一种基于TCRA的低轨星座通信系统的强占预留信道策略
在低轨(LEO)星座卫星通信中，目前已有的信道分配策略一般强调具有较低的切换失败概率，以保证正在通话的呼叫的服务质量。信道预留策略是降低呼叫切换失败概率的有效方法之一[1]。其中，基于时间的信道预留算法(TCRA)[2]提前一个小区为切换呼叫预留信道，可以实现零切换失败。但该策略导致了较高的新呼叫阻塞概率，造成了信道资源利用率的降低。参考文献[3]提出了超额预留的基于时间信道预留算法(TCRA-O)，它假设在每个小区固定分配C个信道的基础上，还存在S个虚拟信道。这种做法也提高了信道利用率，但并未考虑用户的位置信息，造成了一些不必要的切换失败。参考文献[4]中，算法的预留信道的数量考虑了用户位置信息和呼叫已经历的时长,但在呼叫持续时长服从负指数分布的模型中，该策略不够准确。
本文提出一种基于TCRA的强占预留信道策略，它在TCRA的基础上，有效地利用了用户的地理位置信息。该策略本着少影响甚至不影响正在通话用户的服务质量的原则，尽量接受具有小切换失败风险的新呼叫请求，提高了系统的资源利用率。
1 基于时间的信道预留算法(TCRA)
1．1 移动性模型
目前已提出很多适用于LEO星座通信系统仿真分析的移动性模型[4-5]，本文采用图1中所描述的一维移动性模型[4]。其中，A-G为卫星多波束天线在地面上形成的彼此相连的方形小区。假设这些方形小区固定不动，小区中所有用户以相同的速度沿着与卫星相反的方向运动，速度大小与卫星星下点速度相等。模型假设用户配置有定位系统，则在呼叫开始时用户的位置就被确定。对于明确了移动速度、方向和位置的用户，其即将穿越的下一小区和切换的时间是可以预测的。
1．2 TCRA-1
TCRA是一种有效的信道预留策略，它要求只有当系统能够提前一个小区为新到达用户预留信道时，才接受此新呼叫请求。TCRA-1是明确用户确切位置信息模式下的TCRA策略，下面是TCRA-1的具体实施过程：
呼叫建立阶段：在呼叫建立时间Tsetup，一个用户U要求一个新呼叫连接。系统向用户呼叫发起的源小区C0和第一个穿越的小区C1发送一个信道预留请求，分别在两小区时间间隔[Tsetup, Tsetup+T0+σt]和[Tsetup+T0－σt, Tsetup+T0+T1＋σt]中预留一个信道。其中，T0和T1分别为用户在源小区和穿越小区中的驻留时间，σt为事先设定的一个允许的错误差量。如果两个请求都能被满足，则呼叫请求被接受。
每个切换阶段：当一个正在通话用户完成从Ci至Ci＋1的一次切换，系统将Ci＋1中为其预留的信道分配给此用户，释放Ci中信道，并向Ci＋2发出一个新请求，在Ci＋2中时间间隔[THOi+T1－σt，THOi+2T1+σt]内为用户预留一个信道。其中，THOi为用户在Ci中发生切换的时间。
呼叫终止阶段：当用户在Ci中终止呼叫时，它会释放当前占用的信道，并向Ci＋1发送取消预留信道的命令。
此策略能够保证用户在其通话持续时间内不发生切换失败，原理在参考文献[2]中已被说明，在此不再阐述。
2 基于TCRA的一种强占预留信道策略
2．1 算法原理
虽然TCRA策略保证了切换失败率为零，但造成了系统容量的浪费，下面说明这一问题。
