一種基于TCRA的低軌星座通信系統的強占預留信道策略

在低軌(LEO)星座衛星通信中，目前已有的信道分配策略一般強調具有較低的切換失敗概率，以保證正在通話的呼叫的服務質量。信道預留策略是降低呼叫切換失敗概率的有效方法之一[1]。其中，基于時間的信道預留算法(TCRA)[2]提前一個小區為切換呼叫預留信道，可以實現零切換失敗。但該策略導致了較高的新呼叫阻塞概率，造成了信道資源利用率的降低。參考文獻[3]提出了超額預留的基于時間信道預留算法(TCRA-O)，它假設在每個小區固定分配C個信道的基礎上，還存在S個虛擬信道。這種做法也提高了信道利用率，但并未考慮用戶的位置信息，造成了一些不必要的切換失敗。參考文獻[4]中，算法的預留信道的數量考慮了用戶位置信息和呼叫已經歷的時長,但在呼叫持續時長服從負指數分布的模型中，該策略不夠準確。
　　本文提出一種基于TCRA的強占預留信道策略，它在TCRA的基礎上，有效地利用了用戶的地理位置信息。該策略本著少影響甚至不影響正在通話用戶的服務質量的原則，盡量接受具有小切換失敗風險的新呼叫請求，提高了系統的資源利用率。
1 基于時間的信道預留算法(TCRA)
1．1 移動性模型
　　目前已提出很多適用于LEO星座通信系統仿真分析的移動性模型[4-5]，本文采用圖1中所描述的一維移動性模型[4]。其中，A-G為衛星多波束天線在地面上形成的彼此相連的方形小區。假設這些方形小區固定不動，小區中所有用戶以相同的速度沿著與衛星相反的方向運動，速度大小與衛星星下點速度相等。模型假設用戶配置有定位系統，則在呼叫開始時用戶的位置就被確定。對于明確了移動速度、方向和位置的用戶，其即將穿越的下一小區和切換的時間是可以預測的。
1．2 TCRA-1
　　TCRA是一種有效的信道預留策略，它要求只有當系統能夠提前一個小區為新到達用戶預留信道時，才接受此新呼叫請求。TCRA-1是明確用戶確切位置信息模式下的TCRA策略，下面是TCRA-1的具體實施過程：

呼叫建立階段：在呼叫建立時間Tsetup，一個用戶U要求一個新呼叫連接。系統向用戶呼叫發起的源小區C0和第一個穿越的小區C1發送一個信道預留請求，分別在兩小區時間間隔[Tsetup, Tsetup+T0+σt]和[Tsetup+T0－σt, Tsetup+T0+T1＋σt]中預留一個信道。其中，T0和T1分別為用戶在源小區和穿越小區中的駐留時間，σt為事先設定的一個允許的錯誤差量。如果兩個請求都能被滿足，則呼叫請求被接受。
　　每個切換階段：當一個正在通話用戶完成從Ci至Ci＋1的一次切換，系統將Ci＋1中為其預留的信道分配給此用戶，釋放Ci中信道，并向Ci＋2發出一個新請求，在Ci＋2中時間間隔[THOi+T1－σt，THOi+2T1+σt]內為用戶預留一個信道。其中，THOi為用戶在Ci中發生切換的時間。
　　呼叫終止階段：當用戶在Ci中終止呼叫時，它會釋放當前占用的信道，并向Ci＋1發送取消預留信道的命令。
此策略能夠保證用戶在其通話持續時間內不發生切換失敗，原理在參考文獻[2]中已被說明，在此不再闡述。
2 基于TCRA的一種強占預留信道策略
2．1 算法原理
　　雖然TCRA策略保證了切換失敗率為零，但造成了系統容量的浪費，下面說明這一問題。
如圖2，假設每小區有2個可用信道，3個相連的小區（Cl、Cl+1 和Cl+2）中對應的位置分別有3個正在通話用戶（用戶1、用戶2和用戶3）。圖3為用戶在相應小區中相應時間段內的信道使用和預留情況，橫坐標代表時間，縱坐標代表相應小區及相應信道。t0時刻處于Cl+1的用戶U向系統發出新呼叫請求，雖然此時小區Cl+1存在未被使用的信道，但根據TCRA-1，系統在[t1，t3]已經為用戶1預留信道，無法在[t0，t2]為用戶U進行正常的信道預留，因此系統拒絕用戶U的新呼叫請求。分析此情況，如果在用戶1到達Cl+1小區之前，即[t0，t1]間，用戶1、用戶2和用戶U三者中任意一個用戶結束其通話，則即使系統接受用戶U占用為用戶1預留信道的請求，也不造成系統的切換失敗。TCRA的預留策略沒能充分利用系統容量，造成了資源的浪費。以此類推，如果系統信道容量增大至20甚至更高，此類資源浪費的現象將更加嚴重。

