阴影衰落信道下多波束卫星移动通信系统的动态信道分配策略*

李　航，赵　明，王　京**

(清华大学 a.电子工程系;b.信息技术研究院，北京 100084)



阴影衰落信道下多波束卫星移动通信系统的动态信道分配策略*

李航a，赵明b，王京**a

(清华大学 a.电子工程系;b.信息技术研究院，北京 100084)

摘要：针对已有动态信道分配策略在阴影衰落环境中性能损失较大的问题，对卫星移动通信系统的阴影衰落信道模型进行分析，提出了一种动态信道分配策略。该策略结合用户的运动状态，通过在用户的预测运动轨迹上选取抽样点，将这些抽样点的平均干扰作为信道分配的指标，并采用链路质量约束避免了流量较大时的性能恶化。仿真结果表明提出的动态信道策略可在不增大阻塞率的前提下，在中低流量时将用户平均信噪比提高约0.5 dB。该策略可以应用于阴影衰落信道下的地面移动卫星通信系统，以提高用户的平均链路性能。

关键词：卫星移动通信；阴影衰落信道;动态信道分配；信道模型；链路质量约束

1引言

随着大孔径、高增益天线技术的发展，尤其是多波束馈源阵列、大天线反射面和数字波束成形技术的成熟应用，卫星的有效各向同性辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)和接收机品质因数(G/T)这两项指标都得到了巨大提高，从而对用户终端发送功率的要求大幅度降低[1-3]。同时，对于工作在S频段的静止轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星移动通信系统，用户终端可以使用单天线[4]，这使得卫星移动通信系统中的用户终端可以和地面移动通信系统中的终端大小相当[5-6]。

在多波束卫星移动通信系统中，用户之间如何共享频率资源是一个关键技术挑战。一种方案是静态频谱分配，其缺点在于卫星网络会受到地面网络的严重干扰[7]。另一种方案是动态频谱分配，即卫星网络和地面网络使用的频谱根据两者的流量需求被动态地划分为互不重叠的两部分[8]。由于频率资源的限制，为了保证每一个小区的带宽尽可能大，通常选用小的频率复用因子，这增大了小区间的干扰，引起了链路质量的降低。

为解决此问题，考虑到卫星一般具有星型拓扑结构，文献[8]提出了两种集中式动态信道分配策略：基于干扰测量的动态信道分配策略和基于位置的动态信道分配策略。这两种策略的共同点在于卫星基站根据测量到的干扰信息决定如何分配信道。在此基础上，文献[9]利用了卫星波束的平坦特性，提出了一种基于波束协作的动态信道分配策略，改善了小区边缘用户的性能。具体而言，由于卫星小区边缘相对中心的信号强度衰减不大[10]，卫星对接收到的来自相邻小区的信号进行合并，从而获得较大的分集增益。

然而，上述研究都是针对高斯加性白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道进行的，当用户终端位于城郊等建筑密集的区域时或仰角较小时，阴影衰落和多普勒效应较为严重，如果直接采用该动态信道分配策略，用户的链路质量性能还需进一步提高。因此，有必要针对阴影衰落情况对动态信道分配策略作进一步的研究。对于阴影衰落信道，已有信道模型的主要区别在于大尺度衰落和小尺度衰落概率分布的不同。大尺度衰落通常用对数正态分布或Nakagami分布描述，小尺度衰落通常用莱斯分布、瑞利分布、Nakagami分布或Beckmann分布描述[11]。在这些模型中，Loo模型具有参数相对简单、适用范围广的优点，已经广泛运用于卫星信道的分析中[12-13]，并且已在DVB-SH标准中使用[14]。对于Loo模型，视距(Line-of-Sight，LOS)分量受阴影衰落影响，非视距(Non-Line-of-Sight，NLOS)分量不受阴影衰落影响，其大尺度衰落和小尺度衰落分别服从对数正态分布和瑞利分布。

