孫移星，楊 波，唐 倫，陳前斌

(1. 重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2. 東方紅衛(wèi)星移動(dòng)通信有限公司，重慶 401147)

1 引言

低軌(Low Earth Orbit，LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)是未來空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是當(dāng)前及未來移動(dòng)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。移動(dòng)性管理是移動(dòng)通信領(lǐng)域的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，它主要包括：切換管理和位置管理。位置管理涉及是否可以成功尋呼，在移動(dòng)性管理中具有舉足輕重的作用。

位置管理包括兩個(gè)方面，位置更新(Location Update)和位置尋呼(Paging)。位置更新是指用戶向系統(tǒng)上報(bào)自己的位置信息，系統(tǒng)進(jìn)行登記存儲(chǔ)；位置尋呼指的是系統(tǒng)將主叫用戶的尋呼消息成功地傳遞給被呼用戶，實(shí)現(xiàn)兩者之間通信的建立。如何實(shí)現(xiàn)較高尋呼成功率，減少尋呼時(shí)延，平衡位置更新與位置尋呼的總開銷是位置管理研究的主要問題。

根據(jù)低軌衛(wèi)星是否具有星上處理能力將低軌衛(wèi)星通信分為兩類：透明傳輸?shù)牡蛙壭l(wèi)星通信系統(tǒng)和具有星上處理能力的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]研究了透明傳輸?shù)牡蛙壭l(wèi)星通信系統(tǒng)中的位置注冊與尋呼問題，討論了四種位置區(qū)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，使用訪問位置寄存器(Visitor Location Register，VLR)和歸屬位置寄存器(Home Location Register，HLR)的二級(jí)位置信息數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡(luò)HLR與VLR相連，尋呼的時(shí)候根據(jù)存儲(chǔ)的信息查找用戶，從尋呼帶寬和位置更新開銷兩方面分析基于衛(wèi)星和信關(guān)站的位置區(qū)劃分方案的性能；文獻(xiàn)[6]提出了在上述網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，一步指針轉(zhuǎn)發(fā)策略(OPF)，即不在HLR中更新自己的位置信息，而是在原VLR中建立一個(gè)指針，指向新的VLR，這種策略大大減少了信令的開銷。為避免較長的VLR鏈表導(dǎo)致較長的呼叫建立時(shí)延，OPF鏈表中只有兩個(gè)VLR；文獻(xiàn)[7]在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)之上，提出了基于動(dòng)態(tài)K步的用戶位置更新策略，針對不同的業(yè)務(wù)需求，動(dòng)態(tài)設(shè)置VLR中鏈表的長度，是一種動(dòng)態(tài)的管理方案。上述幾個(gè)研究，都停留在過去透明傳輸?shù)牡蛙壭l(wèi)星通信系統(tǒng)下，并且嚴(yán)重依賴地球地面站的支持。在今后具有星上處理能力的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，上述方案顯得臃腫復(fù)雜且難以實(shí)際部署實(shí)現(xiàn)。本研究將在具有星上處理能力，且僅有一個(gè)地面站的系統(tǒng)中，提出一個(gè)可用的位置管理方法，主要工作如下：

1)提出了一種基于終端自身地理位置信息的動(dòng)態(tài)位置區(qū)劃分，在該位置區(qū)劃分方法下，終端超出了自己的位置更新半徑R，或者終端超過一定的時(shí)間(強(qiáng)制更新時(shí)間)未更新，達(dá)到兩個(gè)條件其中的一個(gè)條件，終端都將發(fā)起位置更新。

2)提出一種尋呼衛(wèi)星及點(diǎn)波束確定算法，通過計(jì)算衛(wèi)星與用戶之間的距離確定尋呼衛(wèi)星的方法，得到衛(wèi)星及用戶的位置，通過轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系求出用戶相對于被呼衛(wèi)星的方位角，之后確定最有可能尋呼成功的波束，該方法將傳統(tǒng)的尋呼范圍從地面的位置區(qū)轉(zhuǎn)移到了多波束衛(wèi)星的波束。

