卫星移动通信系统集群通信竞争回退策略研究

郑　璇，孙晨华

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



卫星移动通信系统集群通信竞争回退策略研究

郑璇，孙晨华

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要在卫星移动通信系统基础上，实现集群通信组呼功能。当前卫星组呼通信采用固定频率方式，组呼成员在一个频率下进行通信，实用性差。针对组呼用户身份转换竞争上行信道的过程，为降低用户碰撞概率，提出一种针对媒体接入控制层(Medium Access Control，MAC)的一键通(Push To Talk，PTT)竞争回退策略，并仿真给出了各优先级的用户的概率曲线。仿真结果表明，竞争策略能够很好地保证优先级高的用户有较大的PTT竞争成功的概率。

关键词卫星移动通信；组呼；PTT竞争

Research on Trunked Communication Competition Fallback Strategy of Mobile Satellite Communication System

ZHENG Xuan,SUN Chen-hua

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn this paper,the group call function of trunked communication is implemented based on mobile satellite communication system.The current satellite group-call communication adopts a fixed frequency mode,and the group-call members communicate in a same frequency,which is not practical.This paper puts forward a fallback strategy for the push-to-talk (PTT) competitive conflict at medium access control (MAC) layer to lower conflict probability during a group call,and the simulation is performed to present the probability curve of all priority users.The simulation results show that the competition strategy has higher probability of success in PTT competition.

Key wordsmobile satellite communication;group call;PTT competition

0引言

在指挥调度以及抢险救灾中，集群组呼通信发挥着重要作用[1]，由于地面集群通信网络覆盖范围有限，在通信时，会发生超出网络覆盖范围的情况。卫星移动通信系统对通信距离不敏感，在此基础上实现组呼呼叫功能，能够极大地提高集群通信覆盖范围。卫星移动通信系统提供基于卫星的移动通信业务，其中所涉及的通信都是单呼呼叫[2]。将集群通信与卫星移动通信系统融合，可在卫星移动通信系统中实现组呼通信。目前我国在这个研究方向还没有成熟的研究成果，所以依靠目前卫星移动通信的资源，建设覆盖全球的数字卫星集群通信具有广阔的应用前景[3]。在卫星集群通信系统中，移动台用户在入网后竞争上行话音信道，由于用户众多，在竞争过程中由于信息“碰撞”会造成请求发送失败[4]。本文提出的PTT竞争回退策略，使呼叫请求的成功概率提高，减小碰撞信号发生的概率，极大地提高了卫星集群通信系统性能。

1MAC层PTT竞争随机接入回退策略

卫星移动通信系统组呼呼叫过程中存在2种组呼上行信道的竞争：一是当前讲话方讲话完毕，将上行信道释放，网络广播上行信道空闲消息后[4]，所有想讲话的用户按下PTT键申请讲话权时；二是在组呼呼叫进行中，主叫用户还没有申请释放上行信道，但是同组中更高优先级的用户按下PTT键想抢占上行信道时[5]。当无空闲业务信道或空闲业务信道不满足本次呼叫时，网络侧将按照呼叫优先级别的高低将呼叫进行排队，等待空闲业务信道，一旦业务信道发生变化，首先将满足优先级高的用户进行呼叫[6]

1.1用户竞争上行信道流程

当前讲话方讲话完毕，将上行信道释放，网络广播上行信道空闲消息后，所有想讲话的组成按下PTT键申请讲话权时的流程情况，如图1所示。

图1　MES竞争上行信道流程

讲话完毕的用户按下PTT键发送UPLINK_RELEASE消息向网络申请释放上行信道，网络响应后，首先拆去为用户分配的上行信道[7]，然后在组呼区域波束下的广播UPLINK_FREE消息。网络在同意用户请求后，向用户广播UPLINK_GRANT消息，并发送一个短消息指示用户可以开始讲话。接着网络向所有参与组呼呼叫的用户所在波束的下行信道发送UPLINK_BUSY消息，指示上行链路繁忙[8]。

1.2用户上行信道竞争算法

移动台PTT竞争流程如图2所示。

图2　移动台PTT竞争流程

当组呼讲话方讲话完毕后，讲话方将释放组呼上行信道，并在上行信道上发送UPLINK_RELEASE消息。网络收到讲话方发送的UPLINK_RELEASE消息后[9]，会向所有组呼呼叫成员移动台发送UPLINK_FREE消息，表明各个移动台可以开始竞争使用上行信道。

卫星集群通信中的话语权竞争是指组呼信道上行链路空闲时，任何参与组呼的移动台都可以通过随机竞争的方式申请讲话[10]，然后由组呼交换机根据设定的策略授权某个移动台使用组呼信道的上行链路讲话，其他移动台只能通过组呼信道的下行链路接收话音[11]。而多个移动台同时按下PTT键想要申请成为讲话方时，必然会产生冲突。为了解决避免这个冲突，应采取一定的退让策略。

讲话方完成讲话后，应该通过其占用的上行链路向网络发送释放链路的报文，以便其他有讲话需求的移动台可以申请上行链路[12]。网络应该通过组呼信道的下行链路即时向所有移动台广播上行链路的空闲状况。

有讲话需求的移动台在听到网络广播信道空闲时，通过直接抢占与直接接入相结合的方法，会在组呼上行信道发送呼叫申请消息，即UPLINK_ACCESS，直接抢占第1帧，如果抢占失败则开始回退，随机在之后的[1,N]中选择后退的帧数，考虑到集群组用户中成员用户优先级不同，设优先级为m(优先级最高用户m=0，以此类推)，回退次数为n，回退最大帧数为K，则

