GMR-1卫星通信系统中基于判决的切换算法

2017-02-24吴广富姜玉洁赵为粮

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2017年1期

关键词：失败率波束链路

吴广富，姜玉洁，赵为粮

(重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065)

GMR-1卫星通信系统中基于判决的切换算法

吴广富，姜玉洁，赵为粮

(重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065)

在卫星移动通信系统中，卫星和用户都处于运动中，当用户穿越波束边界时需要进行切换。切换是卫星移动通信系统中重要的组成部分，切换算法的好坏直接影响移动通信质量。在无线资源受限的卫星移动通信系统中，不必要的切换会造成系统资源浪费。地面和卫星移动通信存在差异，地面移动通信系统中的越区切换算法在卫星移动通信网络中不再适用。针对现有波束切换算法在切换判决时没有考虑当前链路质量，提出一种基于判决的卫星波束切换算法。该算法根据当前链路质量动态地调整切换迟滞值参数的变化，并为不同速度的用户设置不同的切换触发时间。仿真结果表明，与现有的卫星点波束切换算法相比，所提算法能够合理地触发必须切换，避免不必要的切换，从而降低网络的乒乓切换和切换失败率。

GMR-1；卫星移动通信；切换算法；滞后余量；触发时间

0 引言

随着高速公路、高速铁路的快速发展以及飞机的普及，移动终端具有分布范围广，移动速度快，移动路径规律性强等特点。目前，无线移动通信系统很难满足相关性能要求，卫星通信系统具有波束覆盖范围大、建设速度快、节约地面资源，易于广播和多址通信等优势，因此利用移动卫星通信系统为高速移动终端提供通信业务是一个发展趋势。

由于广大边远及紧急救援地区地面蜂窝网所提供的服务受限，依靠地面网络不能够很好地给用户提供通信服务，此时卫星通信作为对地面网络的补充可为用户提供快捷的移动服务。高轨卫星(geostationary earth orbit, GEO)卫星相对于地面是静止的，然而由于用户具有一定的移动性，当用户移动到波束边缘时，势必会产生波束之间的切换，能否保证良好的切换服务对于用户来说极其重要。近年来，切换算法的研究一直是移动性管理的热门话题[1-2]。目前，对于陆地上的切换算法研究已经较为成熟，大多数的切换算法都是基于A3事件来判决的[3]。而对于卫星通信系统中切换算法研究较少，卫星移动通信是今后发展的趋势，其发展有着广泛的应用前景，因此对无线管理中的切换技术的研究就显得十分必要。文献[4]研究了负载均衡在长期演进 (long term evolution, LTE)切换系统中的应用，通过调整迟滞和触发时间来达到很好的性能。文献[5]研究了LTE切换系统中不同触发时间(time-to-trigger,TTT)对切换性能的影响，它根据不同速度的用户选择不同大小的触发时间，并且考虑到不同蜂窝网的情况。然而与地面蜂窝系统相比，GEO卫星移动通信系统具有波束覆盖大、信号传输时延长、星上资源受限等特点，已有的切换算法不能很好地在GEO卫星中得到应用。文献[6]提出了一种高轨卫星波束切换触发算法，但是它只是针对迟滞参数进行考虑，没有将触发时间这个参数考虑进去。文献[7]将切换触发与信道分配结合起来进行了研究，但对于触发部分没有具体的触发判别条件。文献[8]提出了一种陆地和GEO卫星系统之间的切换算法，该算法主要是针对切换判决来实现，通过设置绝对门限值，并且改变滞后余量来判断是否要进行系统间的切换。该算法在一定程度上能够避免许多不必要的系统间切换，以适用卫星系统和蜂窝系统间的系统间越区切换决策。

由于地震救灾和广大边远地区的网络环境复杂多变，再加上卫星资源的限制，因此这些算法没有很好的适应性。另外，上面提到的切换算法都没有从卫星通信时延大，较少切换的实际角度出发。为此，本文提出一种基于切换判决的卫星点波束之间的切换算法，该算法综合考虑当前的链路质量和网络资源，从而合理地触发切换的发生，降低网络的平均时延和切换失败率。

1 系统模型

卫星移动通信系统中采用多波束天线，每个波束都有一定的覆盖范围。当正在使用卫星通信的用户在波束内运动时，导频信号的强度一般是保持不变，当其运动到波束边缘时，导频信号的强度会逐渐减弱。因此，我们根据导频信号的强度和接收信号的信噪比来判断用户是否要切换到其他波束。考虑受同一个信关站控制的卫星点波束之间的切换，即目标波束和服务波束受同一信关站控制，类似于地面蜂窝系统中的越区切换。波束切换场景如图1所示。最外面的粗实线是一个卫星覆盖的范围，即卫星脚印，虚线是一个信关站控制的范围，细实线是卫星的一个波束的覆盖范围，卫星由很多波束组成[9]。

