移動(dòng)通信分為地面移動(dòng)通信和衛(wèi)星移動(dòng)通信,衛(wèi)星移動(dòng)通信又可分為星座移動(dòng)通信和靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信。人們對(duì)地面移動(dòng)通信系統(tǒng)用戶越區(qū)切換時(shí)信道分配策略的研究已經(jīng)比較成熟，而衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)信道分配策略的研究相對(duì)較少。GEO系統(tǒng)星地位置相對(duì)靜止，因而成為區(qū)域性通信的首選。針對(duì)GEO 系統(tǒng)終端運(yùn)行速度快、波束覆蓋面積大等特點(diǎn)，將移動(dòng)通信的幾種信道分配技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)，通過(guò)仿真來(lái)分析系統(tǒng)的性能。
1 系統(tǒng)模型
GEO 系統(tǒng)同其他移動(dòng)通信系統(tǒng)一樣存在2 種類型的呼叫，即初始呼叫和切換呼叫。初始呼叫是終端需要通話時(shí)發(fā)起的呼叫; 切換呼叫是當(dāng)終端在通話過(guò)程中從一個(gè)區(qū)域移動(dòng)到另一個(gè)區(qū)域時(shí)，為了不使通話中斷，需要向新的服務(wù)區(qū)發(fā)起呼叫。切換呼叫的優(yōu)先級(jí)高于初始呼叫，所以移動(dòng)通信系統(tǒng)在分配信道時(shí)要保證切換呼叫呼損率低于初始呼叫呼損率。
GEO 系統(tǒng)一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是存在高速運(yùn)行的終端，終端高速運(yùn)行時(shí)不輕易改變方向，所以在模型中，終端只有4 個(gè)固定的運(yùn)動(dòng)方向，確定了運(yùn)動(dòng)方向后，在通話結(jié)束前不再改變。通話起始位置是隨機(jī)的，如圖1 所示。
圖1 終端在波束覆蓋區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)示意圖
為了分析系統(tǒng)的性能，所以首先確定與系統(tǒng)性能密切相關(guān)的各個(gè)參數(shù)。
駐留時(shí)間是描述一個(gè)移動(dòng)終端在一個(gè)波束內(nèi)時(shí)間量的隨機(jī)變量。駐留時(shí)間分為初始呼叫駐留時(shí)間Tns和切換呼叫駐留時(shí)間Ths。Tns是一個(gè)終端呼叫從發(fā)起到離開(kāi)波束的時(shí)間長(zhǎng)度，T hs表示一個(gè)從相鄰波束切換過(guò)來(lái)的終端在該波束的駐留時(shí)間。假設(shè)終端在每個(gè)波束的平均駐留時(shí)間為Ts，Ts 服從負(fù)指數(shù)分布，均值為1/ us，us= 0. 7182 × v / R，v 代表速度,R 代表波束半徑。
呼叫持續(xù)時(shí)間T c 是指一次呼叫完成所占有的時(shí)間。假設(shè)其服從均值為uc 的負(fù)指數(shù)分布，即：
信道保持時(shí)間Th 是指在一個(gè)波束內(nèi)終端呼叫占用的時(shí)間，信道保持時(shí)間通常等于或小于呼叫持續(xù)時(shí)間，如式3 所示。
有了信道保持時(shí)間后，就可以求出系統(tǒng)的平均呼叫離去率。由：
其概率密度函數(shù)為:
均值為E [ Th] = 1/ uh= 1/ ( uc+ us) 。無(wú)論是切換呼叫還是初始呼叫，當(dāng)其在波束中的通話持續(xù)時(shí)間大于在該波束內(nèi)的駐留時(shí)間時(shí)，就會(huì)發(fā)生切換，定義終端發(fā)生切換的概率為Ph:
2 技術(shù)方案
目前移動(dòng)通信系統(tǒng)的信道分配方案主要有非優(yōu)先切換方案、預(yù)留信道方案和排隊(duì)方案。非優(yōu)先方案是最基本的信道分配方案，系統(tǒng)對(duì)初始呼叫和切換呼叫一視同仁。當(dāng)沒(méi)有信道可用時(shí)，便形成呼損;預(yù)留信道方案將信道分為正常信道和預(yù)留信道，正常信道為初始呼叫和切換呼叫所競(jìng)爭(zhēng)，而預(yù)留信道只服務(wù)于切換呼叫; 排隊(duì)方案不對(duì)信道進(jìn)行分類，當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有可用信道時(shí)，新到達(dá)的切換呼叫可以排隊(duì)等待系統(tǒng)分配信道，在排隊(duì)過(guò)程中，切換呼叫無(wú)法立即接通，且排隊(duì)隊(duì)列越長(zhǎng)，切換呼叫接通的等待時(shí)間就越長(zhǎng)。
在上述幾種信道分配方案中，預(yù)留信道方案通過(guò)預(yù)留信道降低切換呼損率，但卻導(dǎo)致初始呼損率上升; 排隊(duì)方案通過(guò)排隊(duì)機(jī)制降低切換呼損率，卻使切換呼叫產(chǎn)生一定的延遲。如果將預(yù)留信道方案與排隊(duì)方案相結(jié)合，即預(yù)留少量的信道同時(shí)又引入排隊(duì)機(jī)制，這樣就不會(huì)導(dǎo)致初始呼叫呼損率過(guò)大，并可以通過(guò)排隊(duì)進(jìn)一步降低切換呼損率。
