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(huà)的呼叫的服務(wù)質(zhì)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(shí)間的信道預留算法(TCRA)[2]提前一個(gè)小區為切換呼叫預留信道，可以實(shí)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(shí)間信道預留算法(TCRA-O)，它假設在每個(gè)小區固定分配C個(gè)信道的基礎上，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(hù)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(hù)位置信息和呼叫已經(jīng)歷的時(shí)長(cháng),但在呼叫持續時(shí)長(cháng)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(hù)的地理位置信息。該策略本著(zhù)少影響甚至不影響正在通話(huà)用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量的原則，盡量接受具有小切換失敗風(fēng)險的新呼叫請求，提高了系統的資源利用率。
1 基于時(shí)間的信道預留算法(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為衛星多波束天線(xiàn)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(dòng)，小區中所有用戶(hù)以相同的速度沿著(zhù)與衛星相反的方向運動(dòng)，速度大小與衛星星下點(diǎn)速度相等。模型假設用戶(hù)配置有定位系統，則在呼叫開(kāi)始時(shí)用戶(hù)的位置就被確定。對于明確了移動(dòng)速度、方向和位置的用戶(hù)，其即將穿越的下一小區和切換的時(shí)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(gè)小區為新到達用戶(hù)預留信道時(shí)，才接受此新呼叫請求。TCRA-1是明確用戶(hù)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(hù)U要求一個(gè)新呼叫連接。系統向用戶(hù)呼叫發(fā)起的源小區C0和第一個(gè)穿越的小區C1發(fā)送一個(gè)信道預留請求，分別在兩小區時(shí)間間隔[Tsetup, Tsetup+T0+σt]和[Tsetup+T0－σt, Tsetup+T0+T1＋σt]中預留一個(gè)信道。其中，T0和T1分別為用戶(hù)在源小區和穿越小區中的駐留時(shí)間，σt為事先設定的一個(gè)允許的錯誤差量。如果兩個(gè)請求都能被滿(mǎn)足，則呼叫請求被接受。
　　每個(gè)切換階段：當一個(gè)正在通話(huà)用戶(hù)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(hù)，釋放Ci中信道，并向Ci＋2發(fā)出一個(gè)新請求，在Ci＋2中時(shí)間間隔[THOi+T1－σt，THOi+2T1+σt]內為用戶(hù)預留一個(gè)信道。其中，THOi為用戶(hù)在Ci中發(fā)生切換的時(shí)間。
　　呼叫終止階段：當用戶(hù)在Ci中終止呼叫時(shí)，它會(huì )釋放當前占用的信道，并向Ci＋1發(fā)送取消預留信道的命令。
此策略能夠保證用戶(hù)在其通話(huà)持續時(shí)間內不發(fā)生切換失敗，原理在參考文獻[2]中已被說(shuō)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(shuō)明這一問(wèn)題。
如圖2，假設每小區有2個(gè)可用信道，3個(gè)相連的小區（Cl、Cl+1 和Cl+2）中對應的位置分別有3個(gè)正在通話(huà)用戶(hù)（用戶(hù)1、用戶(hù)2和用戶(hù)3）。圖3為用戶(hù)在相應小區中相應時(shí)間段內的信道使用和預留情況，橫坐標代表時(shí)間，縱坐標代表相應小區及相應信道。t0時(shí)刻處于Cl+1的用戶(hù)U向系統發(fā)出新呼叫請求，雖然此時(shí)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(jīng)為用戶(hù)1預留信道，無(wú)法在[t0，t2]為用戶(hù)U進(jìn)行正常的信道預留，因此系統拒絕用戶(hù)U的新呼叫請求。分析此情況，如果在用戶(hù)1到達Cl+1小區之前，即[t0，t1]間，用戶(hù)1、用戶(hù)2和用戶(hù)U三者中任意一個(gè)用戶(hù)結束其通話(huà)，則即使系統接受用戶(hù)U占用為用戶(hù)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(méi)能充分利用系統容量，造成了資源的浪費。以此類(lèi)推，如果系統信道容量增大至20甚至更高，此類(lèi)資源浪費的現象將更加嚴重。