一種基于TCRA的低軌星座通信系統(tǒng)的強(qiáng)占預(yù)留信道策略

在低軌(LEO)星座衛(wèi)星通信中，目前已有的信道分配策略一般強(qiáng)調(diào)具有較低的切換失敗概率，以保證正在通話的呼叫的服務(wù)質(zhì)量。信道預(yù)留策略是降低呼叫切換失敗概率的有效方法之一[1]。其中，基于時(shí)間的信道預(yù)留算法(TCRA)[2]提前一個(gè)小區(qū)為切換呼叫預(yù)留信道，可以實(shí)現(xiàn)零切換失敗。但該策略導(dǎo)致了較高的新呼叫阻塞概率，造成了信道資源利用率的降低。參考文獻(xiàn)[3]提出了超額預(yù)留的基于時(shí)間信道預(yù)留算法(TCRA-O)，它假設(shè)在每個(gè)小區(qū)固定分配C個(gè)信道的基礎(chǔ)上，還存在S個(gè)虛擬信道。這種做法也提高了信道利用率，但并未考慮用戶的位置信息，造成了一些不必要的切換失敗。參考文獻(xiàn)[4]中，算法的預(yù)留信道的數(shù)量考慮了用戶位置信息和呼叫已經(jīng)歷的時(shí)長(zhǎng),但在呼叫持續(xù)時(shí)長(zhǎng)服從負(fù)指數(shù)分布的模型中，該策略不夠準(zhǔn)確。
　　本文提出一種基于TCRA的強(qiáng)占預(yù)留信道策略，它在TCRA的基礎(chǔ)上，有效地利用了用戶的地理位置信息。該策略本著少影響甚至不影響正在通話用戶的服務(wù)質(zhì)量的原則，盡量接受具有小切換失敗風(fēng)險(xiǎn)的新呼叫請(qǐng)求，提高了系統(tǒng)的資源利用率。
1 基于時(shí)間的信道預(yù)留算法(TCRA)
1．1 移動(dòng)性模型
　　目前已提出很多適用于LEO星座通信系統(tǒng)仿真分析的移動(dòng)性模型[4-5]，本文采用圖1中所描述的一維移動(dòng)性模型[4]。其中，A-G為衛(wèi)星多波束天線在地面上形成的彼此相連的方形小區(qū)。假設(shè)這些方形小區(qū)固定不動(dòng)，小區(qū)中所有用戶以相同的速度沿著與衛(wèi)星相反的方向運(yùn)動(dòng)，速度大小與衛(wèi)星星下點(diǎn)速度相等。模型假設(shè)用戶配置有定位系統(tǒng)，則在呼叫開(kāi)始時(shí)用戶的位置就被確定。對(duì)于明確了移動(dòng)速度、方向和位置的用戶，其即將穿越的下一小區(qū)和切換的時(shí)間是可以預(yù)測(cè)的。
1．2 TCRA-1
　　TCRA是一種有效的信道預(yù)留策略，它要求只有當(dāng)系統(tǒng)能夠提前一個(gè)小區(qū)為新到達(dá)用戶預(yù)留信道時(shí)，才接受此新呼叫請(qǐng)求。TCRA-1是明確用戶確切位置信息模式下的TCRA策略，下面是TCRA-1的具體實(shí)施過(guò)程：

