卫星通信系统中的呼叫接入控制

龚文斌 甘仲民

　　摘 要 分析比较了地面蜂窝移动通信系统和卫星通信系统在呼叫接入控制中的差异，并在此基础上重点分析讨论了卫星通信系统在呼叫接入控制中所必须考虑的策略。

　　关键词 卫星通信系统 呼叫接入控制

　　与有线网络相比，卫星系统的资源是非常昂贵的，特别是卫星本身和地球站都是低冗余的。因此，它们必须是稳定的并且要能被充分利用，而传统的与地面系统相似的卫星资源分配和呼叫管理技术并不能保证资源能够被有效利用，而且卫星通信系统与地面通信系统最大的不同点在于：地面通信系统中移动的是用户终端，而卫星通信系统中则可能是卫星和用户终端两者都移动，尤其是在低轨道卫星移动通信中，卫星的移动则是主要的。另外，卫星的其他一些特性如电能的有限性等，使得在对待卫星通信系统的呼叫接入问题中必须采取有别于地面通信系统的独特策略。在这里我们所要研究的呼叫并不仅仅是指新呼叫（发起初始呼叫请求的呼叫），还包括由于需要从一个小区切换到另一个小区的切换呼叫请求。

　　1 传统的呼叫接入控制

　　在传统的卫星通信系统中，呼叫接入控制所采用的策略和地面蜂窝移动通信所采取的策略很相似。当卫星具有固定信道数时，采用FDMA和TDMA的系统，在不考虑切换呼叫时，如果系统有空闲信道满足呼叫的请求，就接纳呼叫，否则就拒绝。在进一步考虑业务之间的优先级问题时。则需要给实时用户比非实时用户更高的优先级。如在采用双移动边界的策略中，根据实时和非实时业务量的大小来决定实时业务信道数、非实时业多信道数和公共信道数的数目。其中公共信道可以被实时业务和非实时业务共同使用。信道数的边界是根据当时业务需求量来决定的，它的目的是在保证实时业务服务质量的基础上，提高系统的资源利用率和系统容量。

　　上面所提到的方法不涉及切换呼叫的情况，它们可以应用于所有的卫星系统中。但在非同步卫星系统中，尤其在LEO卫星系统中，就必须考虑切换呼叫的问题。在地面蜂窝系统中是小区和小区之间的切换，移动的是用户；而在LEO卫星系统中，则是彼束与波柬之间的切换，更具移动性的是卫星而不是用户。由于LEO卫星的可视期很短，因此LEO卫星系统中的用户将面临在点波束之间进行频繁切换的问题。利用地面蜂窝系统对待切换呼叫的策略，在LEO卫星系统中我们也给予比初始呼叫更高的优先级（因为掉线比阻塞对用户造成的影响更大），并且在相邻的点波柬中专门预留保护信道给切换呼叫使用，目的是为了降低切换呼叫的掉线率，但同时新呼叫的阻塞率也将增大。

　　在采用CDMA的卫星通信系统中，它的呼叫接入同样可以采取相似于地面蜂窝的策略。如基于用户SIR（信于比）需求的分析：系统计算新加入的用户和已经在线的用户的SIR如能达到期望的要求，则接纳呼叫，否则拒绝接纳。基于SIR的呼叫接入控制可以保证在线用户和新用户的QoS。还有如基于干扰的分析：当干扰水平达到一定值时，就拒绝接纳新呼叫。

　　2 卫星通信系统中切换呼叫的接入

　　在考虑卫星通信系统中的呼叫接入控制时，我们先把目光放在切换呼叫的接入问题中。对于有些LEO卫星通信系统，每10min需要进行卫星间的切换，每2min需要进行彼束间的切换。

　　对于地面蜂窝移动通信系统的切换问题，它的产生原因主要是由于用户的移动性造成的。当一个用户从一个小区跨越到另一个小区时，就需要进行切换处理。为了降低切换失败的概率，提出了各种各样的方法，主要的策略就是在邻小区预留一定数量的保护信道专门供切换使用。而研究的主要目的无疑集中在如何使预留的信道更合理，因此，可在降低切换失败率的前提下，尽量减少对阻塞率的影响。其中最有效的方法应该是利用GPS定位预测用户的移动趋势来更合理地预留保护信道。

　　当然在卫星通信系统中也可以采取相同的策略，但实际上卫星通信系统中产生切换的主要原因是由于卫星的移动。由于卫星移动的速度比地面用户的移动速度要快得多，所以地面用户的移动速度可以被忽略掉，并且可以假设用户都是相对卫星以相同的速度朝相同的方向移动。这样用户要发生的切换就可以被比较精确地估计到，虽然由于用户的移动性会造成一定的误差，但它总的影响还是比较微弱的。由于我们对卫星移动的轨迹和速度都是已知的，所以在LEO卫星通信系统中我们就可以便通信在波束间或卫星间成功地进行切换，从而降低切换掉线率。

　　如果要进一步降低切换失败率，就必须考虑用户的移动性，但这必将增加用户端和卫星端的负担，并且不准确的预测还会导致信道利用率的降低，因为在邻小区预留的保护信道会被闲置。

　　3 点波束容量变化的网络的呼叫接入控制

　　在地面蜂窝系统中，一般情况下系统的容量都是不变的（CDMA系统中的软容量是另外一种情况），而许多卫星网络的容量则随着时间的变化而变化。原因有很多，一些原因是不可预测的，一些原因是可以预测的。如在LEO卫星系统中，卫星波束功率分布的关系、信道再用的模式、地区的可视卫星波柬数和当前服务地区是中间小覆盖波束还是边缘大覆盖波束等因素，都会使服务地区的有效容量发生变化。也可以认为各个点波束内的容量是不同的。因为卫星的运行是具有周期性的，因此这些因数造成的容量变化也具有周期性。另外，可预测的容量变化是由于一些卫星通信的信道被一些用户事先预定，如某一时间要进行实况转播等，所有这些因素在卫星通信的呼叫接入中是必须考虑的。

