蔡睿妍

（1. 大連大學(xué) 通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116622；2. 大連大學(xué) 信息工程學(xué)院,遼寧 大連 116622）

0 引言

近年來，衛(wèi)星通信在軍用和民用通信方面都得到了廣泛應(yīng)用。尤其是低軌（Low Earth Orbit,LEO）衛(wèi)星，軌道高度多位于500～1000 km，具有傳輸時(shí)延低、通信容量大、傳輸損耗低等特點(diǎn)[1]，在環(huán)境監(jiān)測、搶險(xiǎn)救災(zāi)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于LEO衛(wèi)星高速運(yùn)行，每個(gè)運(yùn)行周期與地面站的通信時(shí)間短，且星上存儲(chǔ)、計(jì)算能力有限，為實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，降低LEO衛(wèi)星存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量，當(dāng)LEO衛(wèi)星在地面站通信范圍以外，將通過地球同步軌道（Geostationary Earth Orbit, GEO）衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。但是，GEO衛(wèi)星連接度有限，當(dāng)請求GEO信道的LEO衛(wèi)星數(shù)量較多時(shí)，GEO衛(wèi)星如何分配信道是亟待解決的問題。

目前，衛(wèi)星通信信道分配技術(shù)研究主要針對低軌、高軌移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]中，切換預(yù)留信道經(jīng)過一定時(shí)間未被切換用戶使用則被釋放，新呼叫阻塞率明顯降低，但是沒有考慮用戶的優(yōu)先級(jí)。文獻(xiàn)[3]針對LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的QoS提出了多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)條件下基于預(yù)留信道優(yōu)先占用方案，根據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，對預(yù)留信道和共享信道分別設(shè)置不同的信道門限，切換呼叫首先使用預(yù)留信道，達(dá)到門限值后開始使用共享信道，新呼叫只能使用共享信道。文獻(xiàn)[4]將流量預(yù)測引入到衛(wèi)星信道分配中，但其分配性能受預(yù)測性能影響。

GEO-LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，星間距離遠(yuǎn)，由于噪聲和傳輸損耗等影響，信道誤碼率較高。目前信道分配方法中均未考慮星間信道質(zhì)量，本文提出了基于信道質(zhì)量的綜合加權(quán)信道分配算法，該算法首先考慮信道質(zhì)量參數(shù)，滿足數(shù)據(jù)可靠傳輸，同時(shí)根據(jù)衛(wèi)星的功能，設(shè)定了衛(wèi)星任務(wù)優(yōu)先級(jí)，滿足緊急救援及軍情等實(shí)際需要，并且，同級(jí)別衛(wèi)星的優(yōu)先級(jí)別還取決于衛(wèi)星可通時(shí)間、緩存剩余量及傳輸速率，降低了對衛(wèi)星存儲(chǔ)容量的要求。

1 算法描述

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信道分配中，LEO衛(wèi)星處于GEO衛(wèi)星的覆蓋區(qū)內(nèi)，且LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星的星間信道質(zhì)量較好時(shí)，LEO衛(wèi)星發(fā)送請求。GEO衛(wèi)星根據(jù)呼叫衛(wèi)星的優(yōu)先級(jí)分配信道。

本文算法中，第i顆LEO衛(wèi)星的優(yōu)先級(jí)可表示為：

式中，li是第i條信道質(zhì)量，當(dāng)信道質(zhì)量滿足要求時(shí)，該信道可用，其值為1，否則值為0；tsm是與GEO通信的LEO衛(wèi)星緩存存滿需要的最長時(shí)間；tis是第i顆LEO衛(wèi)星緩存存滿需要的時(shí)間；tvm是與GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星通信時(shí)間的最大值；tiv是第i顆LEO衛(wèi)星的剩余通信時(shí)間；Li是第i顆LEO衛(wèi)星的任務(wù)級(jí)別，緊急星的Li值為1，非緊急星的Li值為0；α、βγ是權(quán)重系數(shù)，為了保證緊急星的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，要求γ≥α+β，即緊急星任務(wù)級(jí)別最高。

當(dāng)然，僅按照上述優(yōu)先級(jí)分配信道時(shí)，LEO衛(wèi)星運(yùn)行過程中，其優(yōu)先級(jí)隨時(shí)間不斷變化，將導(dǎo)致信道頻繁分配。為此，本文提出了以下約束條件：