呼叫建立階段：在呼叫建立時(shí)間Tsetup，一個(gè)用戶U要求一個(gè)新呼叫連接。系統(tǒng)向用戶呼叫發(fā)起的源小區(qū)C0和第一個(gè)穿越的小區(qū)C1發(fā)送一個(gè)信道預(yù)留請(qǐng)求，分別在兩小區(qū)時(shí)間間隔[Tsetup, Tsetup+T0+σt]和[Tsetup+T0－σt, Tsetup+T0+T1＋σt]中預(yù)留一個(gè)信道。其中，T0和T1分別為用戶在源小區(qū)和穿越小區(qū)中的駐留時(shí)間，σt為事先設(shè)定的一個(gè)允許的錯(cuò)誤差量。如果兩個(gè)請(qǐng)求都能被滿足，則呼叫請(qǐng)求被接受。
　　每個(gè)切換階段：當(dāng)一個(gè)正在通話用戶完成從Ci至Ci＋1的一次切換，系統(tǒng)將Ci＋1中為其預(yù)留的信道分配給此用戶，釋放Ci中信道，并向Ci＋2發(fā)出一個(gè)新請(qǐng)求，在Ci＋2中時(shí)間間隔[THOi+T1－σt，THOi+2T1+σt]內(nèi)為用戶預(yù)留一個(gè)信道。其中，THOi為用戶在Ci中發(fā)生切換的時(shí)間。
　　呼叫終止階段：當(dāng)用戶在Ci中終止呼叫時(shí)，它會(huì)釋放當(dāng)前占用的信道，并向Ci＋1發(fā)送取消預(yù)留信道的命令。
此策略能夠保證用戶在其通話持續(xù)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生切換失敗，原理在參考文獻(xiàn)[2]中已被說(shuō)明，在此不再闡述。
2 基于TCRA的一種強(qiáng)占預(yù)留信道策略
2．1 算法原理
　　雖然TCRA策略保證了切換失敗率為零，但造成了系統(tǒng)容量的浪費(fèi)，下面說(shuō)明這一問(wèn)題。
如圖2，假設(shè)每小區(qū)有2個(gè)可用信道，3個(gè)相連的小區(qū)（Cl、Cl+1 和Cl+2）中對(duì)應(yīng)的位置分別有3個(gè)正在通話用戶（用戶1、用戶2和用戶3）。圖3為用戶在相應(yīng)小區(qū)中相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的信道使用和預(yù)留情況，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表相應(yīng)小區(qū)及相應(yīng)信道。t0時(shí)刻處于Cl+1的用戶U向系統(tǒng)發(fā)出新呼叫請(qǐng)求，雖然此時(shí)小區(qū)Cl+1存在未被使用的信道，但根據(jù)TCRA-1，系統(tǒng)在[t1，t3]已經(jīng)為用戶1預(yù)留信道，無(wú)法在[t0，t2]為用戶U進(jìn)行正常的信道預(yù)留，因此系統(tǒng)拒絕用戶U的新呼叫請(qǐng)求。分析此情況，如果在用戶1到達(dá)Cl+1小區(qū)之前，即[t0，t1]間，用戶1、用戶2和用戶U三者中任意一個(gè)用戶結(jié)束其通話，則即使系統(tǒng)接受用戶U占用為用戶1預(yù)留信道的請(qǐng)求，也不造成系統(tǒng)的切換失敗。TCRA的預(yù)留策略沒(méi)能充分利用系統(tǒng)容量，造成了資源的浪費(fèi)。以此類(lèi)推，如果系統(tǒng)信道容量增大至20甚至更高，此類(lèi)資源浪費(fèi)的現(xiàn)象將更加嚴(yán)重。

基于TCRA的強(qiáng)占預(yù)留信道策略是基于TCRA-1的改進(jìn)，其基本思想如下：t0時(shí)刻，一個(gè)新呼叫用戶向系統(tǒng)發(fā)出使用本小區(qū)信道的請(qǐng)求，如果在其駐留本地小區(qū)時(shí)間內(nèi)所有信道都有被預(yù)留的記錄，假設(shè)系統(tǒng)接受此新呼叫，根據(jù)目前正在通話用戶的位置信息，預(yù)測(cè)最壞情況(即使用和預(yù)留本小區(qū)信道的所有用戶一直保持通話)下，造成用戶切換呼叫掉話的時(shí)間t1，記Δτ＝t1－t0。如果Δτ大于某時(shí)間門(mén)限值ΔT，則認(rèn)為占用或預(yù)留本小區(qū)信道的用戶在時(shí)間間隔[t0，t1]內(nèi)結(jié)束呼叫的可能性較大。此時(shí)，只要系統(tǒng)能夠在下一小區(qū)相應(yīng)的時(shí)間間隔內(nèi)為新呼叫預(yù)留信道，則接受用戶U的新呼叫請(qǐng)求。否則，拒絕此次新呼叫請(qǐng)求。這樣的策略增加了新呼叫請(qǐng)求的成功數(shù)量，進(jìn)而更加有效地利用了系統(tǒng)的信道資源?！ˇ的大小由業(yè)務(wù)模型的選取和服務(wù)質(zhì)量的定義共同決定。下面推導(dǎo)合適的時(shí)間門(mén)限值ΔT。
　　假設(shè)呼叫持續(xù)時(shí)間滿足均值為T(mén)m的負(fù)指數(shù)分布，則呼叫持續(xù)時(shí)間分布概率密度p(t)為：

負(fù)指數(shù)分布的無(wú)記憶特性，決定了對(duì)于呼叫持續(xù)時(shí)長(zhǎng)遵循此分布的正在通話用戶，它的呼叫結(jié)束時(shí)間不受其已經(jīng)歷通話時(shí)長(zhǎng)的影響。設(shè)已經(jīng)歷通話時(shí)長(zhǎng)T1的正在通話用戶在T1+Δτ時(shí)刻以后呼叫結(jié)束的概率為Po，則：