3 仿真分析
根據(jù)上述各種參數(shù)的推導(dǎo)，結(jié)合以下參數(shù)設(shè)置,通過(guò)仿真來(lái)分析系統(tǒng)的性能。
波束覆蓋半徑R : 500 km; 每個(gè)波束的信道數(shù)M: 30 條; MES 在切換區(qū)駐留時(shí)間1/ uq 為信道保持時(shí)間1/ uh 的1/ 4; MES 移動(dòng)速度v: 1 000 m/ s; MES每次通話時(shí)長(zhǎng)20 min。預(yù)留信道方案預(yù)留2 條信道，排隊(duì)混合方案預(yù)留2 條信道并且排隊(duì)隊(duì)列為10。
如圖2 所示，非優(yōu)先方案的初始呼損率最低，切換呼損率最高; 預(yù)留信道方案的切換呼損率較低，但初始呼損率卻較高，因?yàn)樾诺赖睦寐式档土? 排隊(duì)混合方案的初始呼損率和預(yù)留信道方案是相同的,它的切換呼損率是最低的，因?yàn)樵谂抨?duì)混合方案中,切換呼叫除了可以參加排隊(duì)之外，還可以使用預(yù)留的信道。
圖2 3 種方案初始呼損率和切換呼損率比較
預(yù)留不同的信道數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能有很大影響，如圖3( a) 所示，預(yù)留信道越多，系統(tǒng)性能越差，因?yàn)轭A(yù)留信道不能被初始呼叫所使用，降低了信道的利用率，進(jìn)而降低了系統(tǒng)容量。由圖3( b) 可見(jiàn)，對(duì)于不同的隊(duì)列長(zhǎng)度，初始呼叫的阻塞率幾乎沒(méi)有改變。
因?yàn)槌跏己艚胁粎⑴c排隊(duì)，隊(duì)列的大小和初始呼叫沒(méi)有任何關(guān)系，排隊(duì)只是針對(duì)切換呼叫。對(duì)于切換呼叫，當(dāng)呼叫強(qiáng)度較低，每小時(shí)少于20 次時(shí)，隊(duì)列大小對(duì)系統(tǒng)性能影響不明顯，因?yàn)榕抨?duì)混合方案為切換呼叫預(yù)留了信道; 當(dāng)呼叫強(qiáng)度增大，預(yù)留信道被全部占用，切換呼叫開(kāi)始參加排隊(duì)。但并不是隊(duì)列值越大，系統(tǒng)可容納的呼叫強(qiáng)度就越大，當(dāng)呼叫強(qiáng)度達(dá)到55 次/ h 以上時(shí)，隊(duì)列大小對(duì)系統(tǒng)性能的影響同樣不明顯。當(dāng)呼叫強(qiáng)度為30 次/ h，預(yù)留2 條信道,隊(duì)列大小為10 的排隊(duì)混合方案的切換呼損率和初始呼叫呼損率分別約為0. 001 和0. 02，而預(yù)留信道方案在保證切換呼損率為0. 001 時(shí)，至少要預(yù)留5條信道，而預(yù)留5 條信道時(shí)的初始呼損率高達(dá)0. 1,顯然排隊(duì)混合方案比預(yù)留信道方案有更好的性能。
圖3 預(yù)留信道數(shù)和排隊(duì)值大小對(duì)系統(tǒng)性能的影響
由圖4 可以看出終端的平均通話時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，其阻塞概率就越大; 平均通話時(shí)長(zhǎng)越短，系統(tǒng)可容納的呼叫強(qiáng)度就越大。因?yàn)橥ㄔ挄r(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，占用信道的時(shí)間就越長(zhǎng)，單位時(shí)間內(nèi)被釋放出來(lái)的空閑信道就越少，降低了系統(tǒng)的容量。終端的平均移動(dòng)速度與系統(tǒng)的性能也有密切的關(guān)系，當(dāng)終端平均運(yùn)動(dòng)速度大時(shí)，發(fā)生切換的概率就越大。信道數(shù)目有限，終端發(fā)生切換的概率變大，單位時(shí)間內(nèi)占用本波束信道的終端移出本波束的概率就會(huì)增大，被釋放出來(lái)的信道就會(huì)增加，所以系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)可容納的呼叫強(qiáng)度就會(huì)增加。
圖4 終端通話時(shí)長(zhǎng)和移動(dòng)速度對(duì)系統(tǒng)性能的影響
4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)仿真分析了GEO 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的非優(yōu)先方案、預(yù)留信道方案和排隊(duì)混合方案3 種信道分配方案下系統(tǒng)的性能，并研究了終端通話時(shí)長(zhǎng)和移動(dòng)速度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。從仿真結(jié)果可以看出，單純采用預(yù)留信道方案雖然降低了系統(tǒng)的切換呼損率，但卻提高了初始呼叫呼損率; 排隊(duì)混合方案在取得與預(yù)留信道方案同樣的切換呼損率時(shí)，可以獲得更低的初始呼叫呼損率，排隊(duì)混合方案優(yōu)于預(yù)留信道方案。