3)仿真結(jié)果表明，本文提出的位置管理策略可以有效地實(shí)現(xiàn)高尋呼成功率，減少了信令開銷，平衡了尋呼時(shí)延。針對不同運(yùn)動(dòng)特性的用戶，提出最佳的位置更新半徑和強(qiáng)制更新時(shí)間，在保證良好尋呼成功率的前提下盡可能減少了用戶的開銷，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)的資源。

2 低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的位置管理

2.1 低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

在低軌衛(wèi)星網(wǎng)路中，造成用戶與網(wǎng)絡(luò)相對運(yùn)動(dòng)的因素有三種：

1)衛(wèi)星在軌道上周期性運(yùn)動(dòng)帶來波束的絕對運(yùn)動(dòng)；

2)用戶隨著地球自轉(zhuǎn)所做的相對運(yùn)動(dòng)；

3)用戶相對于地球的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。

以上三種因素，前兩種的影響比較大，尤其第一種，因?yàn)榈蛙壭l(wèi)星的軌道運(yùn)行周期只有兩個(gè)小時(shí)左右，終端用戶的中低速運(yùn)動(dòng)相對于衛(wèi)星來說可以忽略不計(jì)。一般情況下，終端與衛(wèi)星之間的相對徑向角速度是衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)速度的合成。

2.2 低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)位置區(qū)設(shè)計(jì)

位置區(qū)是人為劃定，以便于對用戶進(jìn)行位置管理。常見的劃分方法有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩大類劃分方法，傳統(tǒng)的靜態(tài)劃分由于比較死板，缺乏靈活性，無法解決“乒乓效應(yīng)”，已逐步被淘汰，而基于衛(wèi)星波束的位置區(qū)方案位置更新非常頻繁，會(huì)帶來極大的位置管理開銷。

圖1 常見的位置區(qū)域劃分分類

在本研究中，將采用基于用戶地理位置信息的動(dòng)態(tài)位置區(qū)劃分方法，該方法針對不同特性的終端用戶設(shè)置不同的位置更新半徑和強(qiáng)制更新時(shí)間，當(dāng)終端越過自己的位置區(qū)或者到達(dá)強(qiáng)制位置更新時(shí)間，終端發(fā)起位置更新。

圖2 基于用戶地理信息的動(dòng)態(tài)位置區(qū)劃分

2.3 低軌衛(wèi)星的多波束天線設(shè)計(jì)

在無線通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的最大容量在于有限的帶寬。在地面移動(dòng)通信系統(tǒng)中，可以將通過將服務(wù)區(qū)區(qū)域劃分為多個(gè)小區(qū)，按照一定的劃分規(guī)則將它們分開，并采用相同的頻率資源(頻率復(fù)用)，以提高系統(tǒng)容量。在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了保證衛(wèi)星的覆蓋范圍和增大系統(tǒng)的容量，同時(shí)保證一定的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，衛(wèi)星通常采用多波束天線，這些點(diǎn)波束在地面上形成連續(xù)的蜂窩小區(qū)，在不同的點(diǎn)波束間也需采用頻率復(fù)用。

衛(wèi)星多波束天線根據(jù)其輻射特點(diǎn)可分為等波束寬度和等波束面積兩種。等波束寬度多波束天線是指各個(gè)波束的半功率寬度(點(diǎn)波束的天線視角)相等，優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)點(diǎn)波束天線的結(jié)構(gòu)、參數(shù)呈規(guī)則分布，只用生成一個(gè)點(diǎn)波束天線模型，分別設(shè)置不同點(diǎn)波束的指向，這種設(shè)計(jì)有利于天線的簡化，易于實(shí)現(xiàn)；等波束面積多波束天線是指點(diǎn)波束小區(qū)面積相等，其優(yōu)點(diǎn)是等小區(qū)面積的覆蓋，有利于系統(tǒng)為整個(gè)地面服務(wù)區(qū)提供均勻覆蓋的系統(tǒng)容量，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理相對容易，但這種設(shè)計(jì)方式在工程上難以實(shí)現(xiàn)，在仿真中難以建模，因此難以用到實(shí)際的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。本研究中采用的多波束天線參考了銥星系統(tǒng)的多波束天線設(shè)計(jì)模式，將48個(gè)點(diǎn)波束設(shè)置在不同的4層圓上，每層圓上有不同的波束。

