GMR-1卫星通信系统中的降低切换时延算法

吴广富，姜玉洁，唐 璇，付仕明

(1.重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 600065；2.重庆邮电大学 软件工程学院，重庆 600065； 3.重庆第二师范学院 重庆市交互式教育电子工程技术研究中心，重庆400065)

GMR-1卫星通信系统中的降低切换时延算法

吴广富1，姜玉洁1，唐 璇2，付仕明3

(1.重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 600065；2.重庆邮电大学 软件工程学院，重庆 600065； 3.重庆第二师范学院 重庆市交互式教育电子工程技术研究中心，重庆400065)

相对于地面移动通信系统，高轨道静止卫星系统(high orbit geostationary satellite system, GEO)具有波束覆盖大、信号传输时延长、星上资源受限等特点。当前地面移动通信系统切换算法不能满足GEO卫星移动通信系统实时性要求。提出了一种降低卫星通信系统切换时延算法，该算法利用卫星通信移动终端位置信息和历史测量信息获得切换位置区域，根据规划导航路径是否经过切换位置区域进行切换预判，结合移动终端移动矢量和移动速度对可能跨越切换位置区域进行更精确切换判决。与现有地面移动通信系统切换算法相比，该算法不仅利用了移动终端的功率测量和接收信号质量等传统参量，而且综合考虑了移动终端位置以及移动矢量信息。仿真结果表明，该算法不但可以大幅降低卫星波束切换的时延，而且降低切换的乒乓效应。

GMR-1；卫星通信；切换算法；波束切换；GPS

0 引 言

随着高速公路、高速铁路的快速发展，以及飞机的普及，当前移动终端具有分布范围广、移动速度快、移动路径规律性强等特点，然而目前无线移动通信系统很难满足相关性能要求。因此，利用移动卫星通信系统为高速移动终端提供移动通信业务，具有波束覆盖范围大、建设速度快、节约地面资源、易于广播和多址通信等优势。移动卫星通信系统，例如，高轨道静止卫星系统(high orbit geostationary satellite system, GEO)，由多点波束构成，每个波束构成一个小区，每个小区可以覆盖几百公里的距离。利用移动卫星通信系统的广覆盖特点，可以在很大程度上减少多普勒频移对高速移动终端影响。近年来，随着社会经济的迅猛发展,个人通信的需求不断增长,促使各种通信手段得到了长足的发展。移动卫星通信系统以其覆盖范围广的特点,日益得到人们的广泛重视,势必会成为个人通信的一个重要方式。卫星终端的高速运动特点决定了移动终端在与卫星进行通信时必将发生频繁的波束间切换，从而造成宝贵卫星无线资源的浪费。因此，如何合理而有效地管理并利用卫星系统的资源已成为关键。切换技术作为移动卫星通信网络的一项关键技术，切换过程允许用户终端移动、在无线传输条件变恶劣时恢复并保持通信、平衡网络的业务负荷。因此，优良的切换算法可以增强移动系统的性能，在近些年成为了研究热点。

文献[4]提出了一种高轨卫星波束切换触发算法，该算法通过动态调整滞后的余量来提高切换质量。文献[5]将切换触发与信道分配结合起来进行了研究，但对于触发部分没有涉及具体的触发判别条件。文献[6]提出了一种陆地和GEO卫星系统之间的切换算法，通过设置绝对门限值，并且改变滞后余量来判断是否要进行系统间的切换。

目前，大多数地面移动通信系统切换算法都是基于A3事件来判决的，即当用户从原小区进入目的小区的过程中，首先对2个小区中的信号强度进行测量，判断是否满足目的小区的信号强度大于原小区信号强度一个迟滞值H的要求，并且此条件能够持续设定的切换触发时间TTT，就立即触发切换的发生。改进算法大都基于这2个切换参数进行改进，通常将迟滞值H假设为固定值，如图1所示。然而该切换算法(即传统切换算法)是根据导频信号的强度来判断是否要进行切换，只有当来自原波束小区的信号强度和信号质量低于目标小区一定值时，才进行波束之间的切换[7]。

