低轨卫星移动通信系统馈电链路切换方案.docx

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低轨卫星移动通信系统馈电链路切换方案

低轨卫星移动通信系统馈电链路切换方案

刘严静;苟定勇;吴诗其

【摘要】研究了无星际链路低轨卫星移动通信系统中的馈电链路的切换问题,提出了两种馈电切换方案-最短馈电链路切换方案和最长可视时间切换方案.结合两种已有的用户链路切换准则,在构造的非均匀分布全国话务密度模型上进行了系统仿真.仿真结果表明馈电链路切换方案对系统开销影响较大,选择最长可视时间馈电链路切换方案,可以减少切换带来的信令开销,提高服务质量,具有较高的参考和实用价值.

【期刊名称】《电子科技大学学报》

【年（卷）,期】2007（036）002

【总页数】4页（P164-166,175）

【关键词】馈电链路;切换;低轨卫星移动通信系统;用户链路

【作者】刘严静;苟定勇;吴诗其

【作者单位】电子科技大学通信与信息工程学院,成都,610054;电子科技大学通信与信息工程学院,成都,610054;电子科技大学通信与信息工程学院,成都,610054

【正文语种】中文

【中图分类】基础科学

第36卷第2期2007年4月电子科技大学学报IoumalofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaV01.36No.2Apr.2007低轨卫星移动通信系统馈电链路切换方案刘严静，苟定勇，吴诗其（屯子科技大学通信与信息工程学院成都610054）【摘要】研究了无星际链路低轨卫星移动通信系统中的馈电链路的切换问题，提出了两种馈电切换方案一最短馈电链路切换方案和最长可视时间切换方案．结合两种已有的用户链路切换准则，在构造的非均匀分布全国话务密度模型上进行了系统仿真．仿真结果表明馈电链路切换方案对系统开销影响较大，选择最长可视时间馈电链路切换方案，可以减少切换带来的信令开销，提高服务质量，具有较高的参考和实用价值．关键词馈电链路：

切换；低轨卫星移动通信系统；用户链路中图分类号TN927文献标识码AFeederLinkHandoverSchemesofLowEarthOrbitSatelliteMobileSystemsLIUYan-jing,GOUDing-yong,WUShi-qi（SchoolofCommunicationandInformationEn8incering,Univ.ofElectron.Sci.&Tcch.ofChinaChengdu610054）AbstractThispaperdiscussesissuesoffeederlinkhandoveranduserlinkhandoverinLowEarthOrbit（LEO）satellitemobilecommunicationsystemswithoutInter-SatelliteLinks（ISL）.Twofeederlinkhandoverschemesarepresented.Thesetwoschemesaresimulatedbasedontwouserlinkhandoverprinciplesandnon-uniformdistributednationaltrafficmodelofchina.Simulationresultsshowthatthelongestvisibledurationschemecangreatlyreducethehandoverfrequencyofgatewayandimprovesystemperformance.Consequentlythisschemehasbettervalueinpractice.Keywordsfeederlink;handover;LEOsatellitemobilecommunicationsystem;userlink由于低轨卫星相对于地面的高速移动性，低轨卫星移动通信系统在通信过程中将发生大量的切换（包括用户到卫星的用户链路切换和卫星到信关站的馈电链路切换）。

在无星际链路的低轨卫星移动通信系统中，卫星无星上处理能力，卫星之间也无星际链路，采用“弯管式”透明转发通信方式，所有的信号处理和交换都在地面进行，因此需要建立大量的地面信关站。