由于通話用戶間的呼叫持續(xù)時(shí)長(zhǎng)相互獨(dú)立，則n個(gè)活動(dòng)用戶繼續(xù)保持通話時(shí)間大于Δτ的概率Po(n)為：
　　

由此可以認(rèn)為：在所有信道都被用戶使用或是預(yù)留的信道容量為C的小區(qū)中，T0時(shí)刻一個(gè)新呼叫到達(dá)，如果系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)到接受此次新呼叫在T0＋Δτ時(shí)刻存在切換失敗的可能，那么采取強(qiáng)占預(yù)留策略允許此新呼叫接入，將導(dǎo)致系統(tǒng)切換失敗的概率為Po(C+1)。
　　參考文獻(xiàn)[6]推導(dǎo)得到，在由方形小區(qū)組成的一維移動(dòng)性模型中，如果新呼叫阻塞概率Pn和切換失敗概率Ph都為0，則系統(tǒng)中每次呼叫需要經(jīng)歷的平均切換次數(shù)nk為：

其中，Vsat為低軌衛(wèi)星的星下點(diǎn)移動(dòng)速度，R為方形小區(qū)長(zhǎng)度。
　　服務(wù)等級(jí)（GoS）是反映QoS的一個(gè)重要指標(biāo)，它由新呼叫阻塞概率和切換失敗概率決定[6]：

其中，k>1，是新呼叫與切換呼叫GoS之間的平衡因子，在一些文獻(xiàn)中通常取10。服務(wù)等級(jí)越低，通信質(zhì)量越好，說(shuō)明信道分配策略越好；切換失敗概率對(duì)于服務(wù)等級(jí)的影響是新呼叫阻塞概率對(duì)其影響的k倍。
為保證改進(jìn)的策略具有更好的QoS，要求改進(jìn)策略的GoS更低，結(jié)合GoS定義可得：

其中，Pn2和Ph2分別為策略改進(jìn)后系統(tǒng)產(chǎn)生的新呼叫阻塞概率和切換失敗概率；Pn1和Ph1分別為原策略產(chǎn)生的新呼叫阻塞概率和切換失敗概率。為更清楚地表述算法，本文將相應(yīng)的呼叫統(tǒng)計(jì)數(shù)量引入計(jì)算，(6)式即可表示為：

其中，Nnbi，Nni，Nhbi，Nhi分別為采取原策略(i＝1)和采取改進(jìn)策略(i=2)時(shí)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中產(chǎn)生的新呼叫阻塞數(shù)量、新呼叫數(shù)量、切換失敗數(shù)量、切換數(shù)量。可令Nn1和Nn2相等，記為：

本文采用的移動(dòng)性模型滿足參考文獻(xiàn)[6]提出的假設(shè)要求， 近似為0，根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，有：
　　

由式(7)、(8)、(9)，得到：

不等式左側(cè)分母表示新策略減少的新呼叫阻塞數(shù)量，即增加的新呼叫接入數(shù)量，分子表示新策略增加的切換失敗的數(shù)量。又有采用強(qiáng)占信道策略允許新呼叫接入所導(dǎo)致的切換失敗概率為Po(C+1)，則有：