圖3 多波束衛(wèi)星48點(diǎn)波束示意圖

3 基于用戶自身位置的位置管理方案

3.1 位置管理開銷

在位置管理開銷中，位置管理總開銷(Nt)有位置更新開銷(NL)和位置尋呼開銷(NP)組成，

Nt=NL+NP

(1)

Nt=NL+NP

(2)

NP=NSP×λ×NBpage

(3)

其中，位置更新開銷由更新頻率(LUR)和更新所需比特?cái)?shù)(NBLUP)決定，位置尋呼(NP)由呼叫到達(dá)率(λ)，尋呼所需的波束數(shù)(NSP)以及尋呼消息所需的比特?cái)?shù)(NBpage)決定。

3.2 衛(wèi)星及衛(wèi)星點(diǎn)波束確定

用戶開機(jī)之后，通過進(jìn)行自我定位，將自己的位置信息進(jìn)行上報(bào)。當(dāng)需要對用戶所處的點(diǎn)波束進(jìn)行確定時(shí)，運(yùn)控中心將用戶的最近一次上報(bào)的位置信息作為用戶的位置信息，首先通過衛(wèi)星確定算法，確定一個(gè)最合適尋呼的衛(wèi)星；接著，通過波束確定算法，選擇一個(gè)合適的波束發(fā)起尋呼。

如圖4所示，顯示了用戶與衛(wèi)星之間的距離。已知被呼用戶處于A(lon＿A，lat＿A)點(diǎn)，衛(wèi)星處于Si(lon＿i，lat＿i)，而衛(wèi)星的經(jīng)緯度和星下點(diǎn)經(jīng)緯度相同，此時(shí)星下點(diǎn)的經(jīng)緯度可以由以下公式求得(假設(shè)衛(wèi)星的初始時(shí)刻在右升節(jié)點(diǎn))

λs(t)=λ0+arctg(cos(I)·tg(θ))-

(4)

φs(t)=arcsin(sin(I)·sin(θ))

(5)

其中，λs(t)、φs(t)分別是衛(wèi)星星下點(diǎn)的地理經(jīng)緯度，λ0是t=0時(shí)刻衛(wèi)星所在右升節(jié)點(diǎn)地面投影的經(jīng)度，θ是t時(shí)刻衛(wèi)星在軌道平面與右升節(jié)點(diǎn)投影之間的角距，逆時(shí)針方向?yàn)檎?，ωe是地球自轉(zhuǎn)角速度，t是衛(wèi)星運(yùn)行的時(shí)間，±用來表示順時(shí)針和逆時(shí)針方向。得到了衛(wèi)星的經(jīng)緯度，則衛(wèi)星星下點(diǎn)與用戶的弧線距離可以由以下公式算法

(6)

(7)

(8)

利用三角函數(shù)及其推導(dǎo)公式，可得

cosθ=sinαsinγ+cosαcosβcosγ

(9)

Di=R×arccos(sinαsinγ+cosαcosβcosγ)

(10)

其中，Di為被呼用戶與衛(wèi)星之間的弧線距離，R為地球半徑。

圖4 衛(wèi)星與用戶之間的距離

取距離最近的衛(wèi)星作為尋呼衛(wèi)星，

Si=min{Di，i=1，2，…，65，66}

(11)

圖5 用戶方位角

在確定了尋呼衛(wèi)星之后，得到了尋呼衛(wèi)星的經(jīng)緯度，如圖5顯示了用戶與確定尋呼衛(wèi)星之間的方位角，根據(jù)衛(wèi)星和用戶的地理信息，可以計(jì)算出用戶相對于尋呼衛(wèi)星的方位角

Δλ=λ2-λ1

(12)

θ=atan2[(sin(Δλ)cos(φ2))，(cos(φ1)sin(φ2)-

sin(φ1)cos(φ2)cos(Δλ))]

(13)