如Globalstar系统实现全球实时通信大致需要150～210个信关站【11。

当不涉及信关站切换时，切换相对来说要容易处理一些。

因为这些信令是在用户一卫星一信关站之间的本地链路传输。

但是，当涉及到信关站切换时，用户位置管理和路由信息等更新，需要较多的信令交换以及大量的地面路由重建，对于网络设计和管理维护形成较大的压力【2J。

本文研究涉及信关站切换的切换问题，即馈电链路在不同信关站的切换和用户链路在不同卫星之间的切换。

1切换方案1.1馈电链路切换方案本文提出了最短馈电链路切换方案和最长可视时间切换两种馈电链路切换方案。

1）最短馈电链路切换方案在最短馈电链路切换方案中，卫星移入所需要服务的地区，首先选择距离自己最近（接收信号功率最强）的信关站作为自己的服务信关站。

当仰角低于给定门限需要切换时，卫星在候选信关站中选择距离最近的信关站进行切换。

最短馈电链路切换方案实现简单方便，链路性能良好，但未能利用卫星移动通信系统星座运行规律的先验知识，未能有效地减少卫星切换信关站的次数。

2）最长可视时间切换策略为了减少卫星切换信关站的次数，从而降低用收稿日期l2005-02-06基金项目：

国家自然科学基金资助项目（60372013）作者简介。

刘严静（1980-）．女，硕士，主要从事卫星移动通信方面的研究，第36卷第2期07年4月电子科技大学报IoumalfUniversityElectronicScienceandTechnologyofChinaV01.36Np切换方案和最长可视时间切换方案．结合两种已有的用户链路切换准则，在构造的非均匀分布全国话务密度模型上进行了系统仿真．仿真结果表明馈电链路切换方案对系统开销影响较大，选择最长可视时间馈电链路切换方案，可以减少切换带来的关键词馈电链路：

换；低轨卫星移动通信系统；用户链路T9文献标识码FdLinkHaSchswEtObitelliteMileyY-jing,GDg,WhiqiolCation8inlctrci&hin154）sthisdiscussesissuesoffeederlinkhandoveranduserlinkhandoverinLowEarthOrbit）ellitebileatioithatellite（ISL）.siatrinciplesniformdistributednationaltrafficmodelofchina.Simulationresultsshowthatthelongestvisibledurationatlythfrqaterforlythisetteraluctice.Kk;r;nicationsystem;userlink由于低轨卫星相对于地面的高速移动性，低轨卫星移动通信系统在通信过程中将发生大量的切换（包括用户到卫星的用户链路切换和卫星到信关站的馈电链路切换）。

在无星际链路的低轨卫星移动通信系统中，卫星无星上处理能力，卫星之间也无星际链路，采用“弯管式”透明转发通信方式，所有的信号处理和交换都在地面进行，因此需要建立大量的地面信关站。

如Globalstar系统实现全球实时通信大致需要150～个信关站【11些因为这些信令是在用户星信关站之间的本地链路传输。

当涉及到信关站切换时，用户位置管理和路由信息等更新，需要较多的信令交换以及大量的地面路由重建，对于网络设计和管理维护形成较大的压力【2J切换方案馈电链路切换方案在最短馈电链路切换方案中，卫星移入所需要服务的地区，首先选择距离自己最近（接收信号功率最强）的信关站作为自己的服务信关站。

当仰角低于给定门限需要切换时，卫星在候选信关站中选择距离最近的信关站进行切换。

次数。

2）最长可视时间切换策略基金项目：

国家自然科学基金资助项目（60372013）．女，硕士，主要从事卫星移动通信方面的研究，第2期刘严静等：

低轨卫星移动通信系统馈电链路切换方案户与信关站之间的切换频率，在选择馈电链路时，可以摒弃距离最近（接收信号功率最强）的信关站，而是选取可视时间（信关站对卫星的可视时间）最长的一个，在仰角低于给定门限以前，始终保持与当前信关站相连，不发生切换。

低轨卫星移动通信系统的许多特性保证了这方案的有效性：

（1）信关站的冗余度特性：

在卫星移动通信系统中，出于通信网络可靠性考虑，信关站配置一般具有较多冗余度。

当某个工作的信关站失效或者相应的地面通信链路失效时，处于热备份状态的信关站可以立即投入工作。

因此，颗卫星往往可以同时覆盖多个信关站。

此外，信关站的设置是不受限制的，它可服务于几个重叠的卫星覆盖区【2l

（2）系统星座运行具有规律性：

由于卫星移动通信系统按照其特定的卫星星座规律运行，任意时刻星的位置坐标是可确定和预见的，因而，卫星对候选信关站的可视时间是可确定预见的。

系统控制中心根据候选信关站的坐标和卫星的位置关系，通过查阅星历计算出各自的可视时间，从而决定卫星切换到哪个信关站【411.2用户链路切换准则在低轨卫星移动通信系统中，常用的用户链路切换准则主要有五种【3】，本文只考虑：

