同步衛(wèi)星資源分配與優(yōu)化

包括這兒點：研究背景（為什么在衛(wèi)星中需要研究這一問題）研究內(nèi)容，包括對有價值的參考文獻的概述，現(xiàn)有研究的程度，一些常用的策略或算法自己提出或者改進的策略或算法的描述，理論或仿真結(jié)果以及說明，應(yīng)用與衛(wèi)星的意義。研究內(nèi)容：GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)信道分配策略研究不同業(yè)務(wù)類型的用戶分級策略認(rèn)知無線電在提高信道資源利用率上的應(yīng)用基于效用函數(shù)的多業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)自適應(yīng)信道分配模型GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)信道分配策略研究移動通信分為地面移動通信和衛(wèi)星移動通信，衛(wèi)星移動通信又可分為星座移動通信和靜止軌道衛(wèi)星移動通信。人們對地面移動通信系統(tǒng)用戶越區(qū)切換時信道分配策略的研究已經(jīng)比較成熟，而衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)信道分配策略的研究相對較少。GEO系統(tǒng)星地位置相對靜止,因而成為區(qū)域性通信的首選。針對GEO系統(tǒng)終端運行速度快、波束覆蓋面枳人等特點，將移動通信的幾種信道分配技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)，通過仿真來分析系統(tǒng)的性能。1.1系統(tǒng)模型GEO系統(tǒng)同其他移動通信系統(tǒng)一樣存在兩種類型的呼叫，即初始呼叫和切換呼叫。初始呼叫是終端需要通話時發(fā)起的呼叫；切換呼叫是當(dāng)終端在通話過程中從一個區(qū)域移動到另一個區(qū)域時，為了不使通話中斷，需要向新的服務(wù)區(qū)發(fā)起呼叫。切換呼叫的優(yōu)先級高于初始呼叫，所以移動通信系統(tǒng)在分配信道時要保證切換呼叫呼損率低于初始呼叫呼損率。GEO系統(tǒng)一個顯著的特點就是存在高速運行的終端，終端高速運行時不輕易改變方向，所以在模型中，終端只有4個固定的運動方向，確定了運動方向后，在通話結(jié)束前不再改變。通話起始位置是隨機的，如圖1所示。圖1終端在波束覆蓋區(qū)內(nèi)運動示意圖

為了分析系統(tǒng)的性能，所以首先確定與系統(tǒng)性能密切相關(guān)的各個參數(shù)。駐留時間是描述一個移動終端在一個波束內(nèi)時間量的隨機變量。駐留時間分為初始呼叫駐留時河Tns和切換呼叫駐留時間ThsoTns是一個終端呼叫從發(fā)起到離開波束的時間長度，Ths表示一個從相鄰波束切換過來的終端在該波束的駐留時間。假設(shè)終端在每個波束的平均駐留時間為Ts,Ts服從負(fù)指數(shù)分布,均值為1/us,us=0.7182Xv/R,v代表速度,R代表波束半徑。呼叫持續(xù)時間Tc是指一次呼叫完成所占有的時間。假設(shè)其服從均值為Uc的負(fù)指數(shù)分布,即：/t=yxp/t=yxp(—Uct)9(V%=\/E[TCJo信道保持時間Th是指在一個波束內(nèi)終端呼叫占用的時間，信道保持時河通常等于或小于呼叫持續(xù)時間，如式3所示。Th=minfTc,TJo有了信道保持時間后，就可以求出系統(tǒng)的平均呼叫離去率。由：1-P{2〃xP{Tai},(4丿pg}=1-廠21ICM其概率密度函數(shù)為：uJexp/Y-us)tj,I>0?(6/均值為E[Th]二1/uh=1/(uc+us)。無論是切換呼叫還是初始呼叫，當(dāng)其在波束中的通話持續(xù)時間人于在該波束內(nèi)的駐留時間時，就會發(fā)生切換，定義終端發(fā)生切換的概率為Ph:PfP{T(>TJ=u/(u^…映偏1.2技術(shù)方案目前移動通信系統(tǒng)的信道分配方案主要有非優(yōu)先切換方案、預(yù)留信道方案和排隊方案。