其中，λ2為用戶的經(jīng)度，λ1為衛(wèi)星的經(jīng)度，φ2為用戶的緯度，φ1為衛(wèi)星的緯度。

在計(jì)算得出了尋呼衛(wèi)星和用戶方位角之后，通過點(diǎn)波束確定流程選定一個(gè)波束作為尋呼波束。圖6為衛(wèi)星及點(diǎn)波束確定算法流程圖，若得到用戶相對于衛(wèi)星的方位角之后，結(jié)合前面得到用戶與被呼衛(wèi)星之間的距離，先比較他們之間的距離，確定用戶在衛(wèi)星四層波束中的哪一層，然后在確定的那一層波束中找到最接近用戶的那個(gè)波束，記錄這個(gè)波束信息，并將此波束作為尋呼波束。

圖6 衛(wèi)星及點(diǎn)波束確定算法

3.3 位置更新

用戶以自己的位置更新半徑R1為半徑畫一個(gè)圓形，作為自己的動(dòng)態(tài)位置區(qū)域，同時(shí)，用戶自己有一個(gè)計(jì)時(shí)器。當(dāng)用戶出了自己的位置區(qū)或者計(jì)時(shí)器溢出，用戶將進(jìn)行位置更新。當(dāng)用戶由于越過更新半徑而發(fā)起更新之后，用戶將根據(jù)自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)置一個(gè)新的位置更新半徑R2，同時(shí)用戶的計(jì)時(shí)器清零，用戶將處在一個(gè)新的位置區(qū)。圖7顯示用戶越過位置區(qū)示意圖，用戶將根據(jù)自己的狀態(tài)來決定是否改變自己的位置更新半徑。

圖7 用戶越過更新半徑示意圖

圖8 用戶判斷是否進(jìn)行位置更新

圖8為用戶判斷是否需要進(jìn)行位置更新示意圖，用戶位置更新的觸發(fā)條件有兩個(gè)，強(qiáng)制位置更新時(shí)間和位置更新半徑，這兩個(gè)中只要滿足一個(gè)條件，即發(fā)起一次位置更新。

圖9 終端用戶位置更新流程圖

采用動(dòng)態(tài)位置更新方案，其位置更新流程如圖所示，其位置更新如圖9所示：

Step0：用戶開機(jī)；

Step1：衛(wèi)星的波束模塊以一定的頻率向地面發(fā)送導(dǎo)頻信息；

Step2：用戶在收到衛(wèi)星的導(dǎo)頻信息之后，以一定的準(zhǔn)則(最強(qiáng)信號(hào)、最大仰角等)選擇一個(gè)衛(wèi)星波束進(jìn)行位置更新；

Step3：衛(wèi)星波束模塊收到用戶的位置更新信息，轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星的中央處理器；

Step4：衛(wèi)星的中央處理器將對該信令進(jìn)行處理并查看是否與信關(guān)站直接連接；若與信關(guān)站直接連接，則將該信令發(fā)送至信關(guān)站；若沒有與信關(guān)站直接連接，則通過星級(jí)鏈路將該信令發(fā)送至與信關(guān)站相連的衛(wèi)星，與信關(guān)站相連的衛(wèi)星把該信令轉(zhuǎn)發(fā)至信關(guān)站；

Step5：信關(guān)站收到來自用戶的位置更新信令，轉(zhuǎn)發(fā)至運(yùn)控中心；

Step6：運(yùn)控中心對用戶的位置更新信令處理，若數(shù)據(jù)庫中無此用戶，則存儲(chǔ)該用戶信息；若有，則更新；

Step7：存儲(chǔ)、更新完成之后，系統(tǒng)將對該用戶的位置更新發(fā)送一個(gè)反饋信息告知用戶已完成位置更新；

Step8～9：位置更新反饋信令將原路返回至用戶；

Step10：用戶在收到位置更新反饋之后，將自己的更新狀態(tài)調(diào)整為已更新狀態(tài)，并每隔一定的時(shí)間檢查一次自己的狀態(tài)，查看是否需要發(fā)起新的位置更新，至此，用戶完成一次位置更新。

在Step10中，若由于一些原因，用戶在一定的時(shí)間間隔后沒有收到來自運(yùn)控中心的反饋信令，則重新發(fā)起一次位置更新，直到收到位置更新反饋。

3.4 位置尋呼

尋呼時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的邏輯位置進(jìn)行。地面控制中心收到主叫用戶的呼叫請求之后，解析出被叫用戶的相關(guān)信息。系統(tǒng)將被叫用戶最近一次的位置更新信息作為其尋呼算法的信息。在這個(gè)過程中，系統(tǒng)調(diào)用星座的星歷信息。

