低轨卫星通信网络中改进的综合加权接入算法

别玉霞，焦 栋，刘海燕

(大连大学a.辽宁省通信网络与信息处理重点实验室;b.信息工程学院，辽宁 大连 116622)

责任编辑:薛 京

随着全球通信技术的迅猛发展，基于地面网络的通信技术越来越不能满足用户大量的通信业务需求。由于卫星通信网络能够实现全球覆盖、灵活性好，能够为用户提供更宽的带宽以保证高速率的信息传输等优点，使得卫星通信网络成为发展的必然。低轨卫星的轨道高度比较低，信号的传播路径也比较短，传播过程中的信息损耗以及时延都比较小，可以更好地传输实时性业务，为实现个人通信提供了有利条件［1－3］。

由于低轨卫星的数目较多，多星覆盖率较高，用户终端可能被多颗卫星同时覆盖。比如全球星系统，双星覆盖率超过80%，双星以上的覆盖率也超过50%。在低轨卫星通信网络中，必须考虑呼叫接入问题，不仅包括新用户在本小区内建立新连接所涉及的呼叫接入，还包括相邻小区内切换过来的那部分呼叫请求的接入［4］。针对以上两种情况，需要对低轨卫星通信网络的接入算法进行研究。

1 现有的低轨卫星通信网络接入算法

针对低轨卫星通信网络的接入问题，很多文献都提出了相应的接入算法，包括最短距离接入算法、最长覆盖时间接入算法［5］、负载均衡接入算法、综合加权接入算法［6］。其中综合加权接入算法，对仰角、卫星覆盖时间、卫星空闲信道数进行了综合考虑，这也是目前应用比较多的接入算法。

1)最短距离接入算法:在该算法中，用户终端在任何时候都选择距离用户最近的卫星进行接入。这种算法相对比较简单，但是没有考虑大气中无线信号的传播情况以及无线链路中阴影效应等影响，因此这种算法的接入性能不佳，实用性不强。

2)最长覆盖时间接入算法:用户终端在任何时候都选择对其覆盖时间最长的卫星接入。这种算法能够最大程度地减少系统切换请求到达率，可以获得较低的强制中断率，但对于呼叫时间较短的用户，这种方案选择的卫星信号不是最好的。

3)负载均衡接入算法:该算法要求用户终端在任何情况下都选择空闲信道数最多的卫星进行接入，这样能够防止部分卫星过载，使整个卫星网络的负载趋于平衡，但该算法相对比较单一，同样没有考虑无线链路的通信质量状况。

4)综合加权接入算法:该算法综合考虑了仰角、覆盖时间、空闲信道数因素，其中覆盖时间和空闲信道数采用线性加权，仰角采用非线性加权。本文将这种算法称之为原始综合加权接入算法。计算公式为

式中:Ct代表目标性能函数;α代表卫星覆盖用户的时间加权系数;β代表卫星对用户仰角的加权系数;γ代表卫星的空闲信道加权系数，且α=β=γ=1;Tover为覆盖时间;Tmax为系统最大单星覆盖时间;θmin为系统的最小仰角;θ为系统仰角;Cfree为用户实时监测到的卫星剩余空闲信道数;Call为单颗卫星信道总数。该算法通过仰角因素来衡量无线链路实际的通信质量状况是不够的，虽然理论上尽可能选择仰角大的卫星接入，但在实际情况中由于无线链路阴影效应等影响，空间集合上仰角大的卫星并不一定能提供最好的通信质量，而且当仰角趋近最小时，卫星信道会出现严重恶化。

基于此，本文重点考虑无线链路的通信质量状况，将卫星覆盖时间、卫星空闲信道数、卫星接收信号的信噪比进行加权，提出了改进的综合加权接入算法。

2 改进的综合加权接入算法

在用户终端与低轨卫星通信网络接入时，无线链路的通信质量非常重要［7］，而接收信号的信噪比真正反映了无线链路的通信质量状况，信噪比大则链路质量好。本文提出的改进的综合加权接入算法，既保留了最长覆盖时间接入算法的优点，又保证了接入时基本的链路通信质量，同时还尽量使空间的通信业务量趋于均衡，避免了呼叫繁忙的部分卫星过载。

2.1 改进的综合加权接入算法

在低轨卫星通信网络的改进综合加权接入算法中，可以根据算法中涉及的参数来计算卫星的优先级。覆盖时间、空闲信道以及接收信号的信噪比均采用线性加权。现设定其目标函数为

式中:μ代表卫星接收信号信噪比的加权系数;S代表用户实时监测到的接收信号的信噪比，Smin代表信噪比阈值，Smax代表信噪比的最大值，且满足 Tover≤Tmax，Cfree≤Call，S≥Smin，C≥Cmin。

约束条件中S≥Smin是基本通信质量的保证，C≥Cmin是卫星有剩余空闲信道的保证。在满足约束条件的前提下，若用户实时监测接收到的卫星覆盖时间Tover越大，卫星接收信号的信噪比S越大，卫星剩余空闲信道数Cfree越多，则性能测度函数值越大。性能函数值越大，表明用户实时监测接收到的卫星覆盖时间、通信无线链路质量和卫星负荷这3个因素综合性能越好。加权系数调整使该策略更具灵活性，系统可以根据加权系数的调整从而使系统的接入性能达到更优。