本文对Loo模型下的动态信道分配策略进行了研究：首先介绍信道模型，并分析了天线模型和多普勒效应的影响；接着在该信道模型下，提出了一种新的针对阴影衰落信道的动态信道分配策略，改善了用户的平均链路性能；最后给出了仿真结果，验证了所提策略的有效性。

2信号传播模型

2.1接收信号的组成

为叙述简洁，本文考虑上行信道的动态信道分配策略，下行信道可以采用同样的方法进行分析。卫星接收到来自用户的信号可表示为LOS分量和NLOS分量之和：

r(t)=z(t)Gx(t)+d(t)。

(1)

式中:r(t)表示接收到的信号；x(t)表示发送的信号；G表示天线增益；z(t)表示衰落因子;s(t)=Gx(t)表示LOS信号分量的幅值;d(t)表示NLOS信号分量的幅值。衰落因子z(t)服从对数正态分布，μ和d0分别表示lnz的均值和方差。NLOS分量d(t)的功率保持为常数2b0。

(2)

2.2天线模型

对于接收信号，式(1)中G的值由天线模型和用户距离小区中心点的距离共同决定。不同于蜂窝移动通信系统，卫星通信系统中的小区半径较大，波束具有平坦特性，旁瓣衰落缓慢。为描述实际天线的衰落缓慢特性，文献[8]提出了一种忽略旁瓣衰减的天线模型，该模型易于分析，但存在近似较为粗略的问题。文献[15]提出了一种更加精确地描述实际天线的模型，表达式为

(3)

式中：J1和J3分别是一阶和三阶第一类贝塞尔函数；θ是天线方向向量的角度；天线的“3 dB角度”Θ3dB指卫星指向小区中心和卫星指向小区边界的夹角。由于将衰减为3 dB的位置定义为小区边界，因此有G(Θ3dB)= -3。相关角度如图1所示,图中hGSO表示卫星高度，ϑ表示卫星的倾角，可根据文献[16]求出。

图1　相关角度示意图

2.3多普勒分量

对于GEO卫星，由于卫星与地面相对静止，因此发射端和接收端的相对运动也就等效为用户终端的运动。多普勒频移引起时延扩展，使得接收信号在时间上产生相关性，这种影响用一个无限冲激响应(Infinite Impulse Response，IIR)滤波器模拟。采样后的离散接收信号y(n)应为当前时刻接收的信号与前一时刻的接收信号的叠加，即[13,17]

y(n)=r(n)+Ay(n-1)。

(4)

式中：A=exp(-vT/rc)，T是采样间隔，rc是相干距离。

3卫星移动通信网络中的动态信道分配

卫星移动通信网络通常为星形拓扑结构，卫星具有各移动终端的位置、运动状态以及链路质量等信息，这使得采用集中式动态信道分配策略成为可能。文献[8]中提出了两种适于卫星移动通信网络的动态信道分配策略，这两种策略都是基于对干扰信息直接或间接的观测进行信道分配，以达到提高用户或卫星的接收信噪比的目的。相对于基于干扰测量的策略，基于位置的策略间接地利用信道状态，将对干扰的衡量转化为对用户位置的衡量，从而可以利用用户位置达到比较干扰大小的目的。比较两种策略可以发现，基于位置的策略具有延时少、计算简单、方法灵活的优点。

然而，当阴影衰落较为严重时，多径分量的强度增大，信道状态对用户终端的运动敏感，终端位于不同位置、不同时刻时受到的衰落并不相同。如果简单地把对干扰的测量等效于用户位置的测量，将会带来较大的性能损失。因此在阴影衰落信道的情况下，不宜采用基于位置的动态信道分配策略。