3.4.1 不同的尋呼策略

廣播尋呼：選定尋呼衛(wèi)星，在該衛(wèi)星下的所有波束進(jìn)行尋呼，該方法尋呼成功率高，時(shí)延低，但是開銷大。

一次尋呼：系統(tǒng)對尋呼消息進(jìn)行處理，選定一個(gè)合適的衛(wèi)星和波束，在該波束內(nèi)發(fā)起尋呼。這種方法尋呼開銷低，時(shí)延低，需要更加精確的用戶位置信息，適用于低速用戶，但當(dāng)用戶移動(dòng)速度過快時(shí)，尋呼失敗率增大，為了提高成功率，不得不將用戶更新半徑和強(qiáng)制更新時(shí)間減小，加大位置更新次數(shù)。

二次尋呼：選定尋呼的衛(wèi)星之后，通過計(jì)算得到用戶與該衛(wèi)星之間的距離和方位角，計(jì)算出最可能尋呼成功的波束，如尋呼失敗，則在該波束的一周進(jìn)行尋呼。此種方法平衡了尋呼開銷和尋呼時(shí)延，是一種較為良好的尋呼方法，在本研究中，將采用此種尋呼方法。

多波束并行尋呼：為了解決二次尋呼帶來的時(shí)延，將尋呼在多個(gè)波束同時(shí)進(jìn)行，這種方法比廣播尋呼開銷小，比一次尋呼開銷大，但是保證了一定的尋呼成功率，尋呼時(shí)延和廣播尋呼時(shí)延一樣。

逐個(gè)尋呼：選定尋呼的衛(wèi)星之后，通過計(jì)算得到用戶與該衛(wèi)星之間的距離和方位角，計(jì)算出可能尋呼成功的概率波束，依次尋呼。

分組尋呼：選定尋呼的衛(wèi)星之后，通過計(jì)算得到用戶與該衛(wèi)星之間的距離和方位角，計(jì)算出可能尋呼成功的概率波束，按照波束的分組情況進(jìn)行尋呼。特點(diǎn)：時(shí)延和開銷的平衡。

圖10 位置尋呼流程圖

假設(shè)主叫用戶的服務(wù)衛(wèi)星為A，被叫用戶的服務(wù)衛(wèi)星為B，則尋呼流程如圖10所示：

Step0：用戶摘機(jī)，準(zhǔn)備發(fā)起尋呼，選擇一個(gè)合適的衛(wèi)星上報(bào)自己的請求；

Step1：衛(wèi)星收到請求，若自身的狀態(tài)(信道是否可以分配、波束是否要即將關(guān)閉等)滿足該用戶的請求，則發(fā)送確認(rèn)消息；若不滿足，則發(fā)送資源不可用消息；

Step2：主叫用戶發(fā)起呼叫，并在確認(rèn)的衛(wèi)星及波束內(nèi)進(jìn)行上報(bào)請求；

Step3：衛(wèi)星給主叫用戶分配一個(gè)信道；

Step4：衛(wèi)星收到用戶的呼叫，若該衛(wèi)星與信關(guān)站直接連接，將此信息傳遞至地面站，若不是，則查看哪顆衛(wèi)星與信關(guān)站連接，并將此消息通過星間鏈路傳送至于信關(guān)站連接衛(wèi)星；

Step5：地面站收到主叫用戶的呼叫請求，處理該請求，通過衛(wèi)星及波束算法選定尋呼衛(wèi)星及波束，并選用一種尋呼策略(廣播尋呼、一次尋呼、二次尋呼、多波束同時(shí)尋呼等)，將尋呼發(fā)出；

Step6：地面站將尋呼消息發(fā)送至確定的尋呼衛(wèi)星；

Step7：給被呼用戶分配信道；

Step8：在確定的尋呼波束內(nèi)發(fā)起尋呼；

Step9：若被呼用戶收到來自地面站的尋呼，給地面站發(fā)送一個(gè)確認(rèn)消息，用以告知信關(guān)站收到了來自的地面站的尋呼請求；

Step10：被叫用戶在完成Step5之后，給主叫用戶發(fā)送信息，表明收到了主叫用戶的請求，可以建立通信鏈路，至此，一個(gè)尋呼完成。

其中，在Step2之后的計(jì)時(shí)器之內(nèi)，若沒有收到被叫用戶的反饋，表明第一次尋呼失敗，系統(tǒng)將根據(jù)采用尋呼策略的不同采取不同的應(yīng)對措施，采用二次尋呼策略，系統(tǒng)將在第一次確定的尋呼波束的周圍同時(shí)發(fā)起尋呼。

