CN103036607B - 一种适用于低轨卫星网络的信道动态预留分配方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于低轨卫星网络的信道动态预留分配方法，可以有效的降低切换阻塞率和新呼叫阻塞率，保证各业务的服务质量以及提高信道利用率，解决了在以低轨卫星作为接入方式的卫星通信网络环境中，由于低轨卫星高速运动所造成的地面移动终端频繁的切换，卫星资源有限以及混合多媒体业务实时性要求高等问题。该信道分配策略通过从切换业务的优先级出发以及与分析混合多业务的QoS特点相结合来划分优先级，为各类分配特定信道，并且对高优先级业务赋予抢占低优先级业务的权限，从而达到增加信道利用率的目的，均衡了大容量用户接入信道造成的压力。

Description

一种适用于低轨卫星网络的信道动态预留分配方法

技术领域

本发明涉及一种面向卫星网络通信系统的信道动态预留分配方法，具体是一种适用于低轨卫星移动通信网络结构中面向混合多业务应用的信道动态预留分配策略，属于卫星通信技术领域。

背景技术

地面蜂窝移动通信系统的通信离不开地面基站，其通信范围受到地面因素的限制。随着科技的不断进步和通信技术的快速发展，人们对通信质量和通信覆盖范围也提出了更高的要求。卫星通信的发展使得全球无缝连接通信成为可能。自二十世纪六十年代卫星被用于提供无线通信服务以来，卫星通信在通信领域中的地位不断提高，极大地扩展了陆地移动通信系统地理覆盖和业务覆盖的范围，可以为空中、海面和复杂地理结构这些地面蜂窝移动通信系统覆盖受限的区域内的各种移动终端提供服务。不难预测，二十一世纪卫星通信在社会进步和人类文明方面将发挥其更加重要的作用，特别是卫星通信在自然灾害预测、预防和军事应用中有着不可估量的前景。

在复杂的、高实时性的军事应用场景中，存在大量用户并发接入的情况。卫星通信网络在当今的军事通信中发挥着举足轻重的作用，其覆盖范围广、接入灵活，在当代战争中担负着连接战略网与战术网以及连接战术网与战术网的重要使命。但由于目前技术和成本的限制，卫星通信网络提供的信道资源尚不能与地面固定网络相比，因此对于卫星通信网来说，一个关键的问题就是在有限的信道资源下如何为尽可能多的用户提供比较可靠的服务。

信道分配问题是无线资源管理中的重要组成部分，是一种保证服务质量和信道利用率的重要机制。在高动态的卫星通信网络环境下，用来保障小区间切换呼叫的续接以及决定是否允许一个新呼叫的接入。接受或拒绝一个切换呼叫或新呼叫需考虑如下因素：(1)、是否有足够信道资源保证切换呼叫服务质量。(2)、尽可能满足新呼叫的服务要求。如果不能满足呼叫用户的请求，呼叫请求将被阻塞。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种适用于低轨卫星网络的信道动态预留分配方法。在以低轨卫星作为接入方式的卫星通信网络环境中，由于低轨卫星高速运动所造成的地面移动终端频繁的切换，卫星资源有限以及混合多媒体业务实时性要求高等问题，可靠而合理的信道分配成为了解决诸多问题的关键。因此，有必要将这种信道动态预留分配技术引入到地面-低轨卫星这样结构的网络通信系统中，这样可以有效的降低切换阻塞率和新呼叫阻塞率，保证各业务的服务质量以及提高信道利用率。

技术方案：低轨卫星移动通信网络体系结构包含两层次：低轨卫星层和地面终端层，地面终端层包括各种用户终端（终端可以分为固定终端、移动终端，而移动终端又分为手持终端、车载终端、船载终端、机载终端等。）和管理站（信关站（也称为固定地球站FES）、网络控制中心（NCC）和卫星控制中心（SCC））。低轨卫星层之间固定的卫星星座构成，采用星际链路ISL或轨间链路IOL直接连接。其体系结构如图1所示。

用户在进行通信的初始阶段首先要发起呼叫请求，就是向低轨卫星所覆盖的卫星脚印下的某个覆盖终端的波束小区发出请求。当卫星收到该波束小区中的用户请求时，需要对该波束小区进行检测查询，查看该用户的业务请求是否有足够的信道资源为其分配。如果有资源则会为其按照相应的条件进行分配。当卫星收到来自其他波束小区的切换请求时，卫星同样对其业务类型进行判断，查询是否有足够资源，有则为其分配相应信道，无则阻塞或放入缓冲队列中。

