中低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換管理算法的研究.pdf

1、衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為新一代面向提供新的個(gè)人化業(yè)務(wù)的移動(dòng)通信全球系統(tǒng)（UMTS）的一個(gè)重要組成部分，受到越來(lái)越多研究的關(guān)注。其中對(duì)中低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的研究成了近幾年的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。在中低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中由于衛(wèi)星數(shù)目眾多，且衛(wèi)星處于不斷的運(yùn)動(dòng)中，衛(wèi)星間相互連接關(guān)系變化復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)間鏈路頻繁切換，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓樸結(jié)構(gòu)也是不斷地發(fā)生變化。為了保證有效的信息傳輸必須選擇合理的路由策略和切換管理策略。又由于未來(lái)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的信息終端數(shù)目、業(yè)務(wù)類型眾多，

2、為了能夠?qū)⑿畔⒓皶r(shí)傳送到相應(yīng)的終端，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)必須能夠了解各個(gè)終端的具體位置，必須具有位置管理功能。因此，有必要對(duì)切換管理算法進(jìn)行深入研究。
　　首先，本文提出一種分析衛(wèi)星系統(tǒng)阻塞概率性能的分解法。先介紹中低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的覆蓋幾何特性及衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基本原理，通過(guò)建立衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)模型，抽象出衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中切換問(wèn)題的定義，并根據(jù)切換的不同特點(diǎn)進(jìn)行了分類，指出本文研究的重點(diǎn)——星地鏈路切換。根據(jù)切換管理算法的目的，就算法的性能指標(biāo)做了說(shuō)明。由于中低

3、軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的規(guī)模較大，就整個(gè)系統(tǒng)直接進(jìn)行性能統(tǒng)計(jì)非常復(fù)雜，因此給出一種分解法，它將衛(wèi)星系統(tǒng)分解成多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)只包含幾顆衛(wèi)星，先對(duì)各子系統(tǒng)的呼叫阻塞概率進(jìn)行求解，然后將各個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)果迭代得出整個(gè)系統(tǒng)的阻塞概率，并通過(guò)仿真與理論值的比較進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　第二，提出一種基于雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的多媒體業(yè)務(wù)切換管理算法。充分考慮到未來(lái)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的多層化、傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)多媒體化的趨勢(shì)，在分析多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特性以及多媒體業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量

4、（QoS）要求的不同特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出本算法。該算法是基于切換管理預(yù)留算法的原理，針對(duì)在承載多媒體業(yè)務(wù)的單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中利用確保切換（GH）算法存在資源緊缺的問(wèn)題，結(jié)合中軌/低軌（MEO/LEO）雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的研究結(jié)論而提出的。該算法將MEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分成宏小區(qū)和微小區(qū)，根據(jù)不同業(yè)務(wù)各自對(duì)QoS的要求，有選擇地接入到相應(yīng)小區(qū)，即執(zhí)行分層分業(yè)務(wù)的切換管理策略，有效地實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)流量的均勻化，在提高了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能的同時(shí)保證了多媒體業(yè)務(wù)

5、的QoS。
　　第三，提出一種基于流量估計(jì)的自適應(yīng)切換管理算法。對(duì)于平穩(wěn)流量，為了提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，以具有較好 QoS保證，先提出一種用于LEO移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中路由和切換的自適應(yīng)信道管理方案（ACMS）。本方案中，為了在降低切換阻塞率的同時(shí)能確保特定的新呼叫阻塞率要求，根據(jù)衛(wèi)星鏈路的流量狀況和系統(tǒng)移動(dòng)性特征，將部分信道動(dòng)態(tài)地專門預(yù)留給切換呼叫，并在路徑選擇期間，完全實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)信道流量，使得能夠更加有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，從而提高 Q

6、oS性能。然而，在實(shí)際的LEO衛(wèi)星系統(tǒng)中切換流量的特性難以用公式精確描述，原因是切換流量的不穩(wěn)定性；這給需滿足特定QoS要求的信道分配的最優(yōu)判決造成了很大的困難。為此提出一種量化的方法來(lái)最小化切換流量不穩(wěn)定環(huán)境下阻塞呼叫數(shù)與總呼叫數(shù)的比例。用嚴(yán)格的求解算法推導(dǎo)出了這些比例和最優(yōu)化模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。最后，仿真分析性能。
　　第四，利用多普勒頻移原理，提出一種基于多普勒頻移監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)切換管理算法。在中低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，呼叫在相鄰小區(qū)或

7、相鄰衛(wèi)星間的切換策略是影響系統(tǒng)提供的服務(wù)質(zhì)量的主要因素之一。為此，通過(guò)對(duì)用戶終端的多普勒頻移監(jiān)測(cè)可以預(yù)測(cè)出用戶即將發(fā)生衛(wèi)星切換的時(shí)刻以及可以為之服務(wù)的衛(wèi)星，又考慮到地球的自轉(zhuǎn)和衛(wèi)星間具有重疊分集的特性，為的是在多媒體應(yīng)用中提供有效的衛(wèi)星切換策略和QoS。并就利用該算法的9種服務(wù)方案進(jìn)行了性能比較。其次，就利用LEO衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)和高速列車等高速用戶服務(wù)的切換管理問(wèn)題，改進(jìn)了基于多普勒預(yù)測(cè)的切換管理算法，并做了仿真分析驗(yàn)證改進(jìn)算法的有效性