　　许多呼叫接入控制的策略往往是比较呼叫请求的资源量和当前系统的有效资源来决定是否接纳新呼叫。这些策略尤疑都是假设网络的容量是保持不变的，即网络具有涸定容量。而在容量会发生变化的情况下，呼叫接入控制策略如果仅仅考虑当前时刻的容量信息，则在下一时刻网络容量发生下降的情况下，就可能会导致过高或不可容忍的掉线率。

　　在LEO卫星移动通信中，我们必须充分利用卫星运动具有周期性的特征，比较精确地预测未来容量的变化，以对呼叫的接纳与否作出判决。

　　4 电能受限情况下的接入控制

　　通信是需要电能的，不管是地面蜂窝系统还是卫星通信系统，但是地面蜂窝系统与卫星通信系统在能源的来源上却截然不同。地面基站的电能可以通过地面电力网络提供，基本上不存在电量不足的可能性；而卫星系统却由于其供电系统的独特性，使得在各个方面不得不考虑电能的消耗问题，卫星电能的主要来源是太阳能电池。

　　对于许多卫星，电能管理是一个至关重要的课题，最简单的原因就是电能的有效性直接转化为费用的节省。如卫星对电能需求的降低意味着对太阳能电池组需求的减少。而电池的减少就可以降低卫星的重量，重量的节省通常可以提供经济利益，即可以选择更小的发射器从而降低成本。卫星通常使用太阳能电他，对于地球同步卫星来说，由于它只经历短期的日食，所以可以认为它们的电能是相对稳定和不变的。但是对于中低轨道卫星来说会经历更长时间的黑暗，从而缺少电能的输入。在这种情况下，电能的消耗策略是非常需要的。

　　不同的用户，由于所处的地点、天线的尺寸等不同，使得相同服务需要卫星消耗不同的电能；由于用户之间级别的不同，导致相同服务下的付费也不同，从而使卫星运营商在考虑接人时变得更加复杂。在电能受限的情况下，接入控制的目标函数可以是吞吐量的大小，更可以是报酬的多少。如果报酬和吞吐量成正比，则策略的选择就是系统吞吐量的最大化。在一个固定时间内如有一固定数量的数据需要传输，则系统的目的就是消耗电能的最小化。

　　在追求系统的某个目标时，应该要同时考虑系统必须提供的服务质量。在考虑某种策略时，往往要假设一个服务请求所需的电能；对于语音通信服务来说，这个假设是指平均所需电能。在这种情况下，通话时间大于平均值并且所需的电能也大于平均值的用户，其通话掉线率就会很高。如在通话过程中，卫星的电能全部消耗掉，而又处于黑暗期，则通话就会被中断。所以在考虑报酬的同时必须考虑系统的服务质量，在接入呼叫的时候应该考虑新呼叫的加入是否会使卫星的电能过量消耗而导致掉线率的增加。

　　5 数据包的接入控制

　　对于数据包的接入服务，我们所追求的主要目标是系统的吞吐量大小。在多址接入方式中，CDMA具有较高的频谱利用率，能提供更大的寥量，本节主要分析CDMA卫星通信系统的数据包接入。

　　在CDMA系统中，所有用户都使用相同的频率，所有用户都会对其他用户产生干扰，所以它是一个干扰受限的系统。在LEO卫星通信系统中，每个点波束在地面的投影可以被看作为一个小区；对于上行链路，其他小区的用户对本小区的用户同样都会造成干扰，这一点与地面蜂窝系统的情形相似。在地面蜂窝系统中，为了取得最大的吞吐量，一种最佳的方法是根据用户信道的好差给予用户不同的优先级，信道最好的用户具有最高的优先级，当然这是在相同业务级别的情况下，实际中用户的级别首先是看用户业务的级别，然后再根据信道质量来确定优先级。

　　在地面蜂窝系统中，由于传播的情况比较复杂，离基站近的用户并不一定就具有最好的信道质量，所以它的优先级是根据信道质量来确定的，在基站采用信道估计的方法。而卫星通信系统中，各个信道的传播途径虽然不一样，但在一个小区内，信道质量的好坏主要还是由通信距离决定。所以，为了取得更大的系统吞吐量，我们可以采取与地面蜂窝系统相似的策略：具有更短传播距离的用户给予更大的发射概率，也就是说对于相同业务的请求，系统将优先满足近距离用户的需求。这样在本小区具有相同业务量的情况下对邻小区的干扰就可以大大降低，无疑可以提高其他小区的容量，系统总的吞吐量也会随之增加。

　　虽然上述方法可以提高系统的吞吐量，但同时也得考虑业务密度的分布。当业务分布不均匀时，近距离用户的优先级会受到控制，可以根据业务的具体分布给出具体应给予的优先级，这样也就可以同时保证用户之间的公平性。

　　6 总结

　　综上所述，在考虑卫星通信系统的呼叫接入控制时，可以借鉴地面蜂窝移动通信系统的呼叫接入控制策略，但同时必须考虑卫星通信系统的独特性。如切换的频繁性、容量的变化、有限的电能供应等。要想设计切实有效的呼叫接入控制策略，必须充分考虑卫星通信系统的各种特点和各种独特的情形，使得对呼叫的接纳既不会影响当前时刻的服务质量，也不会影响在将来时间的服务质量。在满足系统服务质量的同时，要尽可能地提高系统资源的利用率。

摘自《电信技术》