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摘 要 分析比較了地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)在呼叫接入控制中的差異，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析討論了衛(wèi)星通信系統(tǒng)在呼叫接入控制中所必須考慮的策略。
關(guān)鍵詞 衛(wèi)星通信系統(tǒng) 呼叫接入控制
與有線網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星系統(tǒng)的資源是非常昂貴的，特別是衛(wèi)星本身和地球站都是低冗余的。因此，它們必須是穩(wěn)定的并且要能被充分利用，而傳統(tǒng)的與地面系統(tǒng)相似的衛(wèi)星資源分配和呼叫管理技術(shù)并不能保證資源能夠被有效利用，而且衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信系統(tǒng)最大的不同點(diǎn)在于：地面通信系統(tǒng)中移動(dòng)的是用戶終端，而衛(wèi)星通信系統(tǒng)中則可能是衛(wèi)星和用戶終端兩者都移動(dòng)，尤其是在低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信中，衛(wèi)星的移動(dòng)則是主要的。另外，衛(wèi)星的其他一些特性如電能的有限性等，使得在對(duì)待衛(wèi)星通信系統(tǒng)的呼叫接入問題中必須采取有別于地面通信系統(tǒng)的獨(dú)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(fā)起初始呼叫請(qǐng)求的呼叫），還包括由于需要從一個(gè)小區(qū)切換到另一個(gè)小區(qū)的切換呼叫請(qǐng)求。
1 傳統(tǒng)的呼叫接入控制
在傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，呼叫接入控制所采用的策略和地面蜂窩移動(dòng)通信所采取的策略很相似。當(dāng)衛(wèi)星具有固定信道數(shù)時(shí)，采用FDMA和TDMA的系統(tǒng)，在不考慮切換呼叫時(shí)，如果系統(tǒng)有空閑信道滿足呼叫的請(qǐng)求，就接納呼叫，否則就拒絕。在進(jìn)一步考慮業(yè)務(wù)之間的優(yōu)先級(jí)問題時(shí)。則需要給實(shí)時(shí)用戶比非實(shí)時(shí)用戶更高的優(yōu)先級(jí)。如在采用雙移動(dòng)邊界的策略中，根據(jù)實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)量的大小來決定實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)信道數(shù)、非實(shí)時(shí)業(yè)多信道數(shù)和公共信道數(shù)的數(shù)目。其中公共信道可以被實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)共同使用。信道數(shù)的邊界是根據(jù)當(dāng)時(shí)業(yè)務(wù)需求量來決定的，它的目的是在保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)的資源利用率和系統(tǒng)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(yīng)用于所有的衛(wèi)星系統(tǒng)中。但在非同步衛(wèi)星系統(tǒng)中，尤其在LEO衛(wèi)星系統(tǒng)中，就必須考慮切換呼叫的問題。在地面蜂窩系統(tǒng)中是小區(qū)和小區(qū)之間的切換，移動(dòng)的是用戶；而在LEO衛(wèi)星系統(tǒng)中，則是彼束與波柬之間的切換，更具移動(dòng)性的是衛(wèi)星而不是用戶。由于LEO衛(wèi)星的可視期很短，因此LEO衛(wèi)星系統(tǒng)中的用戶將面臨在點(diǎn)波束之間進(jìn)行頻繁切換的問題。利用地面蜂窩系統(tǒng)對(duì)待切換呼叫的策略，在LEO衛(wèi)星系統(tǒng)中我們也給予比初始呼叫更高的優(yōu)先級(jí)（因?yàn)榈艟�比阻塞對(duì)用戶造成的影響更大），并且在相鄰的點(diǎn)波柬中專門預(yù)留保護(hù)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(shí)新呼叫的阻塞率也將增大。
在采用CDMA的衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(tǒng)計(jì)算新加入的用戶和已經(jīng)在線的用戶的SIR如能達(dá)到期望的要求，則接納呼叫，否則拒絕接納。基于SIR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(dāng)干擾水平達(dá)到一定值時(shí)，就拒絕接納新呼叫。
2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中切換呼叫的接入
在考慮衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的呼叫接入控制時(shí)，我們先把目光放在切換呼叫的接入問題中。對(duì)于有些LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，每10min需要進(jìn)行衛(wèi)星間的切換，每2min需要進(jìn)行彼束間的切換。
