＞0，若不满足，则拒绝该呼叫；若满足，进行下一步判断；

(1c)星上剩余资源是否满足W_unused≥a*W_{2_req}，若满足，接入该切换呼叫请求，系统为其分配a*W_{2_req}数量的星上资源，计算借用权重，并将其加入到信道借用库中，其中：W_unused为星上剩余资源，W_{2_req}为低优先级业务的期望资源数，a表示呼叫加入到信道借用库的门限因子；否则，进行下一步判断；

(1d)星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(0，min(W_unused，W_{2_req}))业务的最大净效用net-utility_max，接入该切换呼叫请求，系统为其分配net-utility_max所对应的资源数；

所述(1)中的高优先级业务呼叫请求接入处理的过程为：

(1A)若该切呼叫业务为高优先级业务，星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(W_{1_min}，W_{1_req})业务的最小净效用net-utility_min，若net-utility_min≥u1，进行下一步判断；否则拒绝该接入请求；其中W_{1_min}为高优先级业务的最小资源数要求，W_{1_req}为高优先级业务的期望需求数；

(1B)系统判断星上剩余资源是否满足业务接入的最低资源要求W_unused≥W_{1_min}，若不满足，进入步骤(1C)，若满足进入步骤(1E)；

(1C)若星上资源借用库是否为空，若为空，则拒绝接入请求，否则进入步骤(1D)；

(1D)系统将从信道借用库中选择借用权重最小的那个呼叫作为新切换呼叫的资源借用对象，该对象将让出部分其占用的星上资源作为新切换呼叫接入用，同时卫星将该对象从库中移除；资源借用后若系统剩余资源满足业务呼叫的最小资源要求，则资源借用过程完成，进入步骤(1E)；若仍不满足呼叫的资源要求，进入步骤(1C)；

(1E)星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(W_{1_min}，min(W_unused，W_{1_req}))业务的最大净效用net-utility_max，接入该切换呼叫请求，系统为其分配net-utility_max所对应的资源数；

所述(2)中的低优先级业务新呼叫请求接入处理过程为：

(2a)若该新呼叫业务为低优先级业务，星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(0，W_{2_req})业务的最小净效用net-utility_min，若net-utility_min≥u2，进行下一步判断；否则拒绝该接入请求；

(2b)系统判断星上剩余资源是否满足业务接入的最低资源要求W_unused＞0，若不满足，则拒绝该新呼叫；若满足进行下一步判断；

(2c)星上剩余资源是否满足W_unused≥a*W_{2_req}，若满足，接入该新呼叫请求，系统为其分配a*W_{2_req}数量的星上资源，计算借用权重，并将其加入到信道借用库中；否则，进行下一步判断；

(2d)星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(0，min(W_unused，W_{2_req}))业务的最大净效用net-utility_max，接入该新呼叫请求，系统为其分配net-utility_max所对应的资源数；

所述(2)中的高优先级业务新呼叫请求接入处理的过程为：

(2A)若该新呼叫业务为高优先级业务，星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(W_{1_min}，W_{1_req})业务的最小净效用net-utility_min，若net-utility_min≥u1，其中u1为高优先级业务接入控制的门限，进行下一步判断；否则拒绝该接入请求；

(2B)系统首先判断星上剩余资源是否满足业务接入的最低资源要求W_unused≥W_{1_min}，若不满足，则拒绝该新呼叫；若满足进行下一步判断；

(2C)星上资源管理器计算在业务资源请求允许的范围内(W_{1_min}，min(W_unused，W_{1_req}))业务的最大净效用net-utility_max，接入该新呼叫请求，系统为其分配net-utility_max所对应的资源数。