CN108964814A - 一种低轨卫星通信系统的信道切换方法 - Google Patents

一种低轨卫星通信系统的信道切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于卫星移动通信领域，提供了一种低轨卫星通信系统的信道切换方法。该方法包括：在卫星的各波束中预留切换专用信道；预留的信道数动态变化，若波束中切换呼叫拥塞概率增加，增加切换专用的预留信道，若波束中原始呼叫拥塞率增加，减少切换专用的预留信道，保持切换拥塞概率和原始呼叫拥塞概率成比例；原始呼叫发起前，在目标波束中预留所需的切换专用信道；预留成功后，可在当前波束下接入呼叫。其有益效果是：在保证正在进行的呼叫不会发生切换失败的同时，也保证了原始呼叫和切换呼叫之间的公平性，卫星能够自适应根据用户流量变化调整信道。

Description

一种低轨卫星通信系统的信道切换方法
技术领域
本发明属于卫星通信领域，具体为低轨卫星通信系统的信道切换方法。
背景技术
在卫星移动通信系统中，处于卫星覆盖区内的所有地球站都能访问卫星，但是由于通信卫星的频率和功率资源比较宝贵，这些资源都是由系统中的所有用户共享，因此，必须要控制地球站对卫星的访问，这就是信道分配方式研究的问题。
卫星通常配备多波束天线，卫星的一个波束覆盖区就相当于地面系统中的一个蜂窝小区，只是卫星波束覆盖区的直径在几百至几千公里，要远大于地面蜂窝小区的直径。由于卫星和用户都可能是移动的，在用户的通信过程中很可能会发生用户从一个波束覆盖区进入另一个波束覆盖区的情形。为确保通信不中断，系统必须能在该用户穿过相邻波束覆盖区边界时，自动为其在新的波束中分配一条信道并完成响应的接续控制，然后收回在原来波束中使用的信道和停止接续控制，这就是切换需要研究的问题。
切换和信道分配是紧密结合的两个问题，所谓信道分配是在用户发起呼叫时需要系统为其初始分配一个信道的过程，通常只涉及到一个波束；而在用户通信过程中，由于原先分配的信道无法再使用而需要系统为其重新分配一条信道并收回原先分配的信道的过程称为切换，通常涉及到两个或多个波束。可见，信道分配是切换的基础，但切换不仅仅涉及信道切换，还涉及接续控制等其他一些内容。
不同的系统使用不同的策略来处理切换请求。大致分为无优先权策略和优先权策略两大类。优先权切换策略可分为切换排队策略和信道预留策略。
无优先权方案不区分新增连接和切换连接，只要有足够的资源，发出请求的连接就可以得到服务。这种方案没有体现切换连接的优先级高于新增连接的优先级，所以一般不被采用。
对于切换排队策略，它也不能保证强迫中断的概率为零，而且其性能受卫星速度、重叠区域的大小、呼叫到达率以及信号传播条件的影响。当卫星速度太高，呼叫到达率很高或者重叠区域相对很小，则将会导致比较大的切换阻塞率，切换排队策略的性能改善不大。
传统保护信道方案在切换呼叫阻塞率和呼叫服务等级上具有很大的优势，它所采用的信道锁定机制虽比较简便，但是由于被锁定的信道仅能被占有者使用，当占有者当前不传送信息时，其他用户仍不能使用该信道，这样信道利用率就很低，同时，保护信道用户持有的过度优先权使原始呼叫阻塞率很高。
发明内容
针对保护信道方案对切换用户赋予过度优先权，导致原始呼叫和切换呼叫用户公平性不能保证的问题，提出了一个公平性的动态信道预留方案。
具体步骤如下：
步骤一，设定信道切换的场景，建立低轨卫星通信系统的模型。假设低轨卫星是具有多个点波束的通信系统，每个波束下的信道数、业务类型一致，每个波束下的用户发起原始呼叫和切换呼叫的到达服从泊松分布，相应的到达时间间隔服从到达率为λn和λh的负指数分布。原始呼叫和切换呼叫在每个波束内的信道占用时间服从负指数分布。每个波束分割成A和B两个区域，区域A是远离小区切换边界的区域，区域B是靠近小区切换边界的区域。
步骤二，在卫星的各波束中为将信道分为切换专用信道和公用信道两部分，设每个波束的信道数为C，专用信道的阈值设为CH，0到CH之间的信道被切换呼叫用户占用，CH到C之间的信道被原始呼叫用户和切换呼叫用户竞争占用。
步骤三，动态分配切换专用信道和公用信道，当原始呼叫发起概率fn大于原始呼叫发起概率的阈值Tn，信道阈值CH减少一个步长tn。当切换呼叫发起概率fh大于切换呼叫发起概率的阈值Th，信道阈值CH增加一个步长th。