圖11 多波束衛(wèi)星尋呼示意圖

4 仿真結(jié)果分析

OPNET 是一款網(wǎng)絡(luò)仿真及優(yōu)化領(lǐng)域性能較好的軟件，它為解決通信網(wǎng)絡(luò)的仿真和優(yōu)化，以及高效的網(wǎng)絡(luò)管理提供了整套的解決方案。此次仿真是基于 OPNET 14.5 版本。

在 OPNET 中的驅(qū)動(dòng)機(jī)制是離散的事件。事件是指數(shù)據(jù)分組到達(dá)、時(shí)間到來時(shí)、切換發(fā)生等等網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的變化。離散的事件是指這些事件在時(shí)間軸上都是一個(gè)個(gè)離散的點(diǎn)，當(dāng)事件發(fā)生的時(shí)候，仿真時(shí)間停止，相應(yīng)的事件處理程序在該時(shí)間點(diǎn)運(yùn)行，那么在整個(gè)時(shí)間軸上這些事件是順序排列的點(diǎn)。OPNET仿真的通信網(wǎng)絡(luò)可以是固定網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，所采用的是三層建模機(jī)制：最上層為網(wǎng)絡(luò)域，反映了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；再者是節(jié)點(diǎn)域，由相應(yīng)的協(xié)議模塊構(gòu)成，反映了設(shè)備的特性；最底層是進(jìn)程域，用狀態(tài)機(jī)的形式來描述協(xié)議，反映了協(xié)議的具體功能是如何實(shí)現(xiàn)的。這種三層模型建模同實(shí)際的協(xié)議、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)一一對應(yīng)，能夠全面地反映網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性基于地理位置的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

4.1 網(wǎng)絡(luò)模型

仿真平臺(tái)參考了銥星星座，共有66顆衛(wèi)星，分布在6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道面上有11顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道高度為780km；共設(shè)有兩個(gè)信關(guān)站，一個(gè)運(yùn)控中心。

圖12 仿真平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4.2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

4.2.1 衛(wèi) 星節(jié)點(diǎn)

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)由波束模塊，天線模型，星間鏈路模塊等組成。其中，波束模塊負(fù)責(zé)用戶的接入及用戶與用戶之間的通信，天線模塊負(fù)責(zé)加載及動(dòng)態(tài)更新多波束天線，星間鏈路模塊實(shí)現(xiàn)前后左右四條星際鏈路(反向縫除外)，中央處理器模塊實(shí)現(xiàn)各種信令的處理。

圖13 衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)模型

4.2.2 終端用戶節(jié)點(diǎn)

用戶模塊有兩部分組成，一部分實(shí)現(xiàn)通信終端的功能，包括用戶的接入，收發(fā)信令等，另一部分負(fù)責(zé)用戶的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)用戶的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，包括方向、速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等。

圖14 終端用戶節(jié)點(diǎn)模型

4.3 仿真結(jié)果分析

仿真將針對幾種類型的終端用戶進(jìn)行，下表分別給出系統(tǒng)的仿真參數(shù)和不同移動(dòng)終端的配置參數(shù)。每條更新消息為1108比特，每條尋呼消息為168比特[11]，用戶每2-3分鐘檢查一次自己的狀態(tài)，用以判斷是否需要發(fā)起新的位置更新。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

參考UMTS中關(guān)于移動(dòng)模型的定義及真實(shí)場景下用戶的移動(dòng)特性，將終端用戶的移動(dòng)模型設(shè)置為以下幾類：A類終端代表地面行人；B類代表地面普通車載終端；C類代表火車終端；D類代表動(dòng)車終端；E類代表高速鐵路終端；F類代表普通民航客機(jī)終端。