图1 传统切换算法Fig.1 Traditional handover algorithm

由于GEO卫星移动通信系统具有波束覆盖大、信号传输时延长、星上资源受限等特点，GEO卫星的长时延一直是需要关注重点，传统切换算法往往不能满足GEO卫星中真实环境实时性要求[7]。为此，本文提出一种降低卫星通信系统切换时延算法。该算法充分利用卫星通信系统移动终端位置信息，结合历史测量信息获取切换位置区域。根据导航路径，对可能跨越切换位置区域进行预判。结合数字地图获得当前移动终端的速度矢量，当移动终端当前位置行驶至切换位置区域时间小于某门限值时完成预切换，最后通过测量信息进行切换确认。

1 切换场景

GEO移动卫星通信系统，由透明转发的高轨道卫星、地面信关站和移动终端构成，采用星状方式组网，为高速移动终端提供通信业务。卫星移动通信系统可分为几个部分：空间段、移动终端段和地面段。空间段主要指各种在轨通信卫星；移动终端段包括手持、车载、船载、机载移动终端等；地面段由信关站、核心设备组成，用于管理卫星移动通信网络，为移动终端提供通信业务。卫星和移动终端之间的通信链路被称为移动终端链路，卫星和信关站之间的通信链路被称为馈电链路。卫星网络会在移动终端链路形成点波束，类似于地面移动通信网中的小区。

在GEO移动卫星通信系统中，波束中心功率值最大，波束功率值向波束边沿按照一定规律的下降。当高速移动终端远离波束中心向相邻波束移动时，本波束信号强度和信号质量逐渐降低而邻波束信号强度和信号质量逐渐增强，当达到一定的程度时，将进行波束之间的切换。GMR-1卫星波束切换的场景如图2所示。当移动终端从原波束运动到目标波束的过程中，需要进行波束之间的切换，本文结合卫星波束切换的区域和移动终端的路径进行提前判决切换。

图2 波束切换情景Fig.2 Scene of spot handover

2 算法描述

本算法充分利用卫星通信系统移动终端位置信息，结合历史测量信息获取切换位置区域。根据导航路径，对可能跨越切换位置区域进行预判。并结合数字地图获得当前移动终端的速度矢量，当移动终端当前位置行驶至切换位置区域时间小于某门限值时完成预切换，最后通过测量信息进行切换确认。具体切换流程如图3所示，下面对各个步骤进行详细说明。

图3 切换流程图Fig.3 Handover flowchart

步骤1 获取切换位置区域。切换位置区域，是相邻波束之间，当移动终端从一个波束向另一个波束移动时，可以进行切换的位置区域。为了准确获取切换位置区域。也可以采取以下实现方式[8]。

方式1 跟踪移动终端切换历史信息，读取GMR-1卫星系统GBCH(GPS boadcast control channel)信道中的位置信息，并在数字地图上显示为切换位置区域；

方式2 跟踪移动终端切换历史信息，利用GMR-1卫星系统移动终端GPS位置信息，并在数字地图上显示为切换位置区域；

方式3 在GMR-1卫星移动通信系统波束规划和测试过程中，利用高精度移动终端GPS位置信息，并在数字地图上显示为切换位置区域；

方式4 在数字地图交通道路网中，跟踪移动终端切换历史信息，采用高精度定位信息(例如北斗卫星定位系统等)，并在数字地图交通道路上显示切换位置区域。为了测得切换的区域，可以采用GPS卫星所发送的定位信号，跟踪并标记移动终端切换历史信息，测得在某一区域范围内所有切换历史，以此可知该区域是2个波束的重叠区域，标记该区域并在数字地图交通道路上显示切换位置区域。

为了测得切换的区域，可以采用GPS卫星所发送的定位信号，跟踪并标记移动终端切换历史信息，测得在某一区域范围内所有切换历史，以此可知该区域是2个波束的重叠区域，标记该区域并在数字地图交通道路上显示切换位置区域。

GPS卫星所发送的定位信号，包含了移动终端坐标位置、速度、方向等各项状态参数和各项姿态参数。利用该信息，在地心地固坐标系中，计算卫星位置坐标为

Xk=xkcosΩk-ykcosiksinΩk

Yk=xksinΩk+ykcosiksinΩk

Zk=yksinik

(1)