這里稱(chēng)不等式(12)右側(cè)的時(shí)間門(mén)限為強(qiáng)占信道時(shí)間門(mén)限，用ΔT表示。只有滿足Δτ>ΔT，才能保證改進(jìn)的策略具有更好的服務(wù)質(zhì)量。
2．2 算法描述
　　在執(zhí)行基于TCRA的強(qiáng)占預(yù)留信道的信道分配策略時(shí)，首先根據(jù)實(shí)際低軌星座衛(wèi)星的移動(dòng)性參數(shù)、小區(qū)信道數(shù)量以及業(yè)務(wù)模型的相關(guān)參數(shù)，按(12)式計(jì)算強(qiáng)占信道時(shí)間門(mén)限ΔT。在一個(gè)呼叫的生命周期中主要執(zhí)行的算法如下：
　　新呼叫到達(dá)階段：當(dāng)T0時(shí)刻新呼叫發(fā)出信道請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)首先執(zhí)行TCRA-1策略，如果滿足此策略，系統(tǒng)分配給新呼叫一個(gè)合適的信道并實(shí)施預(yù)留，如果新用戶駐留本小區(qū)時(shí)間間隔內(nèi)所有信道都有被預(yù)留的記錄，則搜索最遲被預(yù)留的信道，假設(shè)其預(yù)留開(kāi)始時(shí)間為T(mén)1，則Δτ＝T1－T0。如果Δτ>ΔT且可在下一小區(qū)實(shí)施預(yù)留，則接受新呼叫請(qǐng)求；否則，新呼叫失?。蝗绻到y(tǒng)沒(méi)有空閑信道，也阻止新呼叫接入。
　　呼叫切換階段：切換后用戶使用事先系統(tǒng)為其預(yù)留的信道；系統(tǒng)預(yù)測(cè)未來(lái)切換的時(shí)刻，并且在未來(lái)小區(qū)中相應(yīng)的時(shí)間間隔內(nèi)預(yù)留一個(gè)信道。如果以上條件系統(tǒng)無(wú)法滿足，則此呼叫切換失敗，解除為其預(yù)留的信道。無(wú)論切換是否成功，此呼叫都釋放目前小區(qū)占用信道。
　　呼叫終止階段：當(dāng)用戶結(jié)束本次呼叫時(shí)，釋放目前小區(qū)占用的信道，解除下一小區(qū)相應(yīng)信道的預(yù)留請(qǐng)求。
3 仿真結(jié)果與分析
3．1仿真模型和基礎(chǔ)假設(shè)
　　本文中的仿真建立在7小區(qū)網(wǎng)絡(luò)模型之上進(jìn)行，如圖1。在7小區(qū)模型中用戶終端按照從小區(qū)A到小區(qū)G的順序切換， G中用戶的目的切換小區(qū)是A。7小區(qū)模型可以為仿真提供足夠的精度，且復(fù)雜度要低于采用98小區(qū)的模型[5]。
　　仿真中假設(shè)：模型中新呼叫到達(dá)時(shí)間服從泊松分布，小區(qū)中的新呼叫用戶出現(xiàn)位置服從均勻分布；用戶通話持續(xù)時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布，呼叫平均持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為180s；小區(qū)長(zhǎng)度為250km；衛(wèi)星星下點(diǎn)速度為27 000km/h；采用固定信道分配，每個(gè)小區(qū)平均分配20條信道；TCRA-1中的錯(cuò)誤差量σt取0；GoS平衡因子k取10；仿真時(shí)間為24h。
3．2 仿真結(jié)果
　　本文在固定信道分配的基礎(chǔ)上，分別采用了TCRA、基于TCRA的強(qiáng)占預(yù)留信道策略、預(yù)留信道數(shù)量為2和3的固定信道預(yù)留策略對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行仿真。對(duì)應(yīng)不同的業(yè)務(wù)量，對(duì)幾種策略的切換失敗概率、新呼叫阻塞概率和GoS三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行比較， 如圖4、圖5、圖6所示對(duì)比幾種策略，TCRA不產(chǎn)生切換失敗，這是此算法的優(yōu)勢(shì)，但其產(chǎn)生的新呼叫阻塞率較高；固定預(yù)留2個(gè)信道策略的切換失敗率最高；固定預(yù)留3個(gè)信道策略的新呼叫阻塞率最高；提出的新策略產(chǎn)生一定的切換失敗，但即使是在業(yè)務(wù)量為12愛(ài)爾蘭時(shí)切換失敗率也僅有7.7×10-4，在新呼叫阻塞概率方面，明顯優(yōu)于固定預(yù)留3個(gè)信道的預(yù)留策略和TCRA策略，對(duì)應(yīng)不同的業(yè)務(wù)量，策略幾乎都能比TCRA降低20％的新呼叫阻塞概率。幾種策略中，本文提出的新策略具有最低的GoS。綜上，與TCRA和兩種固定信道預(yù)留策略相比，新策略都具有更好的QoS，且能較好地利用系統(tǒng)的信道資源。

為進(jìn)一步提高低軌星座通信系統(tǒng)的信道利用率，本文提出了基于TCRA的強(qiáng)占預(yù)留信道的信道分配策略。該策略有效利用了呼叫時(shí)長(zhǎng)負(fù)指數(shù)分布模型的無(wú)記憶特性，考慮了通話服務(wù)質(zhì)量的要求，在允許少量切換失敗的情況下，較大幅度地提升了信道利用率。通過(guò)仿真，在切換和新呼叫兩方面性能上對(duì)該策略與TCRA算法和固定信道預(yù)留算法進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明，該策略是一種既保證通話QoS、又能進(jìn)一步充分利用信道資源的低軌星座通信系統(tǒng)信道分配策略。