星地一體化網(wǎng)絡(luò)的無線資源管理方法研究.pdf

1、隨著移動(dòng)智能終端的普及及其應(yīng)用多元化的發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈爆炸性增長(zhǎng)，移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（MSS, Mobile Satellite System）作為下一代網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，也面臨著為用戶提供高帶寬連接的挑戰(zhàn)。衛(wèi)星通信依賴于視距（LOS, Line of Sight）連接，在有遮擋的環(huán)境下信號(hào)強(qiáng)度將大幅衰減，因此，利用地面網(wǎng)絡(luò)的覆蓋特性對(duì)衛(wèi)星覆蓋進(jìn)行補(bǔ)充，將二者融合，構(gòu)建星地一體化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)的全天候以及全地域無縫覆蓋，得到

2、了廣泛的關(guān)注與研究。
　　星地一體化網(wǎng)絡(luò)從本質(zhì)上來說是異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來看，包括天基網(wǎng)絡(luò)與地基網(wǎng)絡(luò)兩部分：天基網(wǎng)絡(luò)為位于不同軌道的移動(dòng)衛(wèi)星或星座，地基網(wǎng)絡(luò)為基于地面無線標(biāo)準(zhǔn)部署的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，二者由移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理，構(gòu)成一體化的網(wǎng)絡(luò)。星地一體化網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是，移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通過在地面部署基于MSS頻段的地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)，改善傳統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)遭阻擋區(qū)域的覆蓋，能夠帶來系統(tǒng)用戶數(shù)的提升以及網(wǎng)絡(luò)資源的更充分利用。此目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)依賴于在一體化

3、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下對(duì)系統(tǒng)頻率、功率、帶寬、接入權(quán)限等資源進(jìn)行高效分配與管理，克服兩種網(wǎng)絡(luò)在傳輸機(jī)制、接入技術(shù)、組織方式等方面的差異，為用戶提供無縫透明的服務(wù)質(zhì)量。
　　因此，本文給出面向未來移動(dòng)通信需求的星地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)無線資源管理方法進(jìn)行深入研究，得到了一些具有積極意義和參考價(jià)值的方法和結(jié)論。主要的研究工作與成果可概括為以下幾個(gè)方面：
　　首先，給出星地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及無線資源管理的理論基礎(chǔ)。從技術(shù)及應(yīng)用層面出發(fā)，部署集中式

4、架構(gòu)的地基蜂窩網(wǎng)絡(luò)，并與天基移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高帶寬與全球無縫的覆蓋?；诖丝蚣?，深入分析了星地一體化網(wǎng)絡(luò)分層小區(qū)間的干擾對(duì)系統(tǒng)頻譜效率（Spectral efficiency）以及能量效率（Energy efficiency）的影響，為后續(xù)星地一體化網(wǎng)絡(luò)能量高效的分層干擾管理奠定理論基礎(chǔ)；給出一個(gè)通用的公平QoS映射方法，利用多媒體業(yè)務(wù)的自適應(yīng)帶寬調(diào)整特性ABA（Adaptive Bandwidth Adaptation

5、），在移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)之間非對(duì)稱地調(diào)整業(yè)務(wù)的服務(wù)等級(jí)，為后續(xù)的呼叫接入控制提供接入用戶數(shù)增益；給出了支持衛(wèi)星接口的媒質(zhì)無關(guān)切換（MIH，Media Independent Handover）機(jī)制，為后續(xù)的垂直切換提供底層消息傳輸支持。
　　其次，由于星地一體化網(wǎng)絡(luò)利用衛(wèi)星波束小區(qū)、宏蜂窩小區(qū)、微蜂窩小區(qū)來靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域、非熱點(diǎn)區(qū)域以及零星業(yè)務(wù)區(qū)域的無縫覆蓋，導(dǎo)致分層小區(qū)間存在干擾。目前對(duì)這種分層干擾的管理一般通過在衛(wèi)星