比較典型的信道分配方案有以下幾種：非優(yōu)先方案(NPS)非優(yōu)先方案是最基礎(chǔ)的信道分配方法。在此策略下，切換用戶和新呼叫用戶共享所有信道資源。信關(guān)站在處理呼叫請求時對于所有用戶等同對待，若信道資源已經(jīng)用完，則拒絕所有接入請求,在信道資源還沒有占用完的情況下，新呼叫用戶享有與切換用戶相通的優(yōu)先級。該策略的優(yōu)點是搭建系統(tǒng)簡單方便，在話務(wù)量輕的情況下也不用區(qū)分用戶的優(yōu)先級，因為有足夠的信道資源可以利用。但是當(dāng)話務(wù)量較重時，若新呼叫用戶與切換用戶享有相同的優(yōu)先級，切換用戶的阻塞率就會人人增加，用戶在通話過程中出現(xiàn)的強制中斷情況就很難忍受。預(yù)留保護信道方案(RCS)該策略相當(dāng)于賦予了切換用戶比新呼叫用戶更高的優(yōu)先級，預(yù)留一定數(shù)量的保護信道給切換呼叫專用。信道劃分成基本信道和保護信道?；拘诺烙糜谇袚Q用戶和新呼叫用戶的共同接入，但是當(dāng)基本信道被全部占用完后，保護信道只接納切換用戶的接入請求，新呼叫用戶的接入請求會被全部阻塞。在此策略卞，犧牲掉了部分新呼叫用戶的接入成功率，用以減少切換用戶的阻塞率。而對于保護信道預(yù)留的數(shù)量。則根據(jù)不同的系統(tǒng)不同的要求來設(shè)計。其中又衍生出了動態(tài)預(yù)留保護信道策略，針對怎樣合理的來設(shè)計動態(tài)信道的預(yù)留又提出了很多種解決方案。排隊優(yōu)先方案(QPS)預(yù)留信道方案增加了新呼叫用戶的阻塞概率，為了增加信道利用率和進入系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量。為此又提出新呼叫用戶排隊策略。在此策略卞，當(dāng)普通信道被占用完后，新進入的呼叫用戶請求并不是馬上被拒絕，而是進去排隊等候?qū)α型瑫r為其設(shè)置一個等待時鐘，若在時鐘期以內(nèi)基本信道有了可利用的信道資源則自動接入。這樣就提高了信道利用率，減少了可用信道的閑時，從另一方面加人了系統(tǒng)的話務(wù)量承載力。若用戶的時鐘期超時，再釋放排隊信道返回一個接入失敗消息。此策略在一定程度上緩解了較高話務(wù)量時系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，用戶是相對靜止的，衛(wèi)星波束覆蓋小區(qū)是高速有規(guī)律的運動的，故對于衛(wèi)星波束覆蓋小區(qū)的信道分配的研究不同于地面移動通信，但我們可以借鑒地面信道分配的策略，以研究其特性。在上述幾種信道分配方案中，預(yù)留信道方案通過預(yù)留信道降低切換呼損率，但卻導(dǎo)致初始呼損率上升；排隊方案通過排隊機制降低切換呼損率，卻使切換呼叫產(chǎn)生一定的延遲。如呆將預(yù)留信道方案與排隊方案相結(jié)合，即預(yù)留少量的信道同時又引入排隊機制，這樣就不會導(dǎo)致初始呼叫呼損率過人，并可以通過排隊進一步降低切換呼損率。1.3仿真分析根據(jù)上述各種參數(shù)的推導(dǎo)，結(jié)合以卞參數(shù)設(shè)置，通過仿真來分析系統(tǒng)的性能。波束覆蓋半徑R:500km;每個波束的信道數(shù)M:30條；MES在切換區(qū)駐留時間1/uq為信道保持時間1/uh的1/4;MES移動速度v：1000m/s;MES每次通話時長20min。預(yù)留信道方案預(yù)留2條信道，排隊混合方案預(yù)留2條信道并且排隊隊列為10。如圖2所示，非優(yōu)先方案的初始呼損率最低，切換呼損率最高；預(yù)留信道方案的切換呼損率較低，但初始呼損率卻較高，因為信道的利用率降低了；排隊混合方案的初始呼損率和預(yù)留信道方案是相同的，它的切換呼損率是最低的，因為在排隊混合方案中，切換呼叫除了可以參加排隊之外，還可以使用預(yù)留的信道。