适用于此低轨卫星移动通信网络结构中的信道分配策略是一种基于动态信道预留的信道分配策略。其基本原理是，按照目前3G通信系统中所承载的业务类型，将此卫星通信系统中的业务类型分为4类：实时（RT）会话业务、RT流、交互式尽力而为（BE）业务、后台BE业务，其3G业务类型及应用如下表所示。

实时（RT）会话业务对时延的要求最高，RT流次之，其余两种基本没有对时延的要求，对数据误码率要求很高，允许传输速率在较大的动态范围内变化。根据各类业务的特点，优先级按照如下顺序依次降低：实时（RT）会话业务、RT流、交互式尽力而为（BE）业务、后台BE业务。其中我们可以把实时（RT）会话业务、RT流定位为实时业务类型，而交互式尽力而为（BE）业务、后台BE业务定位为非实时业务类型。实时业务对非实时业务具有抢占权限，被抢占的业务将会被放入缓冲队列中等待调度。这样可以保证高优先级业务充分的QoS保障，另外我们定义实时切换业务的优先级要比新呼叫优先级高，而非实时切换业务与非实时新呼叫业务有相同的等级，其信道分配模型如图3所示。

具体信道分配策略为：假设波束小区总信道数为C，根据上述优先级的定义和QoS需求，系统为实时（RT）会话业务预留的信道数为W，为RT流业务预留信道数为S，其余业务则共享剩余信道，剩余信道数位V=C-S-W。根据前一小区的切换转移呼叫数量及本小区可能的新呼叫到达，在本小区为切换动态预留信道，即为实时会话业务与RT流业务分别预留信道，且设定控制周期，在控制周期结束时刻需要更新预留值。考虑预留信道的数量时，使用服务等级（GoS）来考察预留信道的算法是否良好，GoS的定义为：

GoS=P_bn+(α₀P_bsh+α₁P_brh)    （1）

P_bsh表示实时会话切换业务阻塞率，P_bn表示新呼叫阻塞率，P_brh表示RT流切换业务阻塞率。其中实时会话切换业务阻塞率等于单位时间内实时会话切换业务被阻塞的数量与单位时间内到达的实时会话切换业务的比值。RT流切换业务阻塞率等于单位时间内RT流切换业务被阻塞的数量与单位时间内到达的RT流切换业务数量的比值。新呼叫阻塞率等于单位时间内新呼叫被阻塞的数量与单位时间内总的到达数量的比值。α₀与α₁为业务的相对到达比例权重。

另外，设置一个大小为Q的非实时业务缓存队列。用于存储数据新呼叫。并且设定一个定时器Ta，当定时器定时结束时刻，在缓冲队列中的超时非实时业务请求会被转移到下一个小区。另外对于新呼叫设置一定的接受率，其求解如下公式：

$P_{\mathrm{ac}}=\mathrm{MAX}\{0,a_k[\frac{C-j}{C-N_{\mathrm{th}}}]+(1-a_k){\left[\cos \frac{2\mathrm{\π}(j-N_{\mathrm{th}})}{4(C-N_{\mathrm{th}})}\right]}^{\frac{1}{2}}---\left(2\right)$

其中，a_k（k=1,2）分别表示实时和非实时业务的移动性。C表示某类业务分配的最大信道数。N_th表示为某类业务分配的最小信道数。本小区对新呼叫设定一个接入门限值R，当通话结束概率P小于门限值R时以接入概率P_ac接入，大于门限值时完全接入。通话结束概率P可由如下求出：

$P=p\{T<X/V_S\}=1-e^{-\mathrm{\&mu;X}/V_S}---\left(3\right)$

式中X表示距离小区边缘的距离，Vs表示卫星移动速度。

当实时会话切换呼叫到达时，首先判断是预留信道中是否有资源，有则为其分配资源，在特殊情况下假如没有资源则可以抢占非实时业务资源，并将非实时业务放入缓冲队列中。若为RT流切换业务，判断其信道是否满足条件，满足接入，不满足则抢占非实时业务信道。对于除上述两种业务以外的剩余业务则共同使用共享信道。首先要判断其接入阻塞的概率，再判断是否有足够的公共空闲信道，若无足够的空闲空间，如果为优先级新呼叫则判断其通话结束门限是否符合条件，符合条件则可以抢占非实时业务信道；否则直接进入缓冲队列等待被调度或转移。若有足够空闲信道，其通话结束概率小于门限以概率P_ac分配信道，如果大于门限则完全分配信道。