步骤四，在源波束Bi中有用户发起呼叫请求，判断该呼叫请求是原始呼叫用户请求还是切换呼叫用户请求，如果是原始呼叫用户请求，进入步骤五，否则，进入步骤六；
步骤五，波束小区Bi对原始呼叫用户请求进行信道分配处理，决定是否将该新呼叫请求接入，具体步骤如下：
步骤5-1，系统在接收到原始呼叫用户请求接入波束小区Bi后，首先判断源波束Bi中是否存在空闲信道，如果是，进入步骤5-2；否则，将该原始呼叫请求阻塞；
步骤5-2，判断相邻的目标波束Bi+1中是否存在空闲信道，如果是，则为该原始呼叫用户在切换的目标波束Bi+1中进行信道预留，并在源波束Bi中接入该呼叫请求。否则，进入步骤5-3；
步骤5-3，判断该原始呼叫用户的位置分布是否为源波束Bi的区域A，如果是，进入步骤5-4；否则该原始呼叫请求阻塞；
步骤5-4，该原始呼叫请求进入目标波束Bi+1的切换排队序列，并在源波束Bi中接入；
步骤六，在目标波束Bi收到源波束Bi-1的切换呼叫请求，且用户位置是波束Bi-1的B区域时，判断相邻的波束Bi中是否存在空闲信道，如果是，则为该切换呼叫用户在切换的波束Bi中进行信道预留；否则进入步骤七；
步骤七，该切换呼叫用户进入目标波束Bi的切换排队序列，若切换呼叫请求即将移出波束Bi-1的切换缓冲区B而仍未能被分配信道，则此切换呼叫请求将被强制丢弃。
本发明的有益效果为：
1.本发明综合考虑原始呼叫和切换呼叫之间的公平性和优先级问题，提出了一个公平性的动态信道预留方案。它使系统能在变化负载的情况下自调节，可以平滑业务量变化时导致的呼叫阻塞率的突变，保证了两种呼叫的优先级和公平性。
2.排队策略与预留策略的结合，进一步降低了原始呼叫和切换呼叫的阻塞率，使得服务等级和信道利用率都有明显提升，获取更好的系统性能。
附图说明
图1本发明波束覆盖区域模型；
图2本发明原始呼叫信道分配策略；
图3本发明切换呼叫信道分配策略；
具体实施方法
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
本发明一种低轨卫星通信系统的信道切换方法，在保证正在进行的呼叫不会发生切换失败的同时，也保证了原始呼叫和切换呼叫之间的公平性，卫星能够自适应根据用户流量变化调整信道，包括以下步骤。
步骤一，设定信道切换的场景，建立用户移动模型，并给出一些基本假设：
(1)用户与卫星的相对运动是匀速直线运动；
(2)假设低轨卫星是具有多个点波束的通信系统，每个波束分割成A和B两个区域，区域A是远离小区切换边界的区域，区域B是靠近小区切换边界的区域。如图1所示。
(3)每个波束下的信道数、业务类型一致；
(3)每个波束下的用户发起原始呼叫和切换呼叫的到达服从泊松分布，相应的到达时间间隔服从到达率为λn和λh的负指数分布。
(4)原始呼叫和切换呼叫在每个波束内的信道占用时间服从负指数分布。
步骤二，计算用户在波束区域中(x,y)处发起呼叫的概率，其中y∈[-R，R]，r表示在y处半径R的小区的水平方向长度。r分两部分，一部分是区域A的水平长度r1，另一部分是区域B的水平长度r2。则用户在波束区域中(x,y)处发起原始呼叫的概率为fn：
用户在波束区域中(x,y)处发起切换呼叫的概率为fh：
其中
步骤三，在卫星的各波束中为将信道分为切换专用信道和公用信道两部分，设每个波束的信道数为C，专用信道的阈值设为CH，0到CH之间的信道被切换呼叫用户占用，CH到C之间的信道被原始呼叫用户和切换呼叫用户竞争占用。当波束中空闲信道数少于CH时，原始呼叫无法接通，原始拥塞概率Pfn为
当波束内所有信道都处于忙状态时，切换请求将被丢弃，切换拥塞概率Pfh为
Pfh＝PN
步骤四，根据步骤二计算的发起呼叫概率，动态分配切换专用信道和公用信道。当原始呼叫发起概率fn大于原始呼叫发起概率的阈值Tn，信道阈值CH减少一个步长tn。当切换呼叫发起概率fh大于切换呼叫发起概率的阈值Th，信道阈值CH增加一个步长th。原始呼叫导致CH减少的速率为
切换呼叫导致CH增加的速率为
当波束内达到动态平衡时，则有
以保证切换呼叫有更高优先级。