對(duì)于地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的切換問題，它的產(chǎn)生原因主要是由于用戶的移動(dòng)性造成的。當(dāng)一個(gè)用戶從一個(gè)小區(qū)跨越到另一個(gè)小區(qū)時(shí)，就需要進(jìn)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(qū)預(yù)留一定數(shù)量的保護(hù)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(yù)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(duì)阻塞率的影響。其中最有效的方法應(yīng)該是利用GPS定位預(yù)測(cè)用戶的移動(dòng)趨勢(shì)來更合理地預(yù)留保護(hù)信道。
當(dāng)然在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中也可以采取相同的策略，但實(shí)際上衛(wèi)星通信系統(tǒng)中產(chǎn)生切換的主要原因是由于衛(wèi)星的移動(dòng)。由于衛(wèi)星移動(dòng)的速度比地面用戶的移動(dòng)速度要快得多，所以地面用戶的移動(dòng)速度可以被忽略掉，并且可以假設(shè)用戶都是相對(duì)衛(wèi)星以相同的速度朝相同的方向移動(dòng)。這樣用戶要發(fā)生的切換就可以被比較精確地估計(jì)到，雖然由于用戶的移動(dòng)性會(huì)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(duì)衛(wèi)星移動(dòng)的軌跡和速度都是已知的，所以在LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中我們就可以便通信在波束間或衛(wèi)星間成功地進(jìn)行切換，從而降低切換掉線率。
如果要進(jìn)一步降低切換失敗率，就必須考慮用戶的移動(dòng)性，但這必將增加用戶端和衛(wèi)星端的負(fù)擔(dān)，并且不準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)還會(huì)導(dǎo)致信道利用率的降低，因?yàn)樵卩徯^(qū)預(yù)留的保護(hù)信道會(huì)被閑置。
3 點(diǎn)波束容量變化的網(wǎng)絡(luò)的呼叫接入控制
在地面蜂窩系統(tǒng)中，一般情況下系統(tǒng)的容量都是不變的（CDMA系統(tǒng)中的軟容量是另外一種情況），而許多衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的容量則隨著時(shí)間的變化而變化。原因有很多，一些原因是不可預(yù)測(cè)的，一些原因是可以預(yù)測(cè)的。如在LEO衛(wèi)星系統(tǒng)中，衛(wèi)星波束功率分布的關(guān)系、信道再用的模式、地區(qū)的可視衛(wèi)星波柬數(shù)和當(dāng)前服務(wù)地區(qū)是中間小覆蓋波束還是邊緣大覆蓋波束等因素，都會(huì)使服務(wù)地區(qū)的有效容量發(fā)生變化。也可以認(rèn)為各個(gè)點(diǎn)波束內(nèi)的容量是不同的。因?yàn)樾l(wèi)星的運(yùn)行是具有周期性的，因此這些因數(shù)造成的容量變化也具有周期性。另外，可預(yù)測(cè)的容量變化是由于一些衛(wèi)星通信的信道被一些用戶事先預(yù)定，如某一時(shí)間要進(jìn)行實(shí)況轉(zhuǎn)播等，所有這些因素在衛(wèi)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(qǐng)求的資源量和當(dāng)前系統(tǒng)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(shè)網(wǎng)絡(luò)的容量是保持不變的，即網(wǎng)絡(luò)具有涸定容量。而在容量會(huì)發(fā)生變化的情況下，呼叫接入控制策略如果僅僅考慮當(dāng)前時(shí)刻的容量信息，則在下一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)容量發(fā)生下降的情況下，就可能會(huì)導(dǎo)致過高或不可容忍的掉線率。
在LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信中，我們必須充分利用衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)具有周期性的特征，比較精確地預(yù)測(cè)未來容量的變化，以對(duì)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(tǒng)還是衛(wèi)星通信系統(tǒng)，但是地面蜂窩系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)提供，基本上不存在電量不足的可能性；而衛(wèi)星系統(tǒng)卻由于其供電系統(tǒng)的獨(dú)特性，使得在各個(gè)方面不得不考慮電能的消耗問題，衛(wèi)星電能的主要來源是太陽能電池。