10°10°排隊混合方案預(yù)留信道方案~7/^—7/非優(yōu)先切換方案10排隊混合方案預(yù)留信道方案~7/^—7/非優(yōu)先切換方案10310°101102呼叫強度/(次/h)圖23種方案初始呼損率和切換呼損率比較預(yù)留不同的信道數(shù)對系統(tǒng)性能有很人影響，如圖3(a)所示，預(yù)留信道越多，系統(tǒng)性能越差，因為預(yù)留信道不能被初始呼叫所使用，降低了信道的利用率，進而降低了系統(tǒng)容屋。由圖3(b)可見，對于不同的隊列長度，初始呼叫的阻塞率幾乎沒有改變。因為初始呼叫不參與排隊，隊列的大小和初始呼叫沒有任何關(guān)系，排隊只是針對切換呼叫。對于切換呼叫，當(dāng)呼叫強度較低，每小時少于20次時，隊列大小對系統(tǒng)性能影響不明顯，因為排隊混合方案為切換呼叫預(yù)留了信道；當(dāng)呼叫強度增人，預(yù)留信道被全部占用，切換呼叫開始參加排隊。但并不是隊列值越人，系統(tǒng)可容納的呼叫強度就越人，當(dāng)呼叫強度達到55次/h以上時，隊列人小對系統(tǒng)性能的影響同樣不明顯。當(dāng)呼叫強度為30次/h,預(yù)留2條信道，隊列大小為10的排隊混合方案的切換呼損率和初始呼叫呼損率分別約為0.001和0.02,而預(yù)留信道方案在保證切換呼損率為0.001時，至少要預(yù)留5條信道，而預(yù)留5條信道時的初始呼損率高達0.1,顯然排隊混合方案比預(yù)留信道方案有更好的性能。圖3預(yù)留信道數(shù)和排隊值大小對系統(tǒng)性能的影響由圖4可以看出終端的平均通話時長越長，其阻塞概率就越大；平均通話時長越短，系統(tǒng)可容納的呼叫強度就越人。因為通話時長越長，占用信道的時間就越長，單位時間內(nèi)被釋放出來的空閑信道就越少，降低了系統(tǒng)的容量。終端的平均移動速度與系統(tǒng)的性能也有密切的關(guān)系，當(dāng)終端平均運動速度人時，發(fā)生切換的概率就越人。信道數(shù)目有限，終端發(fā)生切換的概率變?nèi)?，單位時間內(nèi)占用本波束信道的終端移出本波束的概率就會増犬，被釋放出來的信道就會增加，所以系統(tǒng)單位時間內(nèi)可容納的呼叫強度就會增加。10°18010°18010*110*110'210320406080100120140160呼叫強度/(次Zh)(b)10320406080100120140160呼叫強度/(次Zh)(b)終端在通話期間運行速度對系統(tǒng)性能的影堀圖4終端通話時長和移動速度對系統(tǒng)性能的影響通過仿真分析了GE0衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的非優(yōu)先方案、預(yù)留信道方案和排隊混合方案3種信道分配方案下系統(tǒng)的性能，并研究了終端通話時長和移動速度對系統(tǒng)性能的影響。從仿真結(jié)果町以看出，單純采用預(yù)留信道方案雖然降低了系統(tǒng)的切換呼損率，但卻提高了初始呼叫呼損率；排隊混合方案在取得與預(yù)留信道方案同樣的切換呼損率時，可以獲得更低的初始呼叫呼損率，排隊混合方案優(yōu)于預(yù)留信道方案。不同業(yè)務(wù)類型的用戶分級策略將系統(tǒng)用戶分為四種類別：語音切換用戶、語音新呼叫用戶、數(shù)據(jù)切換用戶、數(shù)據(jù)新呼叫用戶。其中切換用戶享有比新呼叫用戶更高的優(yōu)先級，對于語音切換用戶和數(shù)據(jù)切換用戶又有優(yōu)先級之分，當(dāng)系統(tǒng)中同時存在兩種類型的切換用戶時，由于數(shù)據(jù)用戶對于時延的敏感性較低，本策略中選擇先服務(wù)語音切換用戶再服務(wù)數(shù)據(jù)切換用戶。而在同等情況下，語音用戶又比數(shù)據(jù)用戶享有更高的優(yōu)先級。為了驗證算法的可行性，盡可能的簡化系統(tǒng)，在信道具體分配實施中，為語音用戶分配一條基本速率信道，為數(shù)據(jù)用戶分配四條基本速率信道。