最近卫星准则和最长可视时间准则两种。

最近卫星准则：

用户终端在切换发生时选择距离自己最近的卫星，也称为最大仰角准则。

最长可视时间准则：

用户终端在切换发生时选择可以提供最长通信连接保持的卫星，并在到达给定门限以前，始终保持与当前卫星的连接。

非均匀分布业务密度模型为了更好地模拟实际系统，根据中国的人口密度和人口经济密度，构造了非均匀分布业务密度模型：

在地理上将中国分割为东中西三大地区，不同的地区分配不同的业务密度系数，业务密度系数是人口密度和人口经济密度的加权组合。

具体地理划分和密度系数如表l所示。

文献【4]也提出了类似的业务分布模型。

表l业务密度模型区域分割以及密度系数区域地理位置，（．）密度系数东部东经112^-13

5．北纬24～49

1．∞中部东经107^121，北纬21^-540.46西部东经73^-107，北纬20～480.23仿真结果及分析本文选用Globalstar系统星卒进行仿真分析，其轨道参数如表2所示。

表2Globalstar星座的轨道参数卫星星轨道高度轨道倾角卫星轨道相邻轨道相邻座方案/km,（o）总数面数卫星相位差，（。

Globalstar1410524887.53.1仿真参数设置Globalstar系统在中国范围内设置五个信关站可为99%以上的地区提供实时覆盖【3】考虑到网络可靠性和冗余度的要求，选择九个信关站，位置分别为：

北京、哈尔滨、乌鲁木齐、喀什、拉萨、海口、福州、兰州、海拉尔。

对此，系统在不同的切换方案下对中国非均匀分布移动用户呼叫进行仿真，仿真时间为48h，仿真时间步长10s，整个仿真过程共计算了17280个取样点。

为评估切换性能，本文定义三个评价参数：

星座系统对信关站的切换频率厶（简称切换频率），单个用户次通话过程中的平均信关站切换次数N|hg和信关站累计服务时间7'姗。

它们分别为：

~=C曲|/T

（1）‰=击釜‰（D

（2）^^tTn=∑瓦。

刚O）（3）式中C0为星座系统在仿真时间内切换信关站的总次数；‰为仿真时间；Ck（f）为用户在第f次通话过程中切换信关站的次数，以为用户在仿真时间内发起呼叫的次数；飞^T为卫星的个数；乙。

d（f）为卫星f接入信关站的时间总和。

3.2仿真结果分析Globalst盯系统的最小仰角为100，图1是在不同的最小仰角要求下，Globalgtar星座对纬度200～500区域的覆盖特性，可看出只有在100和150以下才能实现真正的全覆盖。

在以下的仿真中，用户接入系统的最小仰角始终为100，卫星接入信关站的最小仰角（简称卫星接入仰角曲为（100，150，200，250，300）。

图2是不同的卫星接入仰角下，两种馈电链路切换方案的信关站切换频率对比。

从图2可看出，在口=100时，最长可视时间切换方案比最短馈电链路切换方案的信关站切换频率低45%：

萨l50时，两种方案的信关站切换频率相差最大，达50%；当a，大于l50后，随着口的增加，两种方案的切换频率差距减少。

第2刘严静等：

低轨卫星移动通信系统馈电链路切换方案户与信关站之间的切换频率，在选择馈电链路时，可以摒弃距离最近（接收信号功率最强）的信关站，而是选取可视时间（信关站对卫星的可视时间）最长的在仰角低于给定门限以前，始终保持与当前信关站相连，不发生切换。

低轨卫星移动通信系统的许多特性保证了这般具有较多冗余度。

当某个工作的信关站失效或者相应星的位置坐标是可确定和预见的，因而，卫星对候选信关站的可视时间是可确定预见的。

系统控制中心根据候选信关站的坐标和卫星的位置关系，通过查阅星历计算出各自的可视时间，从而决定卫星切换到哪个信关站【41.2用户链路切换准则选择可以提供最长通信连接保持的卫星，并在到达给定门限以前，始终保持与当前卫星的连接。