2.2 参数的计算

设星座系统轨道倾角为i，轨道高度为h，S为卫星的星下点，M是地面用户节点，σ是卫星对地面的最大覆盖地心角，φ是卫星的最大半视角，则某时刻卫星对地面的覆盖区是以卫星与地心O的连线为轴线、半径等于地球半径R、球面角等于2σ的球帽区。设卫星在任一时刻t(t＞0)的星下点经度纬度(λs，ψs)，地面用户m的经纬度为(λm，ψm)，则用户与地心O、星下点S的地心角γ满足

用户被该卫星覆盖的时间Tover近似为

式中:V是卫星相对于地球的运动速度。

对于每颗卫星总的信道数以及剩余信道数可以进行实时的检测。

在对信噪比进行计算时，用户终端为发射端，卫星为接收端，设地球站有效全向辐射功率为EIRP，链路的传播损耗为LU，卫星转发器接收天线的增益为GRS，则卫星转发器接收机输入端的载噪比［8］为

式中:Ts为卫星转发器输入端等效噪声温度，BS为卫星转发器接收机带宽，k为常数，这些都是已知量。

根据载噪比和信噪比的关系

可以得出信噪比为

式中:R为比特传输速率;B为接收系统的等效带宽。

3 仿真实现和结果分析

参照典型的低轨卫星系统－Globalstar系统参数对改进的综合加权接入算法进行系统仿真分析，并与综合加权接入算法进行了比较。具体的仿真参数包括8个轨道平面，每个平面上有6颗卫星，轨道的高度为1 414 km，倾度52°，相邻轨道卫星相位差为7.5°，每颗卫星240个信道，Cmin=1，Cmax=240，建立全球非均匀用户呼叫模型，呼叫到达率均服从泊松分布，通话时间服从负指数分布，仿真过程记录了新呼叫阻塞率和强制中断率随呼叫到达率的变化关系。

由于误码率越小，信噪比越大。因此，卫星接收前端的信噪比采用误码率来衡量，仿真时设定误码率阈值为1×10－6。本文采用BPSK调制方式时，误码率Pe与信噪比的关系为

定义新呼叫阻塞概率Pb，强制中断概率Pth，其中Pb是指一个新发起的呼叫请求无法接入到卫星通信网络的概率，Pth是指已经成功接入卫星通信网络的呼叫在通话过程中发生通信中断的概率［9－10］，表示为

图1反映了新呼叫阻塞率与呼叫到达率变化的关系。仿真时选取5个参考点，业务量从每秒5个呼叫到每秒25个呼叫。

图1 新呼叫阻塞率

从图1可以看出随着呼叫到达率的增加，改进的综合加权接入算法在性能上要优于原始综合加权接入算法。当呼叫到达率低于10个/s时，由于新呼叫数目比较少，系统的负载也相对较轻，到达的每个呼叫基本上都能够接入到系统网络中，因而两种算法的新呼叫阻塞率都很低，随着呼叫到达率的进一步增加，两种算法的新呼叫阻塞率也呈现递增的趋势，这是因为系统的容量有限，系统将无法提供额外的空闲信道满足多余的新呼叫接入。由于原始综合加权接入算法考虑的仰角因素并不能真正反映无线链路的通信质量，而改进的综合加权接入算法考虑了信噪比因素，真正保证了无线链路的通信质量，可以为用户实时监测卫星接收信号的信噪比，即使卫星空闲信道数有限，但确保了呼叫的建立，增加了用户接入卫星的概率，因而新呼叫阻塞率降低。

图2反映了强制中断率和呼叫到达率的变化关系。

图2 强制中断率

从图2可以看出，当呼叫到达率低于10个/s时，系统的强制中断率非常低，这意味着成功接入到卫星网络的呼叫没有发生通话的中断，由于切换所造成的呼叫请求也相对较少。随着呼叫到达数目的不断增加，发生切换的概率也不断增大，切换过来的部分呼叫将继续选择合适的卫星接入，在信道资源有限的前提下，强制中断率必然随之增大。相比于原始的综合加权算法，改进的综合加权接入算法的强制中断率得到了明显的改善，这是因为改进的加权算法满足卫星的信噪比不小于信噪比阈值，保证用户的基本通信质量，强制中断率也相应降低。

4 结束语

本文将卫星覆盖时间、卫星空闲信道数以及卫星接收信号的信噪比进行了综合考虑，提出了一种改进的综合加权接入算法，对低轨卫星通信网络的新呼叫阻塞率和强制中断率进行了仿真分析，从仿真结果来看，改进的综合加权接入算法相比于原始的综合加权接入算法，新呼叫阻塞率、强制中断率都得到了明显的改善，通过适当的调整加权系数的值可以满足系统的不同需求，用户终端接入低轨卫星通信网络的有效性与可靠性得到有效提升。因此改进的综合加权接入算法既保留了原始的综合加权接入算法的优点，又保证了基本的无线链路通信质量，具有现实意义。

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