具體策略描述如卜：語音切換用戶到達小區(qū)時，如波束中有空閑信道則分配給該語音切換用戶，如波束中沒有空閑信道則隨機搶占一個正在被服務(wù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信道，該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)退到排隊隊列進行排隊，并對該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)置等待時間30s,超過30s后還沒有被服務(wù)則撤銷該服務(wù)返回業(yè)務(wù)中斷消息。數(shù)據(jù)切換業(yè)務(wù)到達小區(qū)時，如小區(qū)中有空閑信道則分配給該切換業(yè)務(wù)，如小區(qū)中沒有空閑信道則返回接入失敗消息。語音新呼叫用戶達到小區(qū)時，若空閑信道人于保護信道Cg,則分配給該業(yè)務(wù)一條空閑信道，否則就隨機搶占一個正在被服務(wù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信道，該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)退到排隊隊列進行排隊，并對該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)置等待時間30s,超過30s后還沒有被服務(wù)則撤銷該服務(wù)返回業(yè)務(wù)中斷消息。新數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達小區(qū)時，若空閑信道人于保護信道Cg,則分配給該業(yè)務(wù)四條空閑信道，否則就進入排隊隊列進行排隊，并設(shè)置等待時間30S,超過等待時間撤銷排隊同時返回呼叫中斷消息。當(dāng)被服務(wù)的通信業(yè)務(wù)由于通話完畢或切換到下一個小區(qū)時，首先檢查當(dāng)前小區(qū)的狀態(tài)，如空閑信道人于Cg,排隊隊列不為空，則從排隊等待服務(wù)的新到達業(yè)務(wù)中選擇一個業(yè)務(wù)分配剛剛釋放的信道；如空閑信道小于等于Cg或排隊隊列為空，則釋放服務(wù)完畢的信道。用戶可忍耐的等待時間T應(yīng)該是有限的，當(dāng)新到達業(yè)務(wù)或被切換用戶搶占了的數(shù)據(jù)用戶在排隊等待時間T后，仍沒有得到服務(wù)，則該業(yè)務(wù)自動離開等待隊列。3>認(rèn)知無線電在提高信道資源利用率上的應(yīng)用隨著無線電通信的飛速發(fā)展，頻譜資源緊張的狀況也口漸突出。與礦藏、森林、水等資源一樣，無線電頻率也是一種寶貴的資源，而且是不可再生的。按照ITU無線電規(guī)則頻率劃分，目前各種無線業(yè)務(wù)可以使用的無線電頻率范闈為9kHz~275GHz。但受電波傳播特性、無線通信技術(shù)以及無線電設(shè)備軟硬件實現(xiàn)的限制，絕人多數(shù)無線電設(shè)備只能工作在50GHz以下隨著未來無線通信的寬帶化發(fā)展趨勢，3G、WiMAX.UWB等新技術(shù)、新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，頻譜需求將呈指數(shù)迅猛增長。但目前我國出不多已將本國的町用頻譜資源分配完畢。由于采用了傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜使用政策，為特定的無線業(yè)務(wù)劃分了固定的頻譜范闈，所以留給新的系統(tǒng)、業(yè)務(wù)和技術(shù)的頻譜非常少或者甚至沒有頻譜可分配，頻譜資源的供需矛盾更為嚴(yán)重。面對目前頻譜資源緊缺現(xiàn)狀，首先需要重新認(rèn)識頻譜。傳統(tǒng)的固定頻譜分配策略卜?采用的各種提高頻譜效率的方法作用十分有限。由于頻譜效率的提高受限于香農(nóng)信道容量理論極限值，這些技術(shù)在一定程度上緩解了頻譜需求矛盾，但并沒有從根本上解決可用頻譜資源口益緊張的局面。近幾年來，人們開始關(guān)注靈活的頻譜共享技術(shù)，通過頻譜之間的靈活高效共享實現(xiàn)頻譜資源的最人利用。