一、体系结构

基于本发明的低轨卫星移动通信网络是由地面层、低轨卫星层两部分组成，如图1所示。

地面层由三个主要部分构成：信关站（也称为固定地球站FES）、网络控制中心（NCC）和卫星控制中心（SCC）。

低轨卫星层：以卫星星座为主体，由一个或多个卫星星座构成，卫星采用星际链路ISL或轨间链路IOL直接连接。

低轨卫星移动模型如图2所示。

二、方法流程

适用于低轨卫星网络的信道动态预留分配方法能有效的降低切换阻塞率和新呼叫阻塞率，保证各业务的服务质量以及提高信道利用率，具体如下：

当卫星波束小区中的用户申请卫星信道时，要进行如下步骤：

1）信道预留控制过程

步骤1：在控制周期起始时刻，小区如果没有前继小区即按固定信道预留算法预留固定数目信道，为实时RT会话业务预留信道数为N₀，实时RT流切换业务预留信道数为N₁，N₀、N₁为提前设定，如果不符合当前要求转入步骤2；

步骤2：小区如果有前继小区，在控制周期T起始时刻，把实时RT流切换业务预留信道数S与实时RT会话业务预留信道数W的可能取值分别代入公式计算，并且查找使服务等级GoS的估计值GoS′最小的S、W的值，并将在控制周期T起始时刻内更新预留信道数；

步骤3：计算所有业务的新呼叫接入概率P_ac；

2）信道分配具体过程

步骤1：判断接入呼叫的类型，若为切换呼叫转入步骤6，若为新呼叫转入步骤2；

步骤2：计算该呼叫通话结束概率P，如果小区的共享信道未被占满，则转入步骤5，否则转入步骤3；

步骤3：若当前小区信道被占满，如果呼叫为剩余业务即除实时会话切换业务、RT切换业务以外的所有业务，则将被放入缓冲队列中，等待被调度或者转移，若缓冲队列已满则阻塞；若为优先级业务，则转入步骤4；

步骤4：若通话结束概率P大于门限R，抢占非实时业务占用的信道，并把抢占的非实时业务放入缓冲队列中，等待被调度，或者被转移，如果缓冲队列已满则阻塞；若通话结束概率P小于门限R，则呼叫阻塞；

步骤5：若通话结束概率P<=门限R，则以概率P_ac接入，若接入不成功则阻塞；若通话结束概率P>门限R，则完全接入；

步骤6：首先判断切换呼叫的类型，若为实时会话切换呼叫或者RT流切换呼叫，判断信道是否空闲，有空闲则接入，无空闲则抢占共享信道中非实时低级业务的信道；被抢占的业务放入缓冲队列，放入缓冲队列中，等待被调度，或者被转移，如果缓冲队列已满则阻塞；

步骤7：如果无可抢占信道，则阻塞该呼叫。

信道分配具体过程具体流程图如图5所示。

有益效果：本发明提供了一种适用于低轨卫星移动通信网络结构中面向混合多业务应用的信道动态预留分配技术。可以有效的解决以低轨卫星作为接入方式的卫星通信网络环境中，由于低轨卫星高速运动所造成的地面移动终端频繁的切换，卫星资源有限以及混合多媒体业务实时性要求高所带来的问题，有效的降低切换阻塞率和新呼叫阻塞率，保证各业务的服务质量以及提高信道利用率。

根据所划分的业务等级，以及信道分配时动态更新预留信道数，可以有效的保证高优先级业务的信道利用，另外对低优先级业务也在合理的范围内兼顾其服务质量及信道利用。总之，该策略能够合理的利用有限信道资源，为尽可能多的用户服务，提高资源利用率，保证用户业务的服务质量。

附图说明

图1是低轨卫星移动通信网络结构模型图，包括地面层、低轨卫星层。

图2是低轨卫星移动模型图。

图3是包含缓冲队列的综合切换业务及3G业务的预留信道分配图。

图4是适用于低轨卫星通信网络结构中面向混合多业务应用的信道动态预留控制流程图。

图5是适用于低轨卫星通信网络结构中面向混合多业务应用的信道动态预留分配策略具体流程图。

具体实施方式

为了方便描述，我们假定有如下应用实例，如图1所示：系统包括低轨卫星（采用铱星系统）和若干地面终端，其中每个低轨卫星都由卫星地面控制中心控制，每个低轨卫星覆盖范围内的卫星脚印中都有若干波束小区。

当卫星波束小区中的用户申请卫星信道时，要进行如下步骤：

1、信道预留控制过程

步骤1：在控制周期起始时刻，小区如果没有前继小区即按固定信道预留算法预留固定数目信道，为实时（RT）会话业务预留信道数为N₀，RT流切换业务预留信道数为N₁(N₀、N₁为提前设定)。如果不符合当前要求转入步骤2。

