移動通信分為地面移動通信和衛(wèi)星移動通信,衛(wèi)星移動通信又可分為星座移動通信和靜止軌道衛(wèi)星移動通信。人們對地面移動通信系統(tǒng)用戶越區(qū)切換時信道分配策略的研究已經(jīng)比較成熟，而衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)信道分配策略的研究相對較少。GEO系統(tǒng)星地位置相對靜止，因而成為區(qū)域性通信的首選。針對GEO 系統(tǒng)終端運行速度快、波束覆蓋面積大等特點，將移動通信的幾種信道分配技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)，通過仿真來分析系統(tǒng)的性能。

　　1   系統(tǒng)模型

　　GEO 系統(tǒng)同其他移動通信系統(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發(fā)起的呼叫; 切換呼叫是當終端在通話過程中從一個區(qū)域移動到另一個區(qū)域時，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)先級高于初始呼叫，所以移動通信系統(tǒng)在分配信道時要保證切換呼叫呼損率低于初始呼叫呼損率。

　　GEO 系統(tǒng)一個顯著的特點就是存在高速運行的終端，終端高速運行時不輕易改變方向，所以在模型中，終端只有4 個固定的運動方向，確定了運動方向后，在通話結(jié)束前不再改變。通話起始位置是隨機的，如圖1 所示。

圖1  終端在波束覆蓋區(qū)內(nèi)運動示意圖

　　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)的各個參數(shù)。

　　駐留時間是描述一個移動終端在一個波束內(nèi)時間量的隨機變量。駐留時間分為初始呼叫駐留時間Tns和切換呼叫駐留時間Ths。Tns是一個終端呼叫從發(fā)起到離開波束的時間長度，T hs表示一個從相鄰波束切換過來的終端在該波束的駐留時間。假設(shè)終端在每個波束的平均駐留時間為Ts，Ts 服從負指數(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)時間T c 是指一次呼叫完成所占有的時間。假設(shè)其服從均值為uc 的負指數(shù)分布，即：

　　信道保持時間Th 是指在一個波束內(nèi)終端呼叫占用的時間，信道保持時間通常等于或小于呼叫持續(xù)時間，如式3 所示。

　　有了信道保持時間后，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) 。無論是切換呼叫還是初始呼叫，當其在波束中的通話持續(xù)時間大于在該波束內(nèi)的駐留時間時，就會發(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)留信道方案和排隊方案。非優(yōu)先方案是最基本的信道分配方案，系統(tǒng)對初始呼叫和切換呼叫一視同仁。當沒有信道可用時，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爭，而預(yù)留信道只服務(wù)于切換呼叫; 排隊方案不對信道進行分類，當系統(tǒng)沒有可用信道時，新到達的切換呼叫可以排隊等待系統(tǒng)分配信道，在排隊過程中，切換呼叫無法立即接通，且排隊隊列越長，切換呼叫接通的等待時間就越長。

　　在上述幾種信道分配方案中，預(yù)留信道方案通過預(yù)留信道降低切換呼損率，但卻導致初始呼損率上升; 排隊方案通過排隊機制降低切換呼損率，卻使切換呼叫產(chǎn)生一定的延遲。如果將預(yù)留信道方案與排隊方案相結(jié)合，即預(yù)留少量的信道同時又引入排隊機制，這樣就不會導致初始呼叫呼損率過大，并可以通過排隊進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，結(jié)合以下參數(shù)設(shè)置,通過仿真來分析系統(tǒng)的性能。

　　波束覆蓋半徑R : 500 km; 每個波束的信道數(shù)M: 30 條; MES 在切換區(qū)駐留時間1/ uq 為信道保持時間1/ uh 的1/ 4; MES 移動速度v: 1 000 m/ s; MES每次通話時長20 min。預(yù)留信道方案預(yù)留2 條信道，排隊混合方案預(yù)留2 條信道并且排隊隊列為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，因為信道的利用率降低了; 排隊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，因為在排隊混合方案中,切換呼叫除了可以參加排隊之外，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，因為預(yù)留信道不能被初始呼叫所使用，降低了信道的利用率，進而降低了系統(tǒng)容量。由圖3( b) 可見，對于不同的隊列長度，初始呼叫的阻塞率幾乎沒有改變。

　　因為初始呼叫不參與排隊，隊列的大小和初始呼叫沒有任何關(guān)系，排隊只是針對切換呼叫。對于切換呼叫，當呼叫強度較低，每小時少于20 次時，隊列大小對系統(tǒng)性能影響不明顯，因為排隊混合方案為切換呼叫預(yù)留了信道; 當呼叫強度增大，預(yù)留信道被全部占用，切換呼叫開始參加排隊。但并不是隊列值越大，系統(tǒng)可容納的呼叫強度就越大，當呼叫強度達到55 次/ h 以上時，隊列大小對系統(tǒng)性能的影響同樣不明顯。當呼叫強度為30 次/ h，預(yù)留2 條信道,隊列大小為10 的排隊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，至少要預(yù)留5條信道，而預(yù)留5 條信道時的初始呼損率高達0. 1,顯然排隊混合方案比預(yù)留信道方案有更好的性能。

圖3  預(yù)留信道數(shù)和排隊值大小對系統(tǒng)性能的影響

　　由圖4 可以看出終端的平均通話時長越長，其阻塞概率就越大; 平均通話時長越短，系統(tǒng)可容納的呼叫強度就越大。因為通話時長越長，占用信道的時間就越長，單位時間內(nèi)被釋放出來的空閑信道就越少，降低了系統(tǒng)的容量。終端的平均移動速度與系統(tǒng)的性能也有密切的關(guān)系，當終端平均運動速度大時，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，單位時間內(nèi)占用本波束信道的終端移出本波束的概率就會增大，被釋放出來的信道就會增加，所以系統(tǒng)單位時間內(nèi)可容納的呼叫強度就會增加。

圖4   終端通話時長和移動速度對系統(tǒng)性能的影響

　　4   結(jié)束語

　　通過仿真分析了GEO 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的非優(yōu)先方案、預(yù)留信道方案和排隊混合方案3 種信道分配方案下系統(tǒng)的性能，并研究了終端通話時長和移動速度對系統(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; 排隊混合方案在取得與預(yù)留信道方案同樣的切換呼損率時，可以獲得更低的初始呼叫呼損率，排隊混合方案優(yōu)于預(yù)留信道方案。