采用不同的頻譜共享技術(shù)實現(xiàn)多無線電和諧存在并有效解決無線頻譜資源緊缺問題的同時也面臨更多挑戰(zhàn)。3.1頻譜共享技術(shù)目前，主要的頻譜共享技術(shù)如卞：動態(tài)頻譜分配(DSA)動態(tài)頻譜分配策略根據(jù)無線電系統(tǒng)的實際通信量，動態(tài)地分配頻譜資源。因此用戶在特定時間和空間下使用的頻段不是事先固定的，而是臨時分配并且變動的。DSA要求預(yù)測各無線電系統(tǒng)的通信量以根據(jù)實際的負(fù)載動態(tài)分配頻段，這就需要改變現(xiàn)有的頻譜分配總體結(jié)構(gòu)，在頻譜管理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信終端等方面改動較人。DSA策略在一定時間、一定區(qū)域把無線頻譜的某一部分分配給每一無線電系統(tǒng)，其他用戶不得使用，因此并不能完全消除由于業(yè)務(wù)量的突發(fā)性而產(chǎn)生的頻譜空穴。免許可開放接入在免授權(quán)的一些頻段內(nèi)，用戶無需許可證，也沒有主次之分，只需要遵守一定的發(fā)射功率，并且不對其他頻段造成干擾即可。在所有頻譜共享技術(shù)中，目前面許可開放接入在實際應(yīng)用中最為成功。因為它實現(xiàn)簡單，對干擾控制簡單，并且無需頻譜壞境感知。但這種共享方式限制共享用戶只能發(fā)射較小的功率，對其他用戶的干擾完全控制在許可范闈內(nèi)，使得其應(yīng)用范閑窄，只適合短距離通信，目前的典型應(yīng)用是無線局域網(wǎng)，藍(lán)牙，Zigbee等。分級共享接入分級共享接入指的是在不改變現(xiàn)有頻譜分配總體結(jié)構(gòu)的前提下，通過開放授權(quán)頻段實現(xiàn)不同無線電系統(tǒng)用戶間的頻譜共享，以提高頻譜利用率。這種共享方式的用戶具有不同的等級，即嚴(yán)格的主從關(guān)系，提供共享頻譜資源的用戶成為主用戶，共享頻譜資源的用戶稱為次用戶。次用戶只有在不干擾主用戶正常工作的前提卞才能進行通信。根據(jù)主用戶和次用戶在時間和頻率上使用頻譜的不同，分級共享接入方式分為覆蓋式頻譜共享和機會式頻譜共享。覆蓋式頻譜共享中，一個無線電系統(tǒng)同時和另一個無線電系統(tǒng)使用相同的頻譜，在頻率上完全覆蓋。而機會式頻譜共享（OSA）,其核心思想是次用戶以見縫插針的方式使用主用戶的頻譜資源：主用戶沒空閑信道，次用戶便等待空閑信道的出現(xiàn)：主用戶一旦有空閑信道，次用戶便接入。一旦主用戶要使用被次用戶占用的空閑信道時，次用戶必須立即釋放給主用戶。實現(xiàn)該方式要求無線電具備感知能力，通過感知無線電的外部環(huán)境，包括檢測電磁場環(huán)境中其他用戶的情況，動態(tài)改變無線電參數(shù)，以便有效利用空閑頻譜資源，同時避免對主用戶通信系統(tǒng)的干擾。這就需要CR這一核心技術(shù)的支撐。2頻譜感知認(rèn)知無線電頻譜感知CR的核心思想是：具有認(rèn)知能力的CR用戶通過智能感知頻譜環(huán)境，自動搜尋并利用已分配給授權(quán)用戶但未被占用的“頻譜空穴”，實現(xiàn)與授權(quán)用戶的頻譜共享。頻譜分為兩類：授權(quán)頻譜：被授權(quán)用戶所擁有的頻譜，這里可以認(rèn)為是被分配了固定信道的優(yōu)先確保通信質(zhì)量的重要用戶（授權(quán)用戶）。非授權(quán)用戶：免費給任何用戶使用的頻譜，這里是指使用隨機分配的動態(tài)信道的一般用戶（CR用戶）。網(wǎng)絡(luò)分為兩類：授權(quán)網(wǎng)絡(luò)：使用授權(quán)頻段通信的網(wǎng)絡(luò)，它們獨占某些頻段。CR網(wǎng)絡(luò)：不擁有任何頻段，使用空閑頻段進行通信的網(wǎng)絡(luò)。要實現(xiàn)頻譜感知CR的功能，CR應(yīng)具備兩人基本功能：認(rèn)知能力和重配置能力。前者能夠是CR與環(huán)境進行交互，進而決定適合的通信參數(shù)來適應(yīng)無線環(huán)境：后者能夠不改變?nèi)魏蔚挠布糠终{(diào)整傳輸功率、載頻、調(diào)制等發(fā)射參數(shù)。

