衛星通信系統中的呼叫接入控制
2019-11-05 02:42:24
供稿：網友
與有線網絡相比，衛星系統的資源是非常昂貴的，非凡是衛星本身和地球站都是低冗余的。因此，它們必須是穩定的并且要能被充分利用，而傳統的與地面系統相似的衛星資源分配和呼叫治理技術并不能保證資源能夠被有效利用，而且衛星通信系統與地面通信系統最大的不同點在于：地面通信系統中移動的是用戶終端，而衛星通信系統中則可能是衛星和用戶終端兩者都移動，尤其是在低軌道衛星移動通信中，衛星的移動則是主要的。另外，衛星的其他一些特性如電能的有限性等，使得在對待衛星通信系統的呼叫接入問題中必須采取有別于地面通信系統的獨特策略。在這里我們所要研究的呼叫并不僅僅是指新呼叫（發起初始呼叫請求的呼叫），還包括由于需要從一個小區切換到另一個小區的切換呼叫請求。
1 傳統的呼叫接入控制
在傳統的衛星通信系統中，呼叫接入控制所采用的策略和地面蜂窩移動通信所采取的策略很相似。當衛星具有固定信道數時，采用FDMA和TDMA的系統，在不考慮切換呼叫時，假如系統有空閑信道滿足呼叫的請求，就接納呼叫，否則就拒絕。在進一步考慮業務之間的優先級問題時。則需要給實時用戶比非實時用戶更高的優先級。如在采用雙移動邊界的策略中，根據實時和非實時業務量的大小來決定實時業務信道數、非實時業多信道數和公共信道數的數目。其中公共信道可以被實時業務和非實時業務共同使用。信道數的邊界是根據當時業務需求量來決定的，它的目的是在保證實時業務服務質量的基礎上，提高系統的資源利用率和系統容量。
上面所提到的方法不涉及切換呼叫的情況，它們可以應用于所有的衛星系統中。但在非同步衛星系統中，尤其在LEO衛星系統中，就必須考慮切換呼叫的問題。在地面蜂窩系統中是小區和小區之間的切換，移動的是用戶；而在LEO衛星系統中，則是彼束與波柬之間的切換，更具移動性的是衛星而不是用戶。由于LEO衛星的可視期很短，因此LEO衛星系統中的用戶將面臨在點波束之間進行頻繁切換的問題。利用地面蜂窩系統對待切換呼叫的策略，在LEO衛星系統中我們也給予比初始呼叫更高的優先級（因為掉線比阻塞對用戶造成的影響更大），并且在相鄰的點波柬中專門預留保護信道給切換呼叫使用，目的是為了降低切換呼叫的掉線率，但同時新呼叫的阻塞率也將增大。
在采用CDMA的衛星通信系統中，它的呼叫接入同樣可以采取相似于地面蜂窩的策略。如基于用戶SIR（信于比）需求的分析：系統計算新加入的用戶和已經在線的用戶的SIR如能達到期望的要求，則接納呼叫，否則拒絕接納?；赟IR的呼叫接入控制可以保證在線用戶和新用戶的QoS。還有如基于干擾的分析：當干擾水平達到一定值時，就拒絕接納新呼叫。
2 衛星通信系統中切換呼叫的接入
在考慮衛星通信系統中的呼叫接入控制時，我們先把目光放在切換呼叫的接入問題中。對于有些LEO衛星通信系統，每10min需要進行衛星間的切換，每2min需要進行彼束間的切換。
對于地面蜂窩移動通信系統的切換問題，它的產生原因主要是由于用戶的移動性造成的。當一個用戶從一個小區跨越到另一個小區時，就需要進行切換處理。為了降低切換失敗的概率，提出了各種各樣的方法，主要的策略就是在鄰小區預留一定數量的保護信道專門供切換使用。而研究的主要目的無疑集中在如何使預留的信道更合理，因此，可在降低切換失敗率的前提下，盡量減少對阻塞率的影響。其中最有效的方法應該是利用GPS定位猜測用戶的移動趨勢來更合理地預留保護信道。
當然在衛星通信系統中也可以采取相同的策略，但實際上衛星通信系統中產生切換的主要原因是由于衛星的移動。由于衛星移動的速度比地面用戶的移動速度要快得多，所以地面用戶的移動速度可以被忽略掉，并且可以假設用戶都是相對衛星以相同的速度朝相同的方向移動。這樣用戶要發生的切換就可以被比較精確地估計到，雖然由于用戶的移動性會造成一定的誤差，但它總的影響還是比較微弱的。由于我們對衛星移動的軌跡和速度都是已知的，所以在LEO衛星通信系統中我們就可以便通信在波束間或衛星間成功地進行切換，從而降低切換掉線率。
假如要進一步降低切換失敗率，就必須考慮用戶的移動性，但這必將增加用戶端和衛星端的負擔，并且不準確的猜測還會導致信道利用率的降低，因為在鄰小區預留的保護信道會被閑置。
3 點波束容量變化的網絡的呼叫接入控制
在地面蜂窩系統中，一般情況下系統的容量都是不變的（CDMA系統中的軟容量是另外一種情況），而許多衛星網絡的容量則隨著時間的變化而變化。原因有很多，一些原因是不可猜測的，一些原因是可以猜測的。如在LEO衛星系統中，衛星波束功率分布的關系、信道再用的模式、地區的可視衛星波柬數和當前服務地區是中間小覆蓋波束還是邊緣大覆蓋波束等因素，都會使服務地區的有效容量發生變化。也可以認為各個點波束內的容量是不同的。因為衛星的運行是具有周期性的，因此這些因數造成的容量變化也具有周期性。另外，可猜測的容量變化是由于一些衛星通信的信道被一些用戶事先預定，如某一時間要進行實況轉播等，所有這些因素在衛星通信的呼叫接入中是必須考慮的。