(1)式中：ik为轨道倾角；Ωk为观测时刻的升点经度；xk，yk为卫星在轨道平面的位置，k=1,2,3表示可观测到GPS卫星序号。

设在t时刻，移动终端位置P可同时测得接收到3颗卫星S1，S2，S3，移动终端与卫星之间距离分别为ρ1，ρ2，ρ3，如图4所示，可以通过无线信号传输时间和光速乘积获得。

利用移动终端与卫星之间距离和卫星位置坐标，计算移动终端P的位置，即

(2)

获取到移动终端的位置信息后，通过地图匹配将当前的道路位置在数字地图中显示出来，移动终端可以实时利用该信息进行导航等应用[9-10]。

图4 移动终端位置计算Fig.4 Location calculating of terminal users

步骤2 规划导航路径。当移动终端计划从A地到B地时，需要在数字地图上进行交通线路规划以寻找最佳路径。一旦路径规划完成，即可判决该路径是否与步骤1数字地图切换位置区域有重合区域。只有存在重合区域，才执行下面步骤过程。

步骤3 确定移动终端速度矢量。在数字地图上，在一定时间间隔t内(例如定位周期时间)，移动终端由位置A(X1,Y1,Z1)运动到位置B(X2,Y2,Z2)，则移动终端的速度为

(3)

步骤4 切换判决。当移动终端沿着一定路径行驶时，假设当前位置为P0，则该路径初始经过的切换位置区域为P1，位置P0与位置P1之间距离为D，如图5所示。

移动终端从位置P0到位置P1需要时间小于某个门限Δt时，即可启动切换过程，即

(4)

(4)式中：V表示为移动终端速度矢量在道路方向上的分量。可以通过选择P1与切换位置区域边界距离，用以控制切换提前量。

在具体的应用中，P0与P1之间的距离D是预定义的，可以根据不同的网络性能要求设置D的不同取值。

由于不同移动卫星终端差异，仅依据移动终端位置进行切换可能会存在误差。也可以采取以下实现方式。

图5 切换区域示意图Fig.5 Handover region diagram

方式1 切换判决除了满足(4)式，还应该满足移动终端测量信息要求。

所述移动终端测量信息要求，具体可以选择下面标准。

方式2 邻波束信号质量是否大于本波束信号质量的加权值，即

LQI邻≥α·LQI本

(5)

(5)式中：LQI表示波束信号链路质量；α表示加权系数，|α-1|<δ，δ是一个很小的数字，根据不同的网络要求进行设置。

方式3 移动终端与信关站之间距离是否大于某门限值，即

MS_BS_DIST≥β·DMax

(6)

(6)式中：MS_BS_DIST表示移动终端与信关站之间距离；β表示加权系数，取值为0-1；DMax表示最大允许的距离门限值。

方式4 邻波束信号电平是否大于本波束信号电平的加权值，即

RSSI邻≥γ·RSSI本

(7)

(7)式中：RSSI表示波束信号电平；γ表示加权系数，|γ-1|<α，α是一个很小的数字，根据不同的网络要求进行设置。

从上述分析可知，本文所提出的预切换算法对终端用户的要求比较高，需要终端完成预切换判决等功能，然而对卫星系统的要求则大大降低，从而减小了切换过程中的各种信令问题，故算法复杂度比较低。

3 仿真结果

为了检测并验证本文所提出切换算法的性能，在OPNET软件中搭建仿真平台，并借助Matlab软件进行仿真。仿真中均采用实现方式4和传统算法进行比较，仿真参数及其数值大小设置如表1所示。仿真中用的是Lutz信道，它将卫星信道质量分为2种状态“好”和“坏”，Lutz模型是通过判断接收信号的“好”或者“坏”来进行信道模拟的，也就是判断是否存在不受遮挡的信号[9-10]。由于移动终端是移动的,其运行的方式是在这2种状态之间不停的转换。例如当前移动终端处于“好”状态，那么信道模型提供这个状态的各种参数；过一段时间移动终端移动受到遮挡，自动转换到“坏”状态并提供这个状态的参数。

表1 仿真参数的设置

3.1 切换提前量

在本文提出的切换算法中，由于预先进行切换判决，所以切换可以提前发生，从而大大减少切换时延。此时，可以认为移动终端已经处于本小区和邻小区切换区域，并且本小区和邻小区接收信号均满足移动终端通信要求。图6是在假定提前切换距离一定(仿真中采用D=1 km)的情况下，不同速度的移动终端切换提前量。从图6中可以看出，当速度较小时，切换提前量较大；随着移动速度的增加，切换提前量减少。

