卫星网络综合加权信道分配策略

蔡睿妍

（1. 大连大学 通信与网络重点实验室，辽宁 大连 116622；2. 大连大学 信息工程学院,辽宁 大连 116622）

0 引言

近年来，卫星通信在军用和民用通信方面都得到了广泛应用。尤其是低轨（Low Earth Orbit,LEO）卫星，轨道高度多位于500～1000 km，具有传输时延低、通信容量大、传输损耗低等特点[1]，在环境监测、抢险救灾等诸多领域得到了广泛应用。由于LEO卫星高速运行，每个运行周期与地面站的通信时间短，且星上存储、计算能力有限，为实时传输数据，降低LEO卫星存储数据量，当LEO卫星在地面站通信范围以外，将通过地球同步轨道（Geostationary Earth Orbit, GEO）卫星进行转发。但是，GEO卫星连接度有限，当请求GEO信道的LEO卫星数量较多时，GEO卫星如何分配信道是亟待解决的问题。

目前，卫星通信信道分配技术研究主要针对低轨、高轨移动卫星通信系统。文献[2]中，切换预留信道经过一定时间未被切换用户使用则被释放，新呼叫阻塞率明显降低，但是没有考虑用户的优先级。文献[3]针对LEO卫星网络业务的QoS提出了多优先级业务条件下基于预留信道优先占用方案，根据业务的优先级，对预留信道和共享信道分别设置不同的信道门限，切换呼叫首先使用预留信道，达到门限值后开始使用共享信道，新呼叫只能使用共享信道。文献[4]将流量预测引入到卫星信道分配中，但其分配性能受预测性能影响。

GEO-LEO 卫星网络中，星间距离远，由于噪声和传输损耗等影响，信道误码率较高。目前信道分配方法中均未考虑星间信道质量，本文提出了基于信道质量的综合加权信道分配算法，该算法首先考虑信道质量参数，满足数据可靠传输，同时根据卫星的功能，设定了卫星任务优先级，满足紧急救援及军情等实际需要，并且，同级别卫星的优先级别还取决于卫星可通时间、缓存剩余量及传输速率，降低了对卫星存储容量的要求。

1 算法描述

卫星网络信道分配中，LEO卫星处于GEO卫星的覆盖区内，且LEO卫星与GEO卫星的星间信道质量较好时，LEO卫星发送请求。GEO卫星根据呼叫卫星的优先级分配信道。

本文算法中，第i颗LEO卫星的优先级可表示为：

式中，li是第i条信道质量，当信道质量满足要求时，该信道可用，其值为1，否则值为0；tsm是与GEO通信的LEO卫星缓存存满需要的最长时间；tis是第i颗LEO卫星缓存存满需要的时间；tvm是与GEO卫星和LEO卫星通信时间的最大值；tiv是第i颗LEO卫星的剩余通信时间；Li是第i颗LEO卫星的任务级别，紧急星的Li值为1，非紧急星的Li值为0；α、βγ是权重系数，为了保证紧急星的数据优先传输，要求γ≥α+β，即紧急星任务级别最高。

当然，仅按照上述优先级分配信道时，LEO卫星运行过程中，其优先级随时间不断变化，将导致信道频繁分配。为此，本文提出了以下约束条件：

约束条件1 本算法设定呼叫门限阈值δ1，当卫星缓存量大于门限阈值δ1时，卫星方可发起呼叫。卫星的呼叫概率为：

式中，Pc是LEO卫星的呼叫概率；Mc是LEO卫星缓存量。

约束条件2 同类别卫星强占一条信道时，强占信道的卫星利用信道传输数据，优先级不断降低，未强占信道的卫星存储量一直增加，优先级不断提高，仅按照优先级分配信道，将导致频繁切换现象。因此，本算法又设定了门限阈值δ2和δ3，当请求信道的LEO卫星的优先级大于门限阈值δ2，同时与在通的LEO卫星优先级的最小值的差值超过门限阈值δ3时，方可强占。卫星强占概率为：

式中，Ppr是LEO卫星的强占概率；pirc是呼叫卫星的优先级；pirmin是正在通信的LEO卫星的最低优先级。

2 算法仿真验证

2.1 仿真环境

为了验证本文算法的性能，仿真中设计了4颗低轨卫星通过1颗高轨卫星转发数据，α、βγ三个权重系数分别规定为2，1，3。δ1、δ2和δ3三个门限阈值分别规定为0.5，0.25，0.1。LEO卫星的存储容量均为25000字节，其中LEO3卫星为紧急星，仿真时间为2548 s。

2.2 仿真分析

现有信道分配算法主要用于低轨、高轨移动卫星通信系统，与GEO-LEO卫星网络差别较大。因此，仿真中比较了本文算法和FIFO（First in First out）算法的性能。

图1是4颗LEO卫星的数据累计丢失量。数据丢失主要来自两方面，一是卫星信道质量不满足要求，将导致接收端无法正确接收数据，大量数据被丢失；二是LEO卫星的缓存量、可通时间等均有限，按照先来先服务原则传输数据，将导致后进入GEO覆盖范围的LEO卫星无可用信道，数据量超出系统缓存容量后，发生数据溢出丢失与FIFO算法相比，本文的信道分配算法有效地降低了数据丢失量，保证了数据传输的正确性和完整性。

图1 LEO卫星数据累计丢失量

图2是两种算法下4颗LEO卫星与GEO卫星的通信时段。本文算法中，每颗LEO卫星与GEO卫星的通信时间段明显高于FIFO算法，尤其是紧急卫星LEO3，本文算法中与GEO卫星通信时间为1100 s，而FIFO算法中与GEO卫星通信时间不足500 s，故本文算法有效满足了紧急卫星数据的实时传输。

图2 LEO卫星与GEO卫星通信时段

图3是两种算法下LEO卫星与GEO卫星通信信道利用率的比较。FIFO算法在误码率不满足系统要求情况下仍然传输，既占用了有限的信道资源，接收端又得不到有效数据信息，因此，信道利用率远低于本文算法。

图3 GEO卫星信道利用率

3 结论

本文结合卫星网络误码率高、可视时间和缓存容量有限等特点，提出了基于信道质量的综合加权信道分配算法。该算法兼顾了影响卫星数据丢失的主要因素，设计了卫星呼叫及强占信道的约束条件，并根据实际需要，设计了紧急星，符合卫星网络的特点。与FIFO算法进行了仿真比较，结果表明，本文算法满足重要数据的实时传输，避免了卫星网络信道的频繁切换，提高了信道利用率，满足数据完整、可靠传输要求。