为了更好地模拟实际系统，根据中国的人口密度和人口经济密度，构造了非均匀分布业务密度模型：

在地理上将中国分割为东中西三大地区，不同的地区分配不同的业务密度系数，业务密度系数是人密度和人口经济密度的加权组合。

具体地理划分和密度系数如表l所示。

文献【4]也提出了类似的业务分布模型。

域地．∞中部4西部东经73^北纬208表2alstar星座的轨道参数卫星轨道相邻轨道相邻座方案/k总数面数卫星相位差，（alstar.1仿真参数设置alstar系统在中国范围内设置五个信关站可州、兰州、海拉尔。

对此，下对中国非均匀分布移动用户呼叫进行仿真，仿真时间为48h，仿真时间步长10s，整个仿真过程共计算了17个取样点。

为评估切换性能，本文定义三个评价参数：

座系对信站的频率厶（简称切换频率），单个用户均次数|hg和累计服务时间'姗它们分别为：

~=曲|/击釜‰（D∑瓦。

刚O）（3）式中为星座系统在仿真时间内切换信关站的话过程中切换信关站的次数，以为用户在仿真时间内发起呼叫的次数；飞^T为卫星的个数；乙。

d（f）为卫星f接入信关站的时间总和。

仿真结果分析alst盯系统的最小仰角为10图1是在不同的最小仰角要求下，Globalgtar星座对纬度20和15以下才能实现真正的全覆盖。

在以下的仿真中，用户接入系星接入信关站的最小仰图2是不同的卫星接入仰角下，两种馈电链路切换方案的信关站切换频率对比。

从图2可看出，在口=10时，两种方案的信关站切换频率相差最大，达50%；当a，大于l5后随着口的增加，两种方案的切换频率差距减少。

电子科技大学学报第36彳、卑餐鼍鼹搔水颦鞲墨摹丹稠群纬度/（o）图lGlobalstar系统的覆盖性能—√P—，一厂——一十最短馈电链路切拶最长可视时间切羹簇／／厂／、—／I15图2星座系统切换信关站的频率图3和图4分别是卫星接入仰角为100和150时，不同的呼叫平均持续时间下的次呼叫过程内切换信关站次数。

由图可见，馈电链路方面，最长可视时间切换方案明显地减小了信关站切换次数。

用户链路方面，相比最近卫星准则，最长可视时间切换准则也能减小信关站切换次数。

馈电链路切换方案比用户链路切换准则对本文讨论的系统性能影响就更大。

籁懿餐辛K逛辎墨皿暖1.8I．61.41.2I.O0.80.60+最短馈电链路切换方案十量近卫星准则二：

=羹簇寄寰蒋筒拐嫠夯橐丰曩蕴里望鞋蹋准则-最长可视时间切抉方案十最长可视时间准则060120180240300360Tls图3100仰角下用户切换信关站的次数碧糯黻黎绷囊馨薹七∥∥彭夕∥y爿∥矿力∥／∥，∥夕厂r60120180240300360Tls图4150仰角下用户切换信关站的次数图5和图6分别是卫星接入仰角为100和150时，各信关站的累计服务时间对比，两种方案差别显著。

由图可见，最短馈电链路切换方案的信关站业务相对分散，而最长可视时间切换方案的业务明显集中于五个信关站。

同时，仰角的变化对最长可视时间切换方案的影响更大。

信关站的业务分布集中，可能会带来业务突发，破坏信息的可靠性传输，是需要考虑的问题。

ll屋莒嘛鹾古噱上＼厘富球墨右噱l口最短馈电链路切换方案岫最长可视时间切换方案厂L．l-_．几．木齐图5100仰角下各信关站累计服务时间归量情慵由钵略切辏方塞一一_—一’——’一岫最长可视时间切换方案—r．l-L．t1-n_．-．几．．木齐图6150仰角下各信关站累计服务时间吓转第175页）lIlll0000麓蛞餐水是}鞲器疋暖第36彳卑餐鼍鼹搔水颦鞲墨摹丹稠群纬度/（图lalstar系统的覆盖性能√P／星座系统切换信关站的频率和15不信关站次数。

由图可见，馈电链路方面，最长可视时间切换方案明显地减小了信关站切换次数。

用户链路方面，相比最近卫星准则，最长可视时间切换准则也能减小信关站切