步骤五，波束小区Bi对原始呼叫用户请求进行信道分配处理，决定是否将该新呼叫请求接入，如图2所示，具体步骤如下：
步骤5-1，系统在接收到原始呼叫用户请求接入波束小区Bi后，首先判断源波束Bi中是否存在空闲信道，如果是，进入步骤5-2；否则，将该原始呼叫请求阻塞；
步骤5-2，判断相邻的目标波束Bi+1中是否存在空闲信道，如果是，则为该原始呼叫用户在切换的目标波束Bi+1中进行信道预留，并在源波束Bi中接入该呼叫请求。否则，进入步骤5-3；
步骤5-3，判断该原始呼叫用户的位置分布是否为源波束Bi的区域A，如果是，进入步骤5-4；否则该原始呼叫请求阻塞；
步骤5-4，该原始呼叫请求进入目标波束Bi+1的切换排队序列，并在源波束Bi中接入；
步骤六，波束小区Bi对切换呼叫用户请求进行信道分配处理，决定是否将该切换呼叫请求接入，如图3所示，具体步骤如下：
步骤6-1，在源波束Bi收到波束Bi-1的切换呼叫请求，且用户位置是波束Bi-1的B区域时，判断相邻的波束Bi中是否存在空闲信道，如果是，则为该切换呼叫用户在切换的波束Bi中进行信道预留；否则进入步骤6-2；
步骤6-2，该切换呼叫用户进入目标波束Bi+1的切换排队序列，若切换呼叫请求即将移出波束Bi-1的切换缓冲区B而仍未能被分配信道，则此切换呼叫请求将被强制丢弃。
本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下做出的与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (8)

1.一种低轨卫星通信系统的信道切换方法，其特征在于，所述方法包括：
设定信道切换的场景，建立低轨卫星通信系统的模型；在卫星的各波束中为将信道分为切换专用信道和公用信道两部分；
切换专用信道数根据该波束下的信息进行分配，动态调整切换专用信道数；
在源波束中的原始呼叫发起前，在目标波束中预留所需的切换专用信道；若目标波束中成功预留切换专用信道，该原始呼叫可以接入；若目标波束中预留切换专用信道不成功，该原始呼叫进入排队队列等待，等待超时后则丢弃该呼叫接入请求。
2.根据权利要求1所述的建立低轨卫星通信系统的模型，其特征在于:假设低轨卫星是具有多个点波束的通信系统，每个波束下的信道数、业务类型一致，每个波束下的用户发起原始呼叫和切换呼叫的到达服从泊松分布，相应的到达时间间隔服从到达率为λa和λb的负指数分布；原始呼叫和切换呼叫在每个波束内的信道占用时间服从负指数分布。
3.根据权利要求1所述的在卫星的各波束中为将信道分为切换专用信道和公用信道两部分，其特征在于：设每个波束的信道数为C，专用信道的阈值设为CH，0到CH之间的信道被切换专用信道占用，CH到C之间的信道被公用信道竞争占用。
4.根据权利要求1所述的切换专用信道数根据该波束下的信息进行分配，动态调整切换专用信道数，其特征在于：信息来源于切换呼叫阻塞计数和原始呼叫阻塞计数的关系。
5.根据权利要求4所述的切换呼叫阻塞计数和原始呼叫阻塞计数的关系，其特征在于：当原始呼叫阻塞计数器Sn大于原始呼叫阻塞计数器的阈值Tn，信道阈值CH减少一个步长tn；当切换呼叫阻塞计数Sh大于切换呼叫阻塞计数器的阈值Th，信道阈值CH增加一个步长th。
6.根据权利要求1所述的若目标波束中预留切换专用信道不成功，该原始呼叫进入排队队列等待，其特征在于：为切换呼叫增加一个排队队列，利用发生切换的两个点波束，投影在地面的两个相邻小区之间的重叠区域，减小由于缺少空闲信道而导致强迫中断的概率。
7.根据权利要求6所述的为切换呼叫增加一个排队队列，其特征在于定义一个切换缓冲区和一个排队门限；当切换用户的接收功率衰减到排队门限以下，且切换用户进入切换缓冲区时，该用户就向目标小区发起切换请求；如果目标小区内所有信道均处于忙状态，切换请求则进入队列排队。
8.根据权利要求1所述的等待超时后则丢弃该呼叫接入请求，其特征在于，当目标小区中任一信道释放时，处于队列首位的呼叫请求将自动获得信道，队列依次刷新；若呼叫请求即将移出切换缓冲区而仍未能被分配信道，则此呼叫请求将被强制丢弃。
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