約束條件1 本算法設(shè)定呼叫門限閾值δ1，當(dāng)衛(wèi)星緩存量大于門限閾值δ1時(shí)，衛(wèi)星方可發(fā)起呼叫。衛(wèi)星的呼叫概率為：

式中，Pc是LEO衛(wèi)星的呼叫概率；Mc是LEO衛(wèi)星緩存量。

約束條件2 同類別衛(wèi)星強(qiáng)占一條信道時(shí)，強(qiáng)占信道的衛(wèi)星利用信道傳輸數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)不斷降低，未強(qiáng)占信道的衛(wèi)星存儲(chǔ)量一直增加，優(yōu)先級(jí)不斷提高，僅按照優(yōu)先級(jí)分配信道，將導(dǎo)致頻繁切換現(xiàn)象。因此，本算法又設(shè)定了門限閾值δ2和δ3，當(dāng)請求信道的LEO衛(wèi)星的優(yōu)先級(jí)大于門限閾值δ2，同時(shí)與在通的LEO衛(wèi)星優(yōu)先級(jí)的最小值的差值超過門限閾值δ3時(shí)，方可強(qiáng)占。衛(wèi)星強(qiáng)占概率為：

式中，Ppr是LEO衛(wèi)星的強(qiáng)占概率；pirc是呼叫衛(wèi)星的優(yōu)先級(jí)；pirmin是正在通信的LEO衛(wèi)星的最低優(yōu)先級(jí)。

2 算法仿真驗(yàn)證

2.1 仿真環(huán)境

為了驗(yàn)證本文算法的性能，仿真中設(shè)計(jì)了4顆低軌衛(wèi)星通過1顆高軌衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，α、βγ三個(gè)權(quán)重系數(shù)分別規(guī)定為2，1，3。δ1、δ2和δ3三個(gè)門限閾值分別規(guī)定為0.5，0.25，0.1。LEO衛(wèi)星的存儲(chǔ)容量均為25000字節(jié)，其中LEO3衛(wèi)星為緊急星，仿真時(shí)間為2548 s。

2.2 仿真分析

現(xiàn)有信道分配算法主要用于低軌、高軌移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，與GEO-LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)差別較大。因此，仿真中比較了本文算法和FIFO（First in First out）算法的性能。

圖1是4顆LEO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)累計(jì)丟失量。數(shù)據(jù)丟失主要來自兩方面，一是衛(wèi)星信道質(zhì)量不滿足要求，將導(dǎo)致接收端無法正確接收數(shù)據(jù)，大量數(shù)據(jù)被丟失；二是LEO衛(wèi)星的緩存量、可通時(shí)間等均有限，按照先來先服務(wù)原則傳輸數(shù)據(jù)，將導(dǎo)致后進(jìn)入GEO覆蓋范圍的LEO衛(wèi)星無可用信道，數(shù)據(jù)量超出系統(tǒng)緩存容量后，發(fā)生數(shù)據(jù)溢出丟失與FIFO算法相比，本文的信道分配算法有效地降低了數(shù)據(jù)丟失量，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。

圖1 LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)累計(jì)丟失量

圖2是兩種算法下4顆LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星的通信時(shí)段。本文算法中，每顆LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星的通信時(shí)間段明顯高于FIFO算法，尤其是緊急衛(wèi)星LEO3，本文算法中與GEO衛(wèi)星通信時(shí)間為1100 s，而FIFO算法中與GEO衛(wèi)星通信時(shí)間不足500 s，故本文算法有效滿足了緊急衛(wèi)星數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

圖2 LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星通信時(shí)段

圖3是兩種算法下LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星通信信道利用率的比較。FIFO算法在誤碼率不滿足系統(tǒng)要求情況下仍然傳輸，既占用了有限的信道資源，接收端又得不到有效數(shù)據(jù)信息，因此，信道利用率遠(yuǎn)低于本文算法。

圖3 GEO衛(wèi)星信道利用率

3 結(jié)論

本文結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)誤碼率高、可視時(shí)間和緩存容量有限等特點(diǎn)，提出了基于信道質(zhì)量的綜合加權(quán)信道分配算法。該算法兼顧了影響衛(wèi)星數(shù)據(jù)丟失的主要因素，設(shè)計(jì)了衛(wèi)星呼叫及強(qiáng)占信道的約束條件，并根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了緊急星，符合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。與FIFO算法進(jìn)行了仿真比較，結(jié)果表明，本文算法滿足重要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，避免了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信道的頻繁切換，提高了信道利用率，滿足數(shù)據(jù)完整、可靠傳輸要求。