图1 波束切换情景Fig.1 Model of the beam handover

2 算法描述

切换的触发判决是切换过程中一个重要的步骤，在地面蜂窝系统中，切换的触发通常是根据对当前导频信号和链路质量的检测情况来执行的。与切换性能相关的参数包括切换迟滞参数H和触发时间TTT。切换迟滞参数H：如果相邻小区参考信号接收功率(reference signal receiving power,RSRP)比当前小区的高出一个迟滞值TTT，切换就会被初始化。迟滞参数H是用来避免乒乓效应的，即为了避免用户在2个小区之间来回切换，减小网络负担。然而，迟滞参数的设定在阻止一些必要切换的同时也会增加一些切换失败的可能性。触发时间TTT：当使用触发时间后，切换只有在这个时间里完全满足触发要求才能进行初始化切换。该参数能够降低不必要的切换数目，并且有效地避免乒乓效应。图2为LTE系统切换过程[10-11]。

图2 切换流程Fig.2 Process of the handover

2.1 触发时间

在卫星移动通信系统中，处于波束边界的用户接收到的广播信号强度具有和地面蜂窝小区相似的特性，只是目前的切换算法大部分只是针对切换门限h，并通过设置门限值h来优化切换触发条件。然而，当某地区的信号严重受到干扰时，所测得的接收信噪比和信号强度都比较小，但经过很短的时间，干扰又不存在了，按照切换触发条件，此时要进行切换，这样的切换对于资源短缺的卫星通信来说势必会造成系统资源的浪费，应该采取适当的措施进行避免。鉴于此，本文提出将切换触发时间加入到切换触发判断的条件中，即用户终端在测量到当前波束信号强度降低时，需要再进行一定的时间才确认切换是否执行，通过设置适当的切换触发时间来避免不必要的切换[12]。

2.2 迟滞参数

在偏远的地方或灾区，干扰对接收信号的影响很大，导致服务质量下降，如果设置固定的切换迟滞参数就会产生过早切换或过晚切换的场景，使卫星系统具有较差的自适用性，为了解决这一问题，可以根据链路质量指示(link quality indicator,LQI)值的大小来对h值进行动态地调整。当源波束小区的接收信号强度比较高时，说明此时的服务质量较好，可以延缓切换的发生，此时可以采用高的迟滞值，限制用户切换到其他波束中；当源波束小区的接收信号的值相对较低时，说明此时的服务质量相对较差，可以采用较低的迟滞值，这样能促使用户切换到另一个链路质量相对较好的点波束中。

设a和b分别为信号质量相对较好和信号质量较差的边界值，rL和rH分别为较小的切换迟滞和较大的切换迟滞，当服务质量不小于b时，迟滞值为相对较大的rH，当信号质量不大于a时，迟滞值为相对较小的rL，而当链路质量介于a和b之间时，迟滞值介于rL和rH之间，并成逐渐增加的趋势。因此，迟滞值的大小和当前服务质量LQI的关系如(1)式所示，本文设定最小迟滞值rL取值为0。

(1)

(1)式中：rH代表最高的滞后余量；b和a分别代表最高和最低链路质量门限；k是降低因子。从(1)式分析可知，当LQI不小于设定的最好链路质量b时，h等于rH，此时链路质量很好，应该采用较大迟滞参数，从而抑制切换的发生。当LQI降低至a时，这时h已降至rL。当用户的LQI从b降低至a的过程中，滞后余量相应地从rH降低到rL。k表示滞后余量降低速度的快慢，本文k的取值为0.9。

根据以上分析，我们可以得出当前的链路质量与迟滞参数的关系如图3所示。

图3 h值的变化Fig.3 Variation trend of h

2.3 算法的流程

根据上述对基于判决的切换算法的描述，具体步骤总结如下：

步骤1 移动终端测量当前波束和邻近波束的信号强度RSSI(received signal strength indication)和LQI，并将测得的结果经过处理，然后发给信关站用以判决切换是否发生；

步骤2 根据测得的信号强度RSSI和LQI确定迟滞参数h值；

步骤3 判断目标波束信号强度是否大于源波束一个迟滞值，如果是，则跳到步骤4，如果否，跳至步骤6；

步骤4 计时器加1；

步骤5 判断计时器是否达到了系统设定的切换触发时间，如果是，则跳至步骤7，否则，返回步骤1；

步骤6 不执行切换；

步骤7 执行切换。

整个切换触发判决的流程如图4所示。

图4 切换算法流程图Fig.4 Process of the beam handover algorithm

3 仿真结果及分析

3.1 性能参数

为了能更准确、清晰地展示仿真结果，在这里对评估切换性能的一些标准及定义进行说明。

3.1.1 乒乓切换率

乒乓效应是因为所设置迟滞值太小或信号不稳定所导致的移动用户在小区边沿来回进行多个切换。定义2次切换的时间间隔小于系统所设定的时间即为乒乓切换，此处设定的时间间隔为1 s。则乒乓切换率的计算公式可以用(2)式表示。

(2)