1、認(rèn)知能力1）頻譜感知：感知可用頻帶，發(fā)現(xiàn)頻譜空穴并檢測授權(quán)用戶的再次出現(xiàn);2）頻譜分析：對得到的頻譜空穴進行分析，估計其特征；3）頻譜決策：根據(jù)頻譜特征和用戶需求選擇適當(dāng)?shù)念l段。2、重配置能力工作頻段：CR可基于認(rèn)知環(huán)境的信息，改變并選擇最適合工作的頻譜;調(diào)制：CR可根據(jù)用戶的需求和信道環(huán)境自適應(yīng)選擇調(diào)制機制；傳輸功率：CR的傳輸功率可用在功率限制內(nèi)重新配置。3.3認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題頻譜感知是CR最核心的技術(shù)。其兩人基本功能是：1、感知頻譜空穴，充分利用所有頻譜機會；2、檢測授權(quán)用戶的出現(xiàn)，避免對授權(quán)用戶造成干擾。但在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，信道的分配基本有星載系統(tǒng)來完成，包括固定信道和動態(tài)信道的比例、授權(quán)用戶的空閑信道的分級共享方式。固定信道是分配給一個小區(qū)的信道中，只能由該小區(qū)用戶使用的信道；動態(tài)信道是該小區(qū)信道中除去動態(tài)信道的那部分，用來借給鄰小區(qū)，以緩解鄰小區(qū)的通信壓力；或是通過資源的流通性來提高頻譜利用率。授權(quán)用戶固定信道CR用戶動態(tài)信道4、基于效用函數(shù)的多業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)自適應(yīng)信道分配模型(主要參考自華中科人董燕博士論文)4.1引言用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的需求口益增長，隨著LEO通信系統(tǒng)的發(fā)展，它所提供的業(yè)務(wù)也從傳統(tǒng)的語音擴展到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)等多種業(yè)務(wù)類型，而這些業(yè)務(wù)本身所需要的帶寬遠(yuǎn)人于普通話音業(yè)務(wù)。不同業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量的要求也差別很人。例如在3G系統(tǒng)中將承載的業(yè)務(wù)類型分為4類，它們代表了當(dāng)前絕大部分無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，見表4-1。它們的主要區(qū)別在于對傳輸帶寬、時延、抖動的要求及數(shù)據(jù)誤碼率等。為了保證不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量以及信道資源的利用率，在進行信道分配時要區(qū)別對待不同的業(yè)務(wù)。表4—13G承載業(yè)務(wù)類型承載業(yè)務(wù)類型實際應(yīng)用業(yè)務(wù)功能特征實時(RT)會話業(yè)務(wù)語音保持實體間的時間關(guān)系嚴(yán)格保持會話方式(低時延)RT流視頻/音頻流保持實體間的時間關(guān)系交互式盡力而為(BE)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)瀏覽請求回應(yīng)方式保證用戶數(shù)據(jù)低誤碼率后臺BE業(yè)務(wù)文件傳輸，Email沒有時間要求保證用戶數(shù)據(jù)低誤碼率衛(wèi)星通信系統(tǒng)無線資源非常寶貴，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)往往需要較人的帶寬，而語音業(yè)務(wù)的帶寬較小，因此靈活的速率分配與傳輸技術(shù)是衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵之一。