GMR-1卫星移动通信系统中融合波束覆盖的动态信道分配算法

丁亚南 庞文镇 张艳君 赵金峰

【摘  要】

GMR-1卫星移动通信系统属于典型的带宽频率双受限系统，功率/带宽利用率是评价传输方案优劣的重要指标，提出了一种融合波束覆盖的无线信道动态分配算法，该算法充分利用卫星波束覆盖范围信息，并结合终端地理位置信息实时为用户分配信道资源。仿真结果表明，该算法相对于常规的DCA算法，功率、带宽利用率均有提升。

【关键词】GMR-1卫星移动通信系统;波束覆盖;信道动态分配

0   引言

GEO卫星移动通信系统作为地面蜂窝移动通信的延伸和补充，多用于偏远地区的通信和应急通信，较好地解决了地面蜂窝移动通信系统在偏远地区以及海域中覆盖能力有限的问题，为此，针对GEO卫星移动通信的GMR-1标准协议（GEO-Mobile Radio-1，同步轨道卫星移动通信一代标准）应运而生。然而GEO卫星通信系统的可用频谱、功率等资源都极为宝贵，限制了卫星通信系统的吞吐量等系统性能，资源管理旨在对卫星通信系统有限资源进行合理调度，以提升卫星通信系统的系统性能，而目前最为常用的资源管理算法包括动态信道分配与固定信道分配。

为了有效提升卫星通信系统的频谱资源利用率，众多学者开始研究动态信道分配技术。其中，文献[1]采用了基于代价函数的动态信道调度算法，与固定信道分配算法相比，该算法减少了系统的阻塞率。文献[2]、[4]分析了业务分布及信道质量对资源利用率的影响，采用了基于业务分布及信道子良的动态信道分配算法。文献[5]设计了基于用户位置的动态信道调度方案，来减少资源分配时的碎片，从而提高系统资源利用率。

但以上文献并未考虑到波束中心与波束边缘信号差异，导致边缘用户服务质量差，因此，有必要引入波束指向，通过调配用户到更强波束，减少波束边缘的用户分配，提高系统资源利用率，本文提出了面向GMR-1卫星移动通信系统的融合波束覆盖的动态信道分配算法。

1   相关概念介绍

GMR-1系统[6]由GEO卫星、地球移动站MES、信关站GS和卫星操作中心SOC等元素组成，可以为用户提供网内电话、短消息、上网、传真等业务，通过与PSTN、PLMN、Internet互联，实现全球范围内业务互联。图1给出了GMR-1系统的元素组成图。

信关站是GEO卫星移动通信系统的管理核心，由于大部分的GEO卫星移动通信系统采用了透明转发器载荷，卫星功能相对简单，复杂的协议处理及资源管理均有地面信关站实现，其资源管理算法的性能直接决定了系统资源利用率。

GMR-1系统采用了类似于GSM的帧结构，如图2所示，以TDMA帧为单位，一个复帧包含16个TDMA帧，一个超帧包含4个复帧（64个TDMA帧），一个超高帧包含4 896个超帧（313 344个TDMA帧）。而每个TDMA分为24个时隙，每个时隙持续5/3 ms，1个时隙等于78比特。

GMR-1系統中定义了双向业务信道TCH，用于承载编码的语音或用户数据，这些信道的频率、时隙、功率等资源是资源动态分配的基础，主要包括TCH3、TCH6、TCH9，如表1所示。

2    融合波束覆盖的动态信道分配算法

2.1  限制条件

由于卫星距离地球较远且卫星载荷的体积受限，导致了卫星通信传输信道的功率也受到限制，因此，在信道资源分配的过程中，需要考虑到卫星的峰值功率，该功率主要跟并发载波个数有关，每颗卫星往往限制了最大的峰值功率。

在移动卫星通信系统中，某些小型化终端无法使用体积较大的双工器，使得终端无法实现射频通道同时收发，只能够通过切换开关来实现信道收发，而这些切换开关往往有一定的时间，在信道资源分配时须考虑该类型终端收发开关延时。

与地面移动通信不同，GMR-1卫星与地面距离长达三万六千公里，造成了终端到卫星之间的较大传输延时，约为119.37 ms～140 ms，如此大的传输延时，势必对终端的收发定时造成一定影响。此外，由于卫星对地面小倾角划“8”字运动，即使终端处于静止不动的状态，长时间的业务保持也可能造成几毫秒级的定时调整。为此，须根据卫星对地面的运动计算星地传输时间延时。