图2给出了本文提出的动态信道分配策略。用户发起呼叫后，卫星首先搜索空闲信道，比较这些空闲信道的干扰值的大小，将具有最小干扰的空闲信道分配给用户。为减少阴影衰落对用户性能的影响，需要综合考虑在一段时间内用户可能出现位置的信道状况。卫星根据对用户运动轨迹的预测，计算在用户可能的运动范围内的平均信噪比，而不仅仅是当前时刻用户位置的信噪比。

图2　动态信道分配策略流程图

在确定待分配信道后，卫星还需判断该信道是否满足链路质量约束，即当待分配信道的信噪比低于系统传输的约束条件时，不再进行信道分配。对于流量较大的情况下，加入链路质量限制可以显著提高信噪比。系统中允许的最低链路质量由卫星业务的误码率确定。例如，在工程上针对一般话音业务的应用场景，限定误码率不得低于10-4，当采用的信道编码类型、码率以及调制一定时，系统要求的误比特率可以转化为对信噪比的限制。因此在动态信道分配算法中，链路质量约束表达为信噪比的限制。

4仿真结果

为验证本文所提动态信道分配算法的性能，我们进行了计算机仿真。仿真中，所有用户在小区内均匀分布。当距离目标小区的距离超过8倍小区半径时，天线增益相对于小区中心的衰减超过60 dB，位于这些位置的干扰可以忽略。因此，仿真时仅考虑目标小区外围4层的干扰，即61小区模型，如图3所示。对于Thuraya卫星的一种覆盖情况[18]，假设卫星定点于东经20°，小区1的中心位于北纬40°、东经2°的位置，可求得照射倾角ϑ为40°。每个小区的半径(边长的一半)为119 km，这样小区顶点为天线增益衰减3 dB的位置。仿真中的相关参数如表1所示。一共进行了105次独立仿真，并对仿真结果取平均值。

图3　仿真模型

参数值参考文献流量模型M/D/S(0)[8]每一次呼叫的保持时间3个单位时间[8]各小区信道数量75[8]总带宽/MHz30[8]小区数量37[8]各小区用户数100[8]天线模型式(3),Θ3dB=0.4°[15]Loo分布参数(0.1,0.37,-22)[19]高斯噪声功率/dB15[8]仰角ϑ/(°)40用户运动速度/(km·h-1)50[14][17]工作频点/GHz2.618[19]采样周期T=1/(8f)[14]相干距离/m2[14]选取的点个数N10链路信噪比限制/dB8

表1中，“采样周期”和“相干距离”对应于多普勒时延扩展的计算,“保持时间”指用户发起一次呼叫的时间。假设用户在各小区均匀分布，所有小区的流量相同。为提高频率利用率，假设所有用户共享全频谱，即频率复用因子为1。仿真中将链路质量限制同样用于文献[8]中基于干扰测量的策略作为对照。仿真结果将小区1作为目标小区，即对小区1中所有用户的平均信噪比进行统计。

对目标用户的平均信噪比的仿真结果如图4所示。图4的图例中，“原方法(AWGN信道)”对应文献[8]的场景，“原方法(Loo信道)”对应于本文所述的阴影衰落的场景，为便于对比性能，本文在仿真时对该策略加上了相同的链路质量约束。从仿真结果可以看出，采用本文所述策略，可以在中低流量时将用户的平均信噪比提高约0.5 dB，本文所提出的策略对用户的平均性能起到了改善的作用。

图4　链路质量仿真结果

图5示出了阻塞率的仿真结果。阻塞是指在图2中出现了“不分配信道”的情况，即用户发起呼叫后不能建立通信。阻塞率按照下式计算：

(5)

和链路性能的仿真结果相同，阻塞率仅针对目标小区。由于引入了链路质量约束，当不满足链路质量时用户不能被分配信道，从而在小区流量大于10 erl时出现了阻塞。然而本文所提策略仅对干扰计算进行了修正，所以不会进一步引起阻塞率的增加。从仿真结果可见，本文所采用的策略与原策略的阻塞率几乎相同。