3.1.2 切换失败率

在切换的过程中，切换用户由于接收信号功率过低或在切换开始之后没有足够的资源可分配给用户使用而导致用户掉话。引起掉话的原因有很多，本文只考虑由于切换失败所引起的掉话。则在这个过程中，切换失败的数目占总的切换数的比例就称为切换失败率，计算公式为

(3)

3.2 仿真结果

在卫星移动通信系统中，由于终端用户处于运动中，信号的传播具有随机性。信号在传输过程中，地面用户终端与卫星之间会存在直射信号分量，因此，实际的卫星信道可用多种分布来共同描述。这里采用Lutz卫星信道模型，且仅考虑该信道处于好状态的情况。在Lutz卫星信道下用Matlab对切换算法的性能进行仿真。相应的仿真参数及其数值大小设置如表1所示。

表1 仿真参数的设置

3.2.1 切换次数

在下面的仿真中，传统的切换算法均指采用固定的迟滞和没有切换触发时间的切换算法。仿真参数设置如表1所示，并且终端移动速度V=100 km/h，图5是本文提出的切换算法与传统的切换算法在切换次数方面比较。从图5中可以看出，随着波束内用户数目的增多，2种切换算法中切换次数均增多，与传统的切换算法相比，本文所提出的切换算法能使网络的平均切换次数明显减小。

3.2.2 切换失败率

图6是本文算法与传统的切换算法在乒乓切换性能方面的比较。切换触发时间为100 ms，从图6中可以看出，随着移动用户速度的增加，本文提出的切换算法在降低切换失败率方面有明显的优势，本文提出的算法中，当终端移动速度小于300 km/h时，切换失败率比较低，当速度高于300 km/h时，切换失败率明显提高，这是因为在相同的时间内，速度大的用户运动的距离较远，所需要的切换触发时间越小，设置较大的切换触发时间会导致切换失败率的增加。从这里可以看出，合适的触发时间对系统来说非常重要。

图5 切换次数性能比较Fig.5 Comparison of the handover number based on the two algorithms

图6 高速终端切换失败率对比Fig.6 Comparison of the failure ratios based on the mobile station with high speed

为了说明本文所提出的切换算法不但适用于高速终端，对于较低速度的终端用户来说在切换失败率方面也有明显的提高。本文对较低速度的用户进行仿真，仿真结果如图7所示。在仿真中，切换触发时间设为320 ms。从图7中可以看出，对于速度相对较低的用户，本文所提的切换算法较传统切换算法在减小切换失败率方面也较明显。当速度高于50 km/h时，本文所提切换算法切换失败率明显提高，这是切换触发时间过高导致。

图7 低速终端切换失败率比较Fig.7 Comparison of the failure ratios based on the mobile station with low speed

3.2.3 乒乓切换率

图8显示了本文算法在乒乓切换率方面的性能。假设用户的速度为400 km/h，切换触发时间为100 ms。仿真结果表明：随着波束内用户数的变化，本文的切换算法在减少乒乓效应方面有明显的改善。

图8 乒乓切换性能比较Fig.8 Comparison of the ping-pong ratios according to the user number.

4 结束语

本文提出一种基于切换判决的卫星点波束之间的切换算法。该算法重点考虑当前的链路质量的影响，不但保证了切换的性能，而且减少了卫星通信中的切换次数。该算法从切换过程中的迟滞和触发时间2个参数对切换的触发条件进行改进，不但克服了传统切换算法缺陷，而且提高了卫星通信系统无线资源利用率。

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(编辑：张诚)

Research on handover algorithm based on handover decision in GMR-1 satellite communication system

WU Guangfu, JIANG Yujie, ZHAO Weiliang

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R. China)

In satellite communication system, handover of beam happens when the users cross the boundary of spot beam because of the high speed movement of satellite and terrestrial user. Handover is an important part of satellite mobile communication system, the performance of handover algorithm affects the service quality of users. In resource-constrained satellite mobile communication system, unnecessary handover will cause the waste of resources. There exits differences between terrestrial mobile communication system and the satellite communication system exists difference, terrestrial handover algorithm is not applicable to high-speed users on satellite mobile communication system. For the issue that existing beam handover algorithm does not take the quality of current link into account, a beam handover algorithm based on the quality of current link is proposed. In this handover algorithm, hysteresis parameter value is dynamically adjusted by the current link quality and different time to trigger is set for terrestrial users of different speeds. Simulation results show that the proposed handover algorithm can trigger the handover reasonably and avoid unnecessary handover, thereby reducing the ping-pong effect of the network and the rate of handover failure.

GMR-1; satellite mobile communication; handover algorithm; hysteresis margin; time-to-trigger

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.01.006

2016-05-18

2016-10-25 通讯作者：吴广富 wgf1016@126.com

国家科技重大专项课题(2013ZX03006005);国家高技术研究发展计划资助项目(863计划)(2015AA01C303);长江学者和创新团队发展计划资助(IRT1299)

Foundation Items：The Major Special Project of National Science and Technology(2013ZX03006005); The National High Technology Research and Development Program(“863”Program) of China (2015AA01C303); The Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (IRT1299)

TN927

1673-825X(2017)01-0036-06