對(duì)于許多衛(wèi)星，電能管理是一個(gè)至關(guān)重要的課題，最簡單的原因就是電能的有效性直接轉(zhuǎn)化為費(fèi)用的節(jié)省。如衛(wèi)星對(duì)電能需求的降低意味著對(duì)太陽能電池組需求的減少。而電池的減少就可以降低衛(wèi)星的重量，重量的節(jié)省通�？梢蕴峁┙�(jīng)濟(jì)利益，即可以選擇更小的發(fā)射器從而降低成本。衛(wèi)星通常使用太陽能電他，對(duì)于地球同步衛(wèi)星來說，由于它只經(jīng)歷短期的日食，所以可以認(rèn)為它們的電能是相對(duì)穩(wěn)定和不變的。但是對(duì)于中低軌道衛(wèi)星來說會(huì)經(jīng)歷更長時(shí)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(diǎn)、天線的尺寸等不同，使得相同服務(wù)需要衛(wèi)星消耗不同的電能；由于用戶之間級(jí)別的不同，導(dǎo)致相同服務(wù)下的付費(fèi)也不同，從而使衛(wèi)星運(yùn)營商在考慮接人時(shí)變得更加復(fù)雜。在電能受限的情況下，接入控制的目標(biāo)函數(shù)可以是吞吐量的大小，更可以是報(bào)酬的多少。如果報(bào)酬和吞吐量成正比，則策略的選擇就是系統(tǒng)吞吐量的最大化。在一個(gè)固定時(shí)間內(nèi)如有一固定數(shù)量的數(shù)據(jù)需要傳輸，則系統(tǒng)的目的就是消耗電能的最小化。
在追求系統(tǒng)的某個(gè)目標(biāo)時(shí)，應(yīng)該要同時(shí)考慮系統(tǒng)必須提供的服務(wù)質(zhì)量。在考慮某種策略時(shí)，往往要假設(shè)一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求所需的電能；對(duì)于語音通信服務(wù)來說，這個(gè)假設(shè)是指平均所需電能。在這種情況下，通話時(shí)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(huì)很高。如在通話過程中，衛(wèi)星的電能全部消耗掉，而又處于黑暗期，則通話就會(huì)被中斷。所以在考慮報(bào)酬的同時(shí)必須考慮系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，在接入呼叫的時(shí)候應(yīng)該考慮新呼叫的加入是否會(huì)使衛(wèi)星的電能過量消耗而導(dǎo)致掉線率的增加。
5 數(shù)據(jù)包的接入控制
對(duì)于數(shù)據(jù)包的接入服務(wù)，我們所追求的主要目標(biāo)是系統(tǒng)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(jié)主要分析CDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包接入。
在CDMA系統(tǒng)中，所有用戶都使用相同的頻率，所有用戶都會(huì)對(duì)其他用戶產(chǎn)生干擾，所以它是一個(gè)干擾受限的系統(tǒng)。在LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，每個(gè)點(diǎn)波束在地面的投影可以被看作為一個(gè)小區(qū)；對(duì)于上行鏈路，其他小區(qū)的用戶對(duì)本小區(qū)的用戶同樣都會(huì)造成干擾，這一點(diǎn)與地面蜂窩系統(tǒng)的情形相似。在地面蜂窩系統(tǒng)中，為了取得最大的吞吐量，一種最佳的方法是根據(jù)用戶信道的好差給予用戶不同的優(yōu)先級(jí)，信道最好的用戶具有最高的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)然這是在相同業(yè)務(wù)級(jí)別的情況下，實(shí)際中用戶的級(jí)別首先是看用戶業(yè)務(wù)的級(jí)別，然后再根據(jù)信道質(zhì)量來確定優(yōu)先級(jí)。
在地面蜂窩系統(tǒng)中，由于傳播的情況比較復(fù)雜，離基站近的用戶并不一定就具有最好的信道質(zhì)量，所以它的優(yōu)先級(jí)是根據(jù)信道質(zhì)量來確定的，在基站采用信道估計(jì)的方法。而衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各個(gè)信道的傳播途徑雖然不一樣，但在一個(gè)小區(qū)內(nèi)，信道質(zhì)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(tǒng)吞吐量，我們可以采取與地面蜂窩系統(tǒng)相似的策略：具有更短傳播距離的用戶給予更大的發(fā)射概率，也就是說對(duì)于相同業(yè)務(wù)的請(qǐng)求，系統(tǒng)將優(yōu)先滿足近距離用戶的需求。這樣在本小區(qū)具有相同業(yè)務(wù)量的情況下對(duì)鄰小區(qū)的干擾就可以大大降低，無疑可以提高其他小區(qū)的容量，系統(tǒng)總的吞吐量也會(huì)隨之增加。
雖然上述方法可以提高系統(tǒng)的吞吐量，但同時(shí)也得考慮業(yè)務(wù)密度的分布。當(dāng)業(yè)務(wù)分布不均勻時(shí)，近距離用戶的優(yōu)先級(jí)會(huì)受到控制，可以根據(jù)業(yè)務(wù)的具體分布給出具體應(yīng)給予的優(yōu)先級(jí)，這樣也就可以同時(shí)保證用戶之間的公平性。
6 總結(jié)
綜上所述，在考慮衛(wèi)星通信系統(tǒng)的呼叫接入控制時(shí)，可以借鑒地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的呼叫接入控制策略，但同時(shí)必須考慮衛(wèi)星通信系統(tǒng)的獨(dú)特性。如切換的頻繁性、容量的變化、有限的電能供應(yīng)等。要想設(shè)計(jì)切實(shí)有效的呼叫接入控制策略，必須充分考慮衛(wèi)星通信系統(tǒng)的各種特點(diǎn)和各種獨(dú)特的情形，使得對(duì)呼叫的接納既不會(huì)影響當(dāng)前時(shí)刻的服務(wù)質(zhì)量，也不會(huì)影響在將來時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量。在滿足系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，要盡可能地提高系統(tǒng)資源的利用率。
摘自《電信技術(shù)》