許多呼叫接入控制的策略往往是比較呼叫請求的資源量和當前系統的有效資源來決定是否接納新呼叫。這些策略尤疑都是假設網絡的容量是保持不變的，即網絡具有涸定容量。而在容量會發生變化的情況下，呼叫接入控制策略假如僅僅考慮當前時刻的容量信息，則在下一時刻網絡容量發生下降的情況下，就可能會導致過高或不可容忍的掉線率。
利用衛星運動具有周期性的特征，比較精確地猜測未來容量的變化，以對呼叫的接納與否作出判決。
4 電能受限情況下的接入控制
通信是需要電能的，不管是地面蜂窩系統還是衛星通信系統，但是地面蜂窩系統與衛星通信系統在能源的來源上卻截然不同。地面基站的電能可以通過地面電力網絡提供，基本上不存在電量不足的可能性；而衛星系統卻由于其供電系統的獨特性，使得在各個方面不得不考慮電能的消耗問題，衛星電能的主要來源是太陽能電池。
對于許多衛星，電能治理是一個至關重要的課題，最簡單的原因就是電能的有效性直接轉化為費用的節省。如衛星對電能需求的降低意味著對太陽能電池組需求的減少。而電池的減少就可以降低衛星的重量，重量的節省通?？梢蕴峁┙洕妫纯梢赃x擇更小的發射器從而降低成本。衛星通常使用太陽能電他，對于地球同步衛星來說，由于它只經歷短期的日食，所以可以認為它們的電能是相對穩定和不變的。但是對于中低軌道衛星來說會經歷更長時間的黑暗，從而缺少電能的輸入。在這種情況下，電能的消耗策略是非常需要的。
不同的用戶，由于所處的地點、天線的尺寸等不同，使得相同服務需要衛星消耗不同的電能；由于用戶之間級別的不同，導致相同服務下的付費也不同，從而使衛星運營商在考慮接人時變得更加復雜。在電能受限的情況下，接入控制的目標函數可以是吞吐量的大小，更可以是報酬的多少。假如報酬和吞吐量成正比，則策略的選擇就是系統吞吐量的最大化。在一個固定時間內如有一固定數量的數據需要傳輸，則系統的目的就是消耗電能的最小化。
在追求系統的某個目標時，應該要同時考慮系統必須提供的服務質量。在考慮某種策略時，往往要假設一個服務請求所需的電能；對于語音通信服務來說，這個假設是指平均所需電能。在這種情況下，通話時間大于平均值并且所需的電能也大于平均值的用戶，其通話掉線率就會很高。如在通話過程中，衛星的電能全部消耗掉，而又處于黑暗期，則通話就會被中斷。所以在考慮報酬的同時必須考慮系統的服務質量，在接入呼叫的時候應該考慮新呼叫的加入是否會使衛星的電能過量消耗而導致掉線率的增加。
5 數據包的接入控制
對于數據包的接入服務，我們所追求的主要目標是系統的吞吐量大小。在多址接入方式中，CDMA具有較高的頻譜利用率，能提供更大的寥量，本節主要分析CDMA衛星通信系統的數據包接入。
在CDMA系統中，所有用戶都使用相同的頻率，所有用戶都會對其他用戶產生干擾，所以它是一個干擾受限的系統。在LEO衛星通信系統中，每個點波束在地面的投影可以被看作為一個小區；對于上行鏈路，其他小區的用戶對本小區的用戶同樣都會造成干擾，這一點與地面蜂窩系統的情形相似。在地面蜂窩系統中，為了取得最大的吞吐量，一種最佳的方法是根據用戶信道的好差給予用戶不同的優先級，信道最好的用戶具有最高的優先級，當然這是在相同業務級別的情況下，實際中用戶的級別首先是看用戶業務的級別，然后再根據信道質量來確定優先級。
在地面蜂窩系統中，由于傳播的情況比較復雜，離基站近的用戶并不一定就具有最好的信道質量，所以它的優先級是根據信道質量來確定的，在基站采用信道估計的方法。而衛星通信系統中，各個信道的傳播途徑雖然不一樣，但在一個小區內，信道質量的好壞主要還是由通信距離決定。所以，為了取得更大的系統吞吐量，我們可以采取與地面蜂窩系統相似的策略：具有更短傳播距離的用戶給予更大的發射概率，也就是說對于相同業務的請求，系統將優先滿足近距離用戶的需求。這樣在本小區具有相同業務量的情況下對鄰小區的干擾就可以大大降低，無疑可以提高其他小區的容量，系統總的吞吐量也會隨之增加。
雖然上述方法可以提高系統的吞吐量，但同時也得考慮業務密度的分布。當業務分布不均勻時，近距離用戶的優先級會受到控制，可以根據業務的具體分布給出具體應給予的優先級，這樣也就可以同時保證用戶之間的公平性。
6 總結
綜上所述，在考慮衛星通信系統的呼叫接入控制時，可以借鑒地面蜂窩移動通信系統的呼叫接入控制策略，但同時必須考慮衛星通信系統的獨特性。如切