表2 A類終端用戶參數(shù)設(shè)置

圖15 A類終端用戶位置管理開銷

圖16 A類終端用戶位置更新次數(shù)

圖17 A類終端用戶一次位置尋呼成功率

表3 B類終端用戶類型參數(shù)設(shè)置

圖18 B類終端用戶位置管理開銷

圖19 B類終端用戶位置更新次數(shù)

圖20 B類終端用戶一次位置尋呼成功率

表4 C類終端用戶類型參數(shù)設(shè)置

圖21 C類終端用戶位置管理開銷

圖22 C類終端用戶位置更新次數(shù)

圖23 C類終端用戶一次位置尋呼成功率

表5 D類終端用戶類型參數(shù)設(shè)置

圖24 D類終端用戶位置管理開銷

圖25 D類終端用戶位置更新次數(shù)

圖26 D類終端用戶一次位置尋呼成功率

圖15～26分別顯示A、B、C、D類四種終端用戶的位置管理開銷、位置更新次數(shù)和一次尋呼成功率。對于該四類終端用戶，移動(dòng)速度相對較小，隨著位置更新半徑的增大，位置管理開銷和更新次數(shù)在減小，一次位置尋呼成功率也變化不大。當(dāng)位置更新半徑到一定的值之后，位置管理開銷、更新次數(shù)以及一次尋呼成功率趨于一個(gè)定值。故為A、B、C、D四類終端用戶分別設(shè)置10～40km、40～80km、200～400km、500～600km的位置更新半徑可以到達(dá)位置管理開銷最小。

表6 E類終端用戶類型參數(shù)設(shè)置

圖27 E類終端用戶位置管理開銷

圖28 E類終端用戶位置更新次數(shù)

圖29 E類終端用戶一次位置尋呼成功率

圖27～29為E類終端用戶的位置管理開下、更新次數(shù)和一次尋呼成功率。對于E類終端用戶，由于其移動(dòng)速度相對快，在強(qiáng)制位置更新時(shí)間內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)出了一定的距離，位置更新半徑超過400km，其管理開銷到最值。但是隨著更新半徑增大，一次尋呼成功率有明顯的下降，二次尋呼帶來時(shí)延，故應(yīng)該靈活設(shè)置位置更新半徑，對于時(shí)延不受限終端用戶，更新半徑設(shè)置為400km，對于時(shí)延受限終端用戶，更新半徑設(shè)置應(yīng)根據(jù)具體情況考慮。

表7 F類終端用戶類型參數(shù)設(shè)置

圖30 F類終端用戶位置管理開銷

圖31 F類終端用戶位置更新次數(shù)

圖32 F類終端用戶一次位置尋呼成功率

圖30～32為F類終端用戶的位置管理開銷、位置更新次數(shù)和一次尋呼成功率。該類終端用戶移動(dòng)速度較快，且方向改變的概率較小，隨著位置更新半徑的增大，其位置管理開銷先減小，之后緩慢上升。故其位置更新半徑設(shè)置為1000～1500km能夠?qū)崿F(xiàn)位置管理開銷最小。

圖33 各類終端用戶一次尋呼成功率

從圖33可以看出，隨著位置更新半徑的增大，各類終端的一次位置尋呼成功率在下降，當(dāng)位置更新半徑增大到某個(gè)值時(shí)，一次尋呼成功率趨于一個(gè)定值。

5 結(jié)束語

本研究充分利用了衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，在衛(wèi)星具有星上能力和終端具有自主定位能力并采用單信關(guān)站的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，提出了一種基于用戶自身位置信息的位置管理策略。與傳統(tǒng)的位置管理相比，該方案摒棄了傳統(tǒng)的多信關(guān)站模式，簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了可實(shí)施性。之后，結(jié)合實(shí)際場景中終端的運(yùn)動(dòng)情況，針對具有不同移動(dòng)特性的終端用戶，分別設(shè)置不同的位置更新半徑進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，隨著位置半徑的增加，位置管理開銷和一次尋呼成功率趨于一個(gè)極值，當(dāng)位置更新開銷達(dá)到理論最小值時(shí)，其一次位置尋呼成功率也比較高，表明該策略可以較好地實(shí)現(xiàn)位置管理，對于低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。