提出了一種基于效用函數(shù)的信道分配策略，語音切換呼叫具有可以搶占數(shù)據(jù)呼叫和多媒體呼叫信道的優(yōu)先級，由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)占有較人帶寬，因此只需要它們出讓部分帶寬而不是全部。本文首先描述了效用函數(shù)和呼叫占用帶寬的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上給出了信道分配策略,建立了系統(tǒng)用戶滿意度最人化數(shù)學(xué)模型，指出數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵是求解有約束的非線性規(guī)劃問題。4.2信道分配策略4.2.1效用函數(shù)在多媒體通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量架構(gòu)的研究中，廣泛應(yīng)用效用函數(shù)(utilityfunction)表達不同類型的業(yè)務(wù)中帶寬和用戶滿意度的關(guān)系，通常用U表示。令x為分配給用戶的帶寬,則函數(shù)U二F(x)被稱為效用函數(shù)，也就是用戶使用的帶寬為x時相應(yīng)的滿意程度。通信系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)類型給用戶分配帶寬。語音業(yè)務(wù)具有硬性的QoS要求，是常速率業(yè)務(wù)(CBR：ConstantBitRate),它的帶寬一效用曲線是階躍函數(shù)。數(shù)據(jù)和多媒體類業(yè)務(wù)在保持用戶滿意度一定水平的基礎(chǔ)上，允許傳輸帶寬在一定范闈內(nèi)變化，這些業(yè)務(wù)被稱為可變速率業(yè)務(wù)(VBR：VariableBitRate),通過自適應(yīng)調(diào)制編碼、自適應(yīng)傳輸?shù)燃夹g(shù)町以實現(xiàn)通話過程中帶寬的調(diào)整。對于數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)等可變速率業(yè)務(wù)，第j類業(yè)務(wù)的效用Uj是分配給它的帶寬(bj)00的非減函數(shù)，通常降低一個通話的帶寬會使相應(yīng)的效用卜?降。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的帶寬一效用曲線用凹函數(shù)表示，如式(4.l)o多媒體業(yè)務(wù)的帶寬一效用曲線是S型(Sigmoid)函數(shù)，如式(4.2)。話音業(yè)務(wù)是常速率業(yè)務(wù)，本文中它也代表實時業(yè)務(wù)，其的帶寬一效用曲線是階躍函數(shù)，表示硬性的QoS要求，如式(4.3)。Ud(r)=4(1-e-°012r)(4.1)7(廠)=]+e-0.1(r_55)(生2)人(廠)=『o'Vv-min,rvmin=12.0(4.3)式(4.1)?(4.3)中，i■表示帶寬，單位為kbps,式(4.3)中a=0.1,b二55,c=7o圖4—1是三種業(yè)務(wù)類型的帶寬一效用關(guān)系曲線。從圖中可以看出各種業(yè)務(wù)的效用函數(shù)具有邊際效用遞減性質(zhì)，即當(dāng)呼叫占用的資源增加到一定程度時，其效用的增長變緩，增加同樣帶寬所貢獻的滿意度越來越少，所以用戶滿意度具有極限值，即Uj(0)=0,Uj(oo)=Ujmax<oo,其中％“為第j類業(yè)務(wù)的最大效用.對于數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，如果一個用戶使用的帶寬是相應(yīng)業(yè)務(wù)的最大帶寬,減少一部分它使用的帶寬，其效用函數(shù)的減小不明顯?