步骤2：小区如果有前继小区，在控制周期T起始时刻，把RT流切换业务预留信道数S与实时（RT）会话业务预留信道数W的可能取值分别代入公式计算，并且查找使服务等级（GoS）的估计值GoS′最小的S、W的值，并将在控制周期T起始时刻内更新预留信道数。

步骤3：计算所有业务的新呼叫接入概率P_ac。

2、信道分配具体过程

步骤1：判断接入呼叫的类型，若为切换呼叫转入步骤6，若为新呼叫转入步骤2。

步骤2：计算该呼叫通话结束概率P。如果小区的共享信道未被占满，则转入步骤5，否则转入步骤3。

步骤3：若当前小区信道被占满，如果呼叫为剩余业务（除实时会话切换业务、RT切换业务以外的所有业务）则将被放入缓冲队列中，等待被调度或者转移，若缓冲队列已满则阻塞。若为优先级业务，则转入步骤4。

步骤4：若通话结束概率P大于门限R，可以抢占非实时业务占用的信道，并把抢占的非实时业务放入缓冲队列中，等待被调度，或者被转移，如果缓冲队列已满则阻塞。若通话结束概率P小于门限R，则呼叫阻塞。

步骤5：若通话结束概率P<=门限R，则以概率P_ac接入，若接入不成功则阻塞；若通话结束概率P>门限R，则完全接入。

步骤6：首先判断切换呼叫的类型，若为实时会话切换呼叫或者RT流切换呼叫，判断信道是否空闲，有空闲则接入，无空闲则抢占共享信道中非实时低级业务的信道。被抢占的业务放入缓冲队列，放入缓冲队列中，等待被调度，或者被转移，如果缓冲队列已满则阻塞。

步骤7：如果无可抢占信道，则阻塞该呼叫。

Claims (1)

1.一种适用于低轨卫星网络的信道动态预留分配方法，其特征在于该方法能有效的降低切换阻塞率和新呼叫阻塞率，保证各业务的服务质量以及提高信道利用率，具体如下：

当卫星波束小区中的用户申请卫星信道时，要进行如下步骤：

1)信道预留控制过程

步骤1：在控制周期起始时刻，如果当前小区没有前继小区，则按固定信道预留算法预留固定数目的信道；为实时RT会话业务预留信道数为N₀，实时RT流切换业务预留信道数为N₁，N₀、N₁为提前设定，如果不符合当前要求转入步骤2；

步骤2：小区如果有前继小区，在控制周期T起始时刻，把实时RT流切换业务预留信道数S与实时RT会话业务预留信道数W的可能取值分别代入公式(1)计算，并且查找使服务等级GoS的估计值GoS′最小的S、W的值，并将在控制周期T起始时刻内更新预留信道数；

GoS＝P_bn+(α₀P_bsh+α₁P_brh)          (1)

P_bsh表示实时会话切换业务阻塞率，P_bn表示新呼叫阻塞率，P_brh表示RT流切换业务阻塞率，α₀与α₁为业务的相对到达比例权重；

步骤3：计算所有业务的新呼叫接入概率P_ac；

2)信道分配具体过程

步骤1：判断接入呼叫的类型，若为切换呼叫转入步骤6，若为新呼叫转入步骤2；

步骤2：计算该呼叫通话结束概率P，如果小区的共享信道未被占满，则转入步骤5，否则转入步骤3；

步骤3：若当前小区信道被占满，如果呼叫为剩余业务即除实时会话切换业务、RT切换业务以外的所有业务，则将该呼叫放入缓冲队列中，等待被调度或者转移，若缓冲队列已满则阻塞该呼叫；若为优先级业务，则转入步骤4；

步骤4：若通话结束概率P大于门限R，则抢占非实时业务占用的信道，并把抢占的非实时业务放入缓冲队列中，等待被调度，或者被转移，如果缓冲队列已满则阻塞该呼叫；若通话结束概率P小于门限R，则不抢占非实时业务占用的信道，呼叫阻塞；

步骤5：若通话结束概率P<＝门限R，则以概率P_ac接入，若接入不成功则阻塞；若通话结束概率P>门限R，则完全接入；

步骤6：首先判断切换呼叫的类型，若为实时会话切换呼叫或者RT流切换呼叫，判断信道是否空闲，有空闲则接入，无空闲则抢占共享信道中非实时低级业务的信道；被抢占的业务放入缓冲队列中，等待被调度，或者被转移，如果缓冲队列已满则阻塞该呼叫；若没有抢占共享信道中非实时低级业务的信道就阻塞。