F=(m+2)*n,m=0,1,2,3;n>0。

对优先级最高m=0的用户进行分析，第1次申请在第1帧上发送，第2次从[1，2]中随机选择帧数后退，第3次从[1，4]中随机选择帧数后退，第4次从[1，6]中随机选择帧数后退，第5次从[1，8]中随机选择帧数后退，第6次从[1，10]中随机选择帧数后退，第7次从[1，12]中随机选择帧数后退，重发7次则总共在42帧内发送7次UPLINK_ACCESS请求。并且，在允许竞争的最长时间4 s内优先级最高的用户能够重复发送UPLINK_ACCESS消息的次数越大，因此竞争成功的概率也越大[13]。

对不同优先级用户的等待时延进行分析，假设网络中4个优先级用户的比例分别是：m=0的用户占10%，m=1的用户占20%，m=2的用户占30%，m=3的用户占40%。设此时正在进行的集群组呼中的成员有k个，对于m=2的成员来说，在同一帧发生碰撞的概率公式为：

p(0)=1/k，

p(1)=...=p(4)=(1-p(0))*(1/4)，

p(5)=...=p(12)=(1-p(1))*(1/8)，

p(13)=...=p(24)=(1-p(5))*(1/12)，

p(25)=...=p(40)=(1-p(13))*(1/16)。

则可以得到m=2的组成员在发送上行接入消息时发生碰撞的概率，如表1所示。

表1　m=2的MES在各帧上发送时发生碰撞的概率

2仿真验证

综上所述，将m=0,1,2,3优先级的用户消息在各帧中发生碰撞的概率汇总，如图3所示。

图3　不同优先级MES在各帧上发送时发生碰撞的概率

对于单一优先级用户，等待时间越长，再次发送竞争信道消息的碰撞概率越小[14]。对于不同优先级用户，优先级高的用户发送竞争上行信道消息在各帧上的碰撞概率低于优先级低的用户，因此等待发送时延也小。这也与不同优先级用户申请讲话时优先级越高的用户等待时间越小的思想相符合[15]。

3结束语

本文主要研究了卫星集群组呼呼叫过程中，用户按下PTT按键竞争组呼上行信道讲话的过程，以及竞争发生碰撞时根据优先级不同提出的退避算法，并分析得到了该算法中优先级越高的用户的发送等待时延越小的结论，这与提出算法的思想相一致。在卫星移动通信和集群通信的理论基础上，研究了卫星移动通信组呼业务中需要解决的接入竞争的部分问题，为以后研究卫星移动通信集群通信打下了理论基础。

参考文献

[1]胡正群.卫星集群应急通信系统[J].现代电子技术，2012(13)：4-6.

[2]陈国伟，徐子平，夏雷.卫星通信组呼业务MAC层研究[J].通信技术，2015(48)：66-70.

[3]陈姜晶子，徐子平.卫星集群组呼业务通知过程[J].通信技术，2014，47(6)：630-633.

[4]罗海滨.DMR集群系统高层协议的设计和研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[5]陈姜晶子.卫星集群组呼业务信道接入技术研究[D].南京：解放军理工大学，2015.

[6]吉树新.一种数学集群优先呼叫业务的设计与实现[J].无线电通信技术,2015,41(3):89-92.

[7]3GPP.TS 43.068 V7.8.0:Technical Speci-fication Group Core Network,Group Call Control (GCC) Protocol [S],2007.

[8]ETSI TS 101 376-5-7 V1.3.1.GEO-Mobile Radio Interface Specifications;Part 5:Radio interface physical layer specifications;Sub-part 7:Radio Subsystem Synchronization[S],2005.

[9]ETST TS 101 376-3-18 V1.1.1.Technical Specification GEO-Mobile Radio Inter face Specifications;Part3:Network Specifications;Sub-part18:Terminal-to-Terminal Call (TtT)[S],2001.

[10]ETST TS 101 376-3-23 V3.3.1.GEO-Mobile Radio Interface Specification (Release3);Third Generation Satellite Packet Radio Service[S],2012:28-30.

[11]张淼科.卫星通信MAC协议的发展研究[J].中国科技信息，2010(17)：60-62.

[12]ETSI TS 101 376-1-3 V3.2.1.GEO-Mobile Radio Interface Specification,Part1:General Specifications,Sub-part 3:General System Description[S],2011.

[13]蒋国华,郭俊利.TETRA数字集群在公共安全领域的应用[J].无线电工程,2011,41(8):62-64.

[14]ETSI TS 101 376-4-14 V3.3.1.GEO-Mobile Radio Interface Specifications (Release 3);Part 4:Radio Interface Protocol Specifications;Sub-part 14:Mobile Earth Station (MES) - Radio Link Control/Medium Access Control (RLC/MAC) Protocol[S],2012.

[15]陈国伟.卫星集群空中接口接入层(AS)协议研究与实现[D].南京：解放军理工大学，2015.

郑璇女，(1989—)，在读研究生。主要研究方向：卫星移动集群通信。

孙晨华女，(1964—)，研究员。主要研究方向：卫星通信系统与总体技术。

作者简介

基金项目：国家部委基金资助项目。

收稿日期：2015-12-30

中图分类号TN911

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)03-0012-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.04

引用格式：郑璇,孙晨华.卫星移动通信系统集群通信竞争回退策略研究[J].无线电工程,2016,46(3):12-14.