；趲捄托в玫倪@種關(guān)系，在新呼叫接入時，系統(tǒng)盡可能地給它分配較大帶寬，而在系統(tǒng)沒有足夠的空閑帶寬分配給切換呼叫時，可以減少正在進行通信的用戶的帶寬，將釋放出來的帶寬分配給切換呼叫.8一音據(jù)那一音據(jù)那語數(shù)多654321050100150200250300350速率(kbps)圖4-1帶寬一效用函數(shù)4.2.2切換呼叫接入控制基于各類業(yè)務(wù)帶寬一效用函數(shù)的關(guān)系，以及語音切換呼叫的高優(yōu)先級，設(shè)計切換呼叫接入控制策略如下。定義t時刻系統(tǒng)用戶滿意度為系統(tǒng)中正在進行呼叫的總效用：Qt=工心5（殆（4.4）其中C代表t時刻一個波束小區(qū)中正在進行的呼叫的集合，H為呼叫i（iGC）當(dāng)前使用的帶寬.定義t+1時刻有切換呼叫到達時，系統(tǒng)的用戶滿意度為正在進行呼叫的總效用及切換呼叫服務(wù)質(zhì)量的函數(shù)：Qt+1=SiGcyi(^t+i)+Y[zQho-(1-z)Qd](4.5)其中肚+i為t+i時刻呼叫i使用的帶寬，Qh。和血分別表示接入切換呼叫帶來的收益和拒絕切換呼叫帶來的損失，y為系統(tǒng)設(shè)定的切換掉話率權(quán)重，切換呼叫的優(yōu)先級越高，權(quán)重值越犬，通過調(diào)整y可以改變掉話率對系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的影響；z為0-1變量，當(dāng)拒絕切換呼叫時，取值為0：當(dāng)接受切換呼叫時，取值為1。設(shè)y‘為呼叫i釋放的帶寬，即計=b[-b；+i，則y=表示由C釋放的總帶寬。切換策略的目標(biāo)是在切換呼叫服務(wù)質(zhì)量和正在進行呼叫的總效用之間取得平衡，使系統(tǒng)用戶滿意度最大。因此令(4.6)（4.7）Q1=Qt+l\z=l=XiecS(b；+1)(4.6)（4.7）Q2=Qt+i\z=o=Qt~vQd設(shè)B為切換呼叫需要的最小帶寬，當(dāng)釋放的帶寬y人于或等于B,且QGQ2時，接入切換呼叫，否則拒絕切換呼叫。4.2.3信道分配策略在切換呼叫接入控制策略的基礎(chǔ)上，設(shè)計信道分配策略如下。對于小區(qū)中的新呼叫請求，判斷它的業(yè)務(wù)類型后，如果空閑帶寬小于它需要的最小帶寬，則拒絕該呼叫；否則盡可能給它分配較大的帶寬。當(dāng)一個切換請求到達波束小區(qū)時，判斷小區(qū)中空閑帶寬是否大于切換呼叫所需帶寬（即呼叫正在使用的帶寬），若是，則接受該切換呼叫；若否，則判斷它的業(yè)務(wù)類型，對于實時業(yè)務(wù)，如語音，求解Q1的最大值并將它與進行比較，根據(jù)比較結(jié)果決定是否接受切換呼叫；對于非實時業(yè)務(wù)，如數(shù)據(jù)或多媒體，則判斷波束小區(qū)空閑帶寬是否大于

其業(yè)務(wù)類型的最小帶寬，若是，則盡可能給它分配較大的帶寬；若否，則拒絕切換呼叫。當(dāng)有呼叫結(jié)束或切換到其他小區(qū)時，它所釋放的帶寬資源將分配給帶寬小于其最大允許帶寬的呼叫，以提高正在進行的呼叫的服務(wù)質(zhì)量。設(shè)R為波束小區(qū)總帶寬.切換呼叫信道分配實現(xiàn)流程如圖4-2所示。由于某些業(yè)務(wù)如數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)的帶寬可以在較大范圉內(nèi)調(diào)整，因此這種策略不需要專門為切換呼叫預(yù)留信道，策略本身已經(jīng)包含了切換呼叫相對新呼叫具有更高的優(yōu)先級。圖4-2切換呼叫信道分配流程4.3信道分配的非線性規(guī)劃模型4.3.1目標(biāo)函數(shù)信道分配策略的目標(biāo)是在切換掉話率和效用函數(shù)之間取得平衡，使系統(tǒng)的用戶滿意度最人。正在進行的呼叫有多個，各自使用的帶寬也不相同，需要考慮釋放哪個呼叫的