6、波束小區(qū)與地面小區(qū)間復(fù)用頻率以實(shí)現(xiàn)干擾避免，在地面小區(qū)間進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)。本文提出了能量高效的干擾協(xié)調(diào)策略 IC-LC，針對(duì)由于衛(wèi)星攝動(dòng)或運(yùn)動(dòng)對(duì)地面小區(qū)產(chǎn)生干擾的情況，利用矩陣帶狀化 MR（Matrix Relaxation）算法和流功率分配 SPA（Stream Power Allocation）算法進(jìn)行波束賦形與發(fā)射功率分配，以較低的運(yùn)算復(fù)雜度對(duì)地面小區(qū)間的干擾進(jìn)行協(xié)調(diào)，有效抑制小區(qū)間的干擾。通過建立模塊化的能耗模型，驗(yàn)證了IC-LC的

7、低運(yùn)算復(fù)雜度可降低處理中心的處理能耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)能量效率的優(yōu)化。
　　再次，呼叫接入控制CAC（Connection Admission Control）負(fù)責(zé)調(diào)度星地一體化網(wǎng)絡(luò)中用戶的呼叫請(qǐng)求，并為其分配資源進(jìn)行準(zhǔn)入控制。由于星地一體化網(wǎng)絡(luò)中存在不同覆蓋區(qū)的新呼叫以及切換呼叫（包括水平切換與垂直切換），需要根據(jù)呼叫的特性以及網(wǎng)絡(luò)狀況確定調(diào)度與準(zhǔn)入控制準(zhǔn)則。本文將接入調(diào)度轉(zhuǎn)換為帶優(yōu)先級(jí)的多服務(wù)隊(duì)列調(diào)度MSQS（Multi-Serve

8、r Queue Scheduling）問題，基于系統(tǒng)狀態(tài)的遍歷性以及平穩(wěn)狀態(tài)的存在性，提出了N-非強(qiáng)占優(yōu)先排隊(duì)準(zhǔn)則N-NPPQ（N-Non Preemptive Priority Queue），利用N-隊(duì)列動(dòng)態(tài)調(diào)度新呼叫與切換呼叫；并進(jìn)一步針對(duì)垂直切換與水平切換呼叫提出基于資源預(yù)留的準(zhǔn)入控制準(zhǔn)則，利用衛(wèi)星波束小區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)的準(zhǔn)可逆性，將波束小區(qū)進(jìn)行虛擬窗劃分并計(jì)算切換概率來建立動(dòng)態(tài)的預(yù)留池，有效平衡了垂直切換與水平切換呼叫之間的接入矛盾。

9、接入調(diào)度以及準(zhǔn)入控制共同完成呼叫接入控制，有效降低了由于系統(tǒng)資源調(diào)配不均所導(dǎo)致的呼叫阻塞率，優(yōu)化了預(yù)留資源的利用率。
　　最后，垂直切換使星地一體化網(wǎng)絡(luò)中的用戶能夠在移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)間無縫漫游，并能夠根據(jù)用戶需求以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)使用戶始終連接到最佳的網(wǎng)絡(luò)。垂直切換包括網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、切換觸發(fā)與切換判決、切換執(zhí)行等步驟，其中切換觸發(fā)與切換判決用于確定是否觸發(fā)垂直切換并確定切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)無縫垂直切換的重要前提及保障。鑒于不必要的切換

10、觸發(fā)將產(chǎn)生不必要的信令開銷及資源浪費(fèi)，同時(shí)導(dǎo)致失敗切換與不必要切換，本文提出基于多閾值的切換觸發(fā)算法，通過預(yù)測(cè)用戶在地面蜂窩小區(qū)中的滯留時(shí)間及信道占用時(shí)間，計(jì)算得到多個(gè)切換閾值來觸發(fā)用戶由移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)到地面網(wǎng)絡(luò)的垂直切換，降低了已有基于接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS, Received Signal Strength）以及速率感知的切換觸發(fā)策略存在的失敗切換與不必要切換數(shù)。鑒于星地一體化網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較長(zhǎng)，垂直切換判決需要盡快完成，提出了