另外，GMR-1卫星形成的多个信号波束往往是不规则的，但波束覆盖的区域可以根据卫星的实时位置与波束赋形算法来模拟仿真，本处为了论证方便，假定卫星波束为圆形的。

2.2  算法描述

动态信道分配算法分成三部分：

（1）判断终端位置

根据终端MES上报的经纬度或者信关站测量到的TA，判断终端MES所在位置是否超出卫星当前波束覆盖范围，若超出覆盖范围，则拒绝终端接入并通知终端接入到其他波束，其过程如图3所示：

（2）分配下行信道

当终端允许接入时，进入该步骤，如图4所示：

（3）分配上行信道

首先计算卫星的实时位置及波束中心点，估算波束边缘到波束中心点的最大延时，调整分配的起始时刻Return_TS_Start，如图5所示：

2.3  算法分析

在上述算法中，信关站首先根据终端的TA/经纬度信息估算终端是否在卫星波束的覆盖范围内，若不在覆盖范围内，则拒绝终端接入并通知其接入到其他波束;若在覆盖范围内，则根据用户请求的信道类型在当前下行信道资源池中寻找可用的资源，并使得分配的信道占用卫星发射功率峰值最低。接着，信关站为终端分配上行信道资源，此时，信关站判断上行信道分配的时间是否需要调整，若需要调整且与下行对应的信道资源上空闲，则调整上行信道分配起始时间，更新用户使用的上行信道资源起始时间为：Return_TS_START+FowrdChannelStart。最后将FowardChannelStart与ReturnChannelStar返回给用户。

2.4  仿真试验及分析

为了对本文提出的算法进行评估，采用NS-2仿真软件（版本2.35）对GMR-1卫星网络进行分析，并在NS-2扩展的传统GMR-1卫星网络功能，增加了融合波束覆盖的动态信道分配算法模块，以支持终端信道资源动态分配。仿真参数表如表2所示：

场景1：单波束场景下，1 000个用户分布到某一波束覆盖范围某个区域内，每秒40个终端呼叫并成功后保持40 s，直到用户数量达到峰值时，對比分析了本文算法与常规的动态信道分配算法性能，如图6所示，本文算法较其他算法在功率均匀上升，而其他算法很快就达到了峰值功率。

场景2：单波束场景下，1 000个用户随机分布到波束覆盖范围内，每秒40个终端呼叫并成功后保持40 s，直到用户数量达到峰值时，对比分析了本文算法与常规的动态信道分配算法性能，如图7所示，本文算法可以稳定达到用户峰值，但常规的动态信道分配算法由于时隙差异导致无法最大化利用信道资源。

场景3：多波束场景下，3个相邻波束，每波束配置1 000个用户并随机分布到波束覆盖范围内，每秒40个终端呼叫并成功后保持40 s，直到用户数量达到峰值时，对比分析了本文算法与常规的动态信道分配算法性能，如图8、图9所示，本文算法较其他算法在功率均匀上升，而其他算法很快就达到了峰值功率，但用户容量并未达到最大值，主要是由于部分终端接入到临近波束，导致反向信道分配中存在较大的空隙，所以终端用户无法达到最大峰值。

3   结束语

本文提出了一种针对GEO卫星移动通信系统的信道动态分配算法，该算法结合卫星波束覆盖范围与终端实际位置，实时为用户分配信道资源。仿真结果表明，在单波束或多波束场景下，本文所提算法较常规动态信道分配算法，最大化卫星信道资源利用率，提升了系统接入用户容量。

参考文献：

[1]    Del Re E， Fantacci R， Giambene G. Efficient dynamic channel allacation techniques with handover queuing for mobile satellite networks[J]. IEEE Journal on selected areas in communications， 1995，13（2）： 397-405.

[2]     钱宗封，张更新. 天际卫星移动通信系统的切换和信道分配策略[C]//卫星通信技术研讨会论文集. 2004.

[3]     贾钢，孙晨华. GEO卫星移动通信系统信道分配策略研究[J]. 无线电通信技术， 2010，36（5）： 1-3.

[4]    Umehira M. Centralized dynamic channel assignment schemes for multi-beam mobile satellite communications systems[C]//30th AIAA International communications Satellite System Conference （ICSSC）. 2012： 15123

[5]   徐其乐，陈建州，刘立祥. GEO卫星通信系统中MF-TDMA信道分配算法研究[J]. 计算机科学， 2014，41（4）： 40-43.

[6]   GMR-101.202. GEO-Mobile Radio Interface Specifications：Part1：General specifications; sub-part3： GeneralSystemDescription[S]. 2001.