基于TCRA的強占預留信道策略是基于TCRA-1的改進，其基本思想如下：t0時刻，一個新呼叫用戶向系統發出使用本小區信道的請求，如果在其駐留本地小區時間內所有信道都有被預留的記錄，假設系統接受此新呼叫，根據目前正在通話用戶的位置信息，預測最壞情況(即使用和預留本小區信道的所有用戶一直保持通話)下，造成用戶切換呼叫掉話的時間t1，記Δτ＝t1－t0。如果Δτ大于某時間門限值ΔT，則認為占用或預留本小區信道的用戶在時間間隔[t0，t1]內結束呼叫的可能性較大。此時，只要系統能夠在下一小區相應的時間間隔內為新呼叫預留信道，則接受用戶U的新呼叫請求。否則，拒絕此次新呼叫請求。這樣的策略增加了新呼叫請求的成功數量，進而更加有效地利用了系統的信道資源。　ΔT的大小由業務模型的選取和服務質量的定義共同決定。下面推導合適的時間門限值ΔT。
　　假設呼叫持續時間滿足均值為Tm的負指數分布，則呼叫持續時間分布概率密度p(t)為：

負指數分布的無記憶特性，決定了對于呼叫持續時長遵循此分布的正在通話用戶，它的呼叫結束時間不受其已經歷通話時長的影響。設已經歷通話時長T1的正在通話用戶在T1+Δτ時刻以后呼叫結束的概率為Po，則：

由于通話用戶間的呼叫持續時長相互獨立，則n個活動用戶繼續保持通話時間大于Δτ的概率Po(n)為：
　　

由此可以認為：在所有信道都被用戶使用或是預留的信道容量為C的小區中，T0時刻一個新呼叫到達，如果系統可以預測到接受此次新呼叫在T0＋Δτ時刻存在切換失敗的可能，那么采取強占預留策略允許此新呼叫接入，將導致系統切換失敗的概率為Po(C+1)。
　　參考文獻[6]推導得到，在由方形小區組成的一維移動性模型中，如果新呼叫阻塞概率Pn和切換失敗概率Ph都為0，則系統中每次呼叫需要經歷的平均切換次數nk為：

其中，Vsat為低軌衛星的星下點移動速度，R為方形小區長度。
　　服務等級（GoS）是反映QoS的一個重要指標，它由新呼叫阻塞概率和切換失敗概率決定[6]：

其中，k>1，是新呼叫與切換呼叫GoS之間的平衡因子，在一些文獻中通常取10。服務等級越低，通信質量越好，說明信道分配策略越好；切換失敗概率對于服務等級的影響是新呼叫阻塞概率對其影響的k倍。
為保證改進的策略具有更好的QoS，要求改進策略的GoS更低，結合GoS定義可得：

其中，Pn2和Ph2分別為策略改進后系統產生的新呼叫阻塞概率和切換失敗概率；Pn1和Ph1分別為原策略產生的新呼叫阻塞概率和切換失敗概率。為更清楚地表述算法，本文將相應的呼叫統計數量引入計算，(6)式即可表示為：

其中，Nnbi，Nni，Nhbi，Nhi分別為采取原策略(i＝1)和采取改進策略(i=2)時一段時間內系統中產生的新呼叫阻塞數量、新呼叫數量、切換失敗數量、切換數量。可令Nn1和Nn2相等，記為：