3.2 切换次数

图7是本文提出的切换算法与传统的切换算法相比在相同条件和时间内切换次数统计量。从图7可以看出，随着波束内用户数目的增多，2种切换算法中切换次数均增多，与传统的切换算法相比，本文提出的切换算法能使网络的平均切换次数显著减小。主要原因是本文所述切换方法充分利用了终端位置、导航线路以及终端移动速度等信息，从而可以避免大部分的乒乓切换。

图6 不同速度情况下，切换时间提前量Fig.6 Handover time advance of different speeds

图7 切换次数性能比较Fig.7 Comparison of handover number

3.3 切换失败率

图8是本文提出的算法与传统的切换算法在切换失败率方面比较。从图8中可以看出，随着移动终端速度的增加，本文所提出的切换算法在降低切换失败率方面有显著优势。也就是说，采用本文所述切换方法，重点利用终端位置、导航线路以及终端移动速度等信息，显著地减少了传统测量等信息对切换的影响，从而极大提高了切换的有效性。

4 结束语

本文提出一种降低卫星通信系统切换时延方法，该方法充分利用卫星通信系统移动终端位置信息，结合历史测量信息获取切换位置区域。根据导航路径，对可能跨越切换位置区域进行预判。结合数字地图获得当前移动终端的速度矢量，当移动终端当前位置行驶至切换位置区域时间小于某门限值时完成预切换，最后通过测量信息进行切换确认。所提切换算法，不但大幅降低卫星波束切换的时延，而且可以降低切换的乒乓效应，从而节约了卫星通信系统珍贵的无线资源。

图8 切换失败率比较Fig.8 Comparison of handover failure

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(编辑：刘 勇)

Low handover delay algorithm on GMR-1 satellite communication system

WU Guangfu1, JIANG Yujie1, TANG Xuan2, FU Shiming3

(1.Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology，Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065 P.R.China; 2.School of Software Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R.China; 3. Chongqing University of Education Chongqing Interactive Education Electronic Engineering Technology Research Center，Chongqing 400065，P.R.China)

Compared with the ground mobile communication system, GEO satellite mobile communication system has the features of a large beam coverage, extended signal transmission, and limited satellite resources. Therefore, the existing satellite handover algorithm cannot meet the real-time requirements of GEO satellite mobile communication system. For this reason, we propose an algorithm to reduce the handover delay of satellite communication system. The position information of the satellite communication terminal and the historical measurement information are used to get the handover location area. Then according to whether planning navigation path through the handover position area to make handover prejudgment. Finally we make a more accurate handover decision that is combined with the terminal mobile vector and the moving speed of the possible cross handover location area. Compared with the existing ground mobile communication system handover algorithm, this algorithm not only makes use of the traditional parameters such as the power measurement of the terminal and the quality of the received signal, but also gives an overall consideration to the location of the terminal and the mobile vector information. Simulation results show that the proposed handover algorithm not only can reduce the delay of the satellite spot beam handover, but also can lower the ping-pong effect.

GMR-1；satellite mobile communication；handover algorithm；beam switching;GPS

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.02.008

2016-03-08

2016-12-14 通讯作者：姜玉洁 1291733203@qq.com

国家科技重大专项课题(2013ZX03006005)；国家高技术研究发展计划(“863”计划)(2015AA01A709)；长江学者和创新团队发展计划(IRT1299)；科技新星培育工程；重庆第二师范学院校级项目(KY201524B)

Foundation Items：The Major Special Project of National Science and Technology(2013ZX03006005);The National High Technology Research and Development Program(“863” Program) of China(2015AA01A709);The Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University(IRT1299);The Science and Technology Nova Breeding Project; The Chongqing University of Education Academic Research Project (KY201524B)

TN927+23

A

1673-825X(2017)02-0190-06

吴广富(1980-)，男，山东省平邑县人，工程师，研究方向为移动通信技术。E-mail: wugf@cqupt.edu.cn。

姜玉洁(1989-)，女，硕士研究生，主要研究方向卫星通信。E-mail：1291733203@qq.com。