一种基于TCRA的低轨星座通信系统的强占预留信道策略

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：

不等式左侧分母表示新策略减少的新呼叫阻塞数量，即增加的新呼叫接入数量，分子表示新策略增加的切换失败的数量。又有采用强占信道策略允许新呼叫接入所导致的切换失败概率为Po(C+1)，则有：

这里称不等式(12)右侧的时间门限为强占信道时间门限，用ΔT表示。只有满足Δτ>ΔT，才能保证改进的策略具有更好的服务质量。
2．2 算法描述
　　在执行基于TCRA的强占预留信道的信道分配策略时，首先根据实际低轨星座卫星的移动性参数、小区信道数量以及业务模型的相关参数，按(12)式计算强占信道时间门限ΔT。在一个呼叫的生命周期中主要执行的算法如下：
　　新呼叫到达阶段：当T0时刻新呼叫发出信道请求时，系统首先执行TCRA-1策略，如果满足此策略，系统分配给新呼叫一个合适的信道并实施预留，如果新用户驻留本小区时间间隔内所有信道都有被预留的记录，则搜索最迟被预留的信道，假设其预留开始时间为T1，则Δτ＝T1－T0。如果Δτ>ΔT且可在下一小区实施预留，则接受新呼叫请求；否则，新呼叫失败；如果系统没有空闲信道，也阻止新呼叫接入。
　　呼叫切换阶段：切换后用户使用事先系统为其预留的信道；系统预测未来切换的时刻，并且在未来小区中相应的时间间隔内预留一个信道。如果以上条件系统无法满足，则此呼叫切换失败，解除为其预留的信道。无论切换是否成功，此呼叫都释放目前小区占用信道。
　　呼叫终止阶段：当用户结束本次呼叫时，释放目前小区占用的信道，解除下一小区相应信道的预留请求。
3 仿真结果与分析
3．1仿真模型和基础假设
　　本文中的仿真建立在7小区网络模型之上进行，如图1。在7小区模型中用户终端按照从小区A到小区G的顺序切换， G中用户的目的切换小区是A。7小区模型可以为仿真提供足够的精度，且复杂度要低于采用98小区的模型[5]。
　　仿真中假设：模型中新呼叫到达时间服从泊松分布，小区中的新呼叫用户出现位置服从均匀分布；用户通话持续时间服从负指数分布，呼叫平均持续时长为180s；小区长度为250km；卫星星下点速度为27 000km/h；采用固定信道分配，每个小区平均分配20条信道；TCRA-1中的错误差量σt取0；GoS平衡因子k取10；仿真时间为24h。
3．2 仿真结果
　　本文在固定信道分配的基础上，分别采用了TCRA、基于TCRA的强占预留信道策略、预留信道数量为2和3的固定信道预留策略对通信过程进行仿真。对应不同的业务量，对几种策略的切换失败概率、新呼叫阻塞概率和GoS三项指标进行比较， 如图4、图5、图6所示对比几种策略，TCRA不产生切换失败，这是此算法的优势，但其产生的新呼叫阻塞率较高；固定预留2个信道策略的切换失败率最高；固定预留3个信道策略的新呼叫阻塞率最高；提出的新策略产生一定的切换失败，但即使是在业务量为12爱尔兰时切换失败率也仅有7.7×10-4，在新呼叫阻塞概率方面，明显优于固定预留3个信道的预留策略和TCRA策略，对应不同的业务量，策略几乎都能比TCRA降低20％的新呼叫阻塞概率。几种策略中，本文提出的新策略具有最低的GoS。综上，与TCRA和两种固定信道预留策略相比，新策略都具有更好的QoS，且能较好地利用系统的信道资源。