本文采用的移動性模型滿足參考文獻[6]提出的假設要求， 近似為0，根據參考文獻[6]，有：
　　

由式(7)、(8)、(9)，得到：

不等式左側分母表示新策略減少的新呼叫阻塞數量，即增加的新呼叫接入數量，分子表示新策略增加的切換失敗的數量。又有采用強占信道策略允許新呼叫接入所導致的切換失敗概率為Po(C+1)，則有：

這里稱不等式(12)右側的時間門限為強占信道時間門限，用ΔT表示。只有滿足Δτ>ΔT，才能保證改進的策略具有更好的服務質量。
2．2 算法描述
　　在執行基于TCRA的強占預留信道的信道分配策略時，首先根據實際低軌星座衛星的移動性參數、小區信道數量以及業務模型的相關參數，按(12)式計算強占信道時間門限ΔT。在一個呼叫的生命周期中主要執行的算法如下：
　　新呼叫到達階段：當T0時刻新呼叫發出信道請求時，系統首先執行TCRA-1策略，如果滿足此策略，系統分配給新呼叫一個合適的信道并實施預留，如果新用戶駐留本小區時間間隔內所有信道都有被預留的記錄，則搜索最遲被預留的信道，假設其預留開始時間為T1，則Δτ＝T1－T0。如果Δτ>ΔT且可在下一小區實施預留，則接受新呼叫請求；否則，新呼叫失敗；如果系統沒有空閑信道，也阻止新呼叫接入。
　　呼叫切換階段：切換后用戶使用事先系統為其預留的信道；系統預測未來切換的時刻，并且在未來小區中相應的時間間隔內預留一個信道。如果以上條件系統無法滿足，則此呼叫切換失敗，解除為其預留的信道。無論切換是否成功，此呼叫都釋放目前小區占用信道。
　　呼叫終止階段：當用戶結束本次呼叫時，釋放目前小區占用的信道，解除下一小區相應信道的預留請求。
3 仿真結果與分析
3．1仿真模型和基礎假設
　　本文中的仿真建立在7小區網絡模型之上進行，如圖1。在7小區模型中用戶終端按照從小區A到小區G的順序切換， G中用戶的目的切換小區是A。7小區模型可以為仿真提供足夠的精度，且復雜度要低于采用98小區的模型[5]。
　　仿真中假設：模型中新呼叫到達時間服從泊松分布，小區中的新呼叫用戶出現位置服從均勻分布；用戶通話持續時間服從負指數分布，呼叫平均持續時長為180s；小區長度為250km；衛星星下點速度為27 000km/h；采用固定信道分配，每個小區平均分配20條信道；TCRA-1中的錯誤差量σt取0；GoS平衡因子k取10；仿真時間為24h。
3．2 仿真結果
　　本文在固定信道分配的基礎上，分別采用了TCRA、基于TCRA的強占預留信道策略、預留信道數量為2和3的固定信道預留策略對通信過程進行仿真。對應不同的業務量，對幾種策略的切換失敗概率、新呼叫阻塞概率和GoS三項指標進行比較， 如圖4、圖5、圖6所示對比幾種策略，TCRA不產生切換失敗，這是此算法的優勢，但其產生的新呼叫阻塞率較高；固定預留2個信道策略的切換失敗率最高；固定預留3個信道策略的新呼叫阻塞率最高；提出的新策略產生一定的切換失敗，但即使是在業務量為12愛爾蘭時切換失敗率也僅有7.7×10-4，在新呼叫阻塞概率方面，明顯優于固定預留3個信道的預留策略和TCRA策略，對應不同的業務量，策略幾乎都能比TCRA降低20％的新呼叫阻塞概率。幾種策略中，本文提出的新策略具有最低的GoS。綜上，與TCRA和兩種固定信道預留策略相比，新策略都具有更好的QoS，且能較好地利用系統的信道資源。

為進一步提高低軌星座通信系統的信道利用率，本文提出了基于TCRA的強占預留信道的信道分配策略。該策略有效利用了呼叫時長負指數分布模型的無記憶特性，考慮了通話服務質量的要求，在允許少量切換失敗的情況下，較大幅度地提升了信道利用率。通過仿真，在切換和新呼叫兩方面性能上對該策略與TCRA算法和固定信道預留算法進行了比較。仿真結果表明，該策略是一種既保證通話QoS、又能進一步充分利用信道資源的低軌星座通信系統信道分配策略。