图5　阻塞率仿真结果

5结束语

在卫星移动通信系统中，已有的动态信道分配算法未考虑阴影衰落下星地链路的信道特性。本文基于Loo信道模型，提出了一种新的动态信道分配策略，该策略在预测用户的运动范围内选取抽样点，将这些抽样点的平均干扰作为信道分配的指标。仿真结果表明本文所提策略可以在中低流量的情况下将提高用户平均信噪比约0.5 dB。本文所提策略可用于阴影衰落下的地面移动卫星通信系统，以提高用户的平均链路性能。多输入多输出(Multiple-Input，Multiple-Output，MIMO)技术可以有效抵抗阴影衰落，增大系统容量，下一步的工作可考虑对卫星MIMO系统中的动态信道分配策略进行研究，以进一步提高系统的性能。

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A Dynamic Channel Assignment Scheme of Multi-beam Satellite Mobile Communication System in Shadowed Fading Channel

LI Hanga,ZHAO Mingb,WANG Jinga

(a.Department of Electronic Engineering; b.Research Institute of Information Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Abstract：The performance of existing dynamic channel assignment schemes is significantly degraded in shadowed fading environment.To solve the problem,the shadowed fading channel model of satellite mobile communication system is analyzed,and a new dynamic channel assignment scheme is proposed.In the proposed scheme,the channel is assigned according to the average interference of the sampling positions,which are chosen by predicting user’s trajectory.Link quality restrict is also applied to avoid performance degradation in case of heavy traffic.Simulation results show that the users’ average signal-to-noise ratio(SNR) is improved by about 0.5 dB in case of low and medium traffic,while the blocking rate is not increased.The proposed scheme can be adopted in land mobile satellite communication system in shadowed fading channel,in order to improve the average link performance for users.

Key words：satellite mobile communication;shadowed fading channel；dynamic channel assignment;channel model;link quality restrict

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.004

收稿日期：2015-11-03；修回日期：2016-04-06Received date:2015-11-03；Revised date：2016-04-06

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA01A502);国家科技重大专项(2013ZX03006001-005)

Foundation Item:The National High-tech R&D Program of China(863 Program)(2012AA01A502);The National Science and Technology Major Project(2013ZX03006001-005)

通信作者：wangj@mail.tsinghua.edu.cnCorresponding author：wangj@mail.tsinghua.edu.cn

中图分类号：TN927

文献标志码：A

文章编号：1001-893X(2016)06-0618-06

作者简介：

李航(1986—)，男，四川成都人，2009年于电子科技大学获工学学士学位，现为博士研究生，主要研究方向为卫星移动通信；

LI Hang was born in Chengdu,Sichuan Province, in 1986.He received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009.He is currently working toward the Ph.D. degree.His research concerns satellite mobile communication.

赵明(1971—)，男，江苏人，分别于1993年和1998年获清华大学工学学士学位和工学博士学位，现为教授，主要研究方向为无线移动通信、数字信号处理等；

ZHAO Ming was born in Jiangsu Province, in 1971.He received the B.S. degree and the Ph.D. degree from Tsinghua University in 1993 and 1998,respectively.He is now a professor.His research concerns wireless mobile communication.

王京(1958—)，男，北京人，分别于1983年和1986年获清华大学工学学士学位和硕士学位，现为教授、博士生导师，主要研究方向为无线移动通信。

WANG Jing was born in Beijing,in 1958.He received the B.S. degree and the M.S. degree from Tsinghua University in 1983 and 1986,respectively.He is now a professor and also the Ph.D. supervisor.His research concerns wireless mobile communication.

Email：wangj@mail.tsinghua.edu.cn

引用格式：李航，赵明，王京.阴影衰落信道下多波束卫星移动通信系统的动态信道分配策略[J].电讯技术，2016,56(6):618-623.[LI Hang,ZHAO Ming,WANG Jing.A dynamic channel assignment scheme of multi-beam satellite mobile communication system in shadowed fading channel[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):618-623.]