一種基于TCRA的低軌星座通信系統(tǒng)的強(qiáng)占預(yù)留信道策略

在低軌(LEO)星座衛(wèi)星通信中，目前已有的信道分配策略一般強(qiáng)調(diào)具有較低的切換失敗概率，以保證正在通話的呼叫的服務(wù)質(zhì)量。信道預(yù)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(shí)間的信道預(yù)留算法(TCRA)[2]提前一個(gè)小區(qū)為切換呼叫預(yù)留信道，可以實(shí)現(xiàn)零切換失敗。但該策略導(dǎo)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(xiàn)[3]提出了超額預(yù)留的基于時(shí)間信道預(yù)留算法(TCRA-O)，它假設(shè)在每個(gè)小區(qū)固定分配C個(gè)信道的基礎(chǔ)上，還存在S個(gè)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(xiàn)[4]中，算法的預(yù)留信道的數(shù)量考慮了用戶位置信息和呼叫已經(jīng)歷的時(shí)長(zhǎng),但在呼叫持續(xù)時(shí)長(zhǎng)服從負(fù)指數(shù)分布的模型中，該策略不夠準(zhǔn)確。
　　本文提出一種基于TCRA的強(qiáng)占預(yù)留信道策略，它在TCRA的基礎(chǔ)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(wù)質(zhì)量的原則，盡量接受具有小切換失敗風(fēng)險(xiǎn)的新呼叫請(qǐng)求，提高了系統(tǒng)的資源利用率。
1 基于時(shí)間的信道預(yù)留算法(TCRA)
1．1 移動(dòng)性模型
　　目前已提出很多適用于LEO星座通信系統(tǒng)仿真分析的移動(dòng)性模型[4-5]，本文采用圖1中所描述的一維移動(dòng)性模型[4]。其中，A-G為衛(wèi)星多波束天線在地面上形成的彼此相連的方形小區(qū)。假設(shè)這些方形小區(qū)固定不動(dòng)，小區(qū)中所有用戶以相同的速度沿著與衛(wèi)星相反的方向運(yùn)動(dòng)，速度大小與衛(wèi)星星下點(diǎn)速度相等。模型假設(shè)用戶配置有定位系統(tǒng)，則在呼叫開始時(shí)用戶的位置就被確定。對(duì)于明確了移動(dòng)速度、方向和位置的用戶，其即將穿越的下一小區(qū)和切換的時(shí)間是可以預(yù)測(cè)的。
1．2 TCRA-1
　　TCRA是一種有效的信道預(yù)留策略，它要求只有當(dāng)系統(tǒng)能夠提前一個(gè)小區(qū)為新到達(dá)用戶預(yù)留信道時(shí)，才接受此新呼叫請(qǐng)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(shí)施過(guò)程：

呼叫建立階段：在呼叫建立時(shí)間Tsetup，一個(gè)用戶U要求一個(gè)新呼叫連接。系統(tǒng)向用戶呼叫發(fā)起的源小區(qū)C0和第一個(gè)穿越的小區(qū)C1發(fā)送一個(gè)信道預(yù)留請(qǐng)求，分別在兩小區(qū)時(shí)間間隔[Tsetup, Tsetup+T0+σt]和[Tsetup+T0－σt, Tsetup+T0+T1＋σt]中預(yù)留一個(gè)信道。其中，T0和T1分別為用戶在源小區(qū)和穿越小區(qū)中的駐留時(shí)間，σt為事先設(shè)定的一個(gè)允許的錯(cuò)誤差量。如果兩個(gè)請(qǐng)求都能被滿足，則呼叫請(qǐng)求被接受。
　　每個(gè)切換階段：當(dāng)一個(gè)正在通話用戶完成從Ci至Ci＋1的一次切換，系統(tǒng)將Ci＋1中為其預(yù)留的信道分配給此用戶，釋放Ci中信道，并向Ci＋2發(fā)出一個(gè)新請(qǐng)求，在Ci＋2中時(shí)間間隔[THOi+T1－σt，THOi+2T1+σt]內(nèi)為用戶預(yù)留一個(gè)信道。其中，THOi為用戶在Ci中發(fā)生切換的時(shí)間。
　　呼叫終止階段：當(dāng)用戶在Ci中終止呼叫時(shí)，它會(huì)釋放當(dāng)前占用的信道，并向Ci＋1發(fā)送取消預(yù)留信道的命令。
此策略能夠保證用戶在其通話持續(xù)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生切換失敗，原理在參考文獻(xiàn)[2]中已被說(shuō)明，在此不再闡述。
2 基于TCRA的一種強(qiáng)占預(yù)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(tǒng)容量的浪費(fèi)，下面說(shuō)明這一問題。
如圖2，假設(shè)每小區(qū)有2個(gè)可用信道，3個(gè)相連的小區(qū)（Cl、Cl+1 和Cl+2）中對(duì)應(yīng)的位置分別有3個(gè)正在通話用戶（用戶1、用戶2和用戶3）。圖3為用戶在相應(yīng)小區(qū)中相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的信道使用和預(yù)留情況，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表相應(yīng)小區(qū)及相應(yīng)信道。t0時(shí)刻處于Cl+1的用戶U向系統(tǒng)發(fā)出新呼叫請(qǐng)求，雖然此時(shí)小區(qū)Cl+1存在未被使用的信道，但根據(jù)TCRA-1，系統(tǒng)在[t1，t3]已經(jīng)為用戶1預(yù)留信道，無(wú)法在[t0，t2]為用戶U進(jìn)行正常的信道預(yù)留，因此系統(tǒng)拒絕用戶U的新呼叫請(qǐng)求。分析此情況，如果在用戶1到達(dá)Cl+1小區(qū)之前，即[t0，t1]間，用戶1、用戶2和用戶U三者中任意一個(gè)用戶結(jié)束其通話，則即使系統(tǒng)接受用戶U占用為用戶1預(yù)留信道的請(qǐng)求，也不造成系統(tǒng)的切換失敗。TCRA的預(yù)留策略沒能充分利用系統(tǒng)容量，造成了資源的浪費(fèi)。以此類推，如果系統(tǒng)信道容量增大至20甚至更高，此類資源浪費(fèi)的現(xiàn)象將更加嚴(yán)重。