如图2，假设每小区有2个可用信道，3个相连的小区（Cl、Cl+1 和Cl+2）中对应的位置分别有3个正在通话用户（用户1、用户2和用户3）。图3为用户在相应小区中相应时间段内的信道使用和预留情况，横坐标代表时间，纵坐标代表相应小区及相应信道。t0时刻处于Cl+1的用户U向系统发出新呼叫请求，虽然此时小区Cl+1存在未被使用的信道，但根据TCRA-1，系统在[t1，t3]已经为用户1预留信道，无法在[t0，t2]为用户U进行正常的信道预留，因此系统拒绝用户U的新呼叫请求。分析此情况，如果在用户1到达Cl+1小区之前，即[t0，t1]间，用户1、用户2和用户U三者中任意一个用户结束其通话，则即使系统接受用户U占用为用户1预留信道的请求，也不造成系统的切换失败。TCRA的预留策略没能充分利用系统容量，造成了资源的浪费。以此类推，如果系统信道容量增大至20甚至更高，此类资源浪费的现象将更加严重。
基于TCRA的强占预留信道策略是基于TCRA-1的改进，其基本思想如下：t0时刻，一个新呼叫用户向系统发出使用本小区信道的请求，如果在其驻留本地小区时间内所有信道都有被预留的记录，假设系统接受此新呼叫，根据目前正在通话用户的位置信息，预测最坏情况(即使用和预留本小区信道的所有用户一直保持通话)下，造成用户切换呼叫掉话的时间t1，记Δτ＝t1－t0。如果Δτ大于某时间门限值ΔT，则认为占用或预留本小区信道的用户在时间间隔[t0，t1]内结束呼叫的可能性较大。此时，只要系统能够在下一小区相应的时间间隔内为新呼叫预留信道，则接受用户U的新呼叫请求。否则，拒绝此次新呼叫请求。这样的策略增加了新呼叫请求的成功数量，进而更加有效地利用了系统的信道资源。 ΔT的大小由业务模型的选取和服务质量的定义共同决定。下面推导合适的时间门限值ΔT。
假设呼叫持续时间满足均值为Tm的负指数分布，则呼叫持续时间分布概率密度p(t)为：
负指数分布的无记忆特性，决定了对于呼叫持续时长遵循此分布的正在通话用户，它的呼叫结束时间不受其已经历通话时长的影响。设已经历通话时长T1的正在通话用户在T1+Δτ时刻以后呼叫结束的概率为Po，则：
由于通话用户间的呼叫持续时长相互独立，则n个活动用户继续保持通话时间大于Δτ的概率Po(n)为：
由此可以认为：在所有信道都被用户使用或是预留的信道容量为C的小区中，T0时刻一个新呼叫到达，如果系统可以预测到接受此次新呼叫在T0＋Δτ时刻存在切换失败的可能，那么采取强占预留策略允许此新呼叫接入，将导致系统切换失败的概率为Po(C+1)。
参考文献[6]推导得到，在由方形小区组成的一维移动性模型中，如果新呼叫阻塞概率Pn和切换失败概率Ph都为0，则系统中每次呼叫需要经历的平均切换次数nk为：
其中，Vsat为低轨卫星的星下点移动速度，R为方形小区长度。
服务等级（GoS）是反映QoS的一个重要指标，它由新呼叫阻塞概率和切换失败概率决定[6]：
其中，k>1，是新呼叫与切换呼叫GoS之间的平衡因子，在一些文献中通常取10。服务等级越低，通信质量越好，说明信道分配策略越好；切换失败概率对于服务等级的影响是新呼叫阻塞概率对其影响的k倍。
为保证改进的策略具有更好的QoS，要求改进策略的GoS更低，结合GoS定义可得：
其中，Pn2和Ph2分别为策略改进后系统产生的新呼叫阻塞概率和切换失败概率；Pn1和Ph1分别为原策略产生的新呼叫阻塞概率和切换失败概率。为更清楚地表述算法，本文将相应的呼叫统计数量引入计算，(6)式即可表示为：
其中，Nnbi，Nni，Nhbi，Nhi分别为采取原策略(i＝1)和采取改进策略(i=2)时一段时间内系统中产生的新呼叫阻塞数量、新呼叫数量、切换失败数量、切换数量。可令Nn1和Nn2相等，记为：
本文采用的移动性模型满足参考文献[6]提出的假设要求， 近似为0，根据参考文献[6]，有：
由式(7)、(8)、(9)，得到：
