倪淑燕，金　山，吳翔宇

(裝備指揮技術(shù)學(xué)院 光電裝備系，北京 101416)

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HAP網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)預(yù)測輔助切換判決算法*

倪淑燕，金山，吳翔宇

(裝備指揮技術(shù)學(xué)院 光電裝備系，北京 101416)

摘要：在基于高空平臺(tái)(High Altitude Platform，HAP)的通信網(wǎng)絡(luò)中，用戶在小區(qū)間運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)觸發(fā)通信切換。采用常規(guī)基于信號(hào)強(qiáng)度的切換判決方法，門限低易發(fā)生乒乓切換，而門限高對(duì)于高速用戶會(huì)發(fā)生越區(qū)未切換。為提高判決算法對(duì)速率的適應(yīng)性，結(jié)合HAP波束覆蓋的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于移動(dòng)預(yù)測輔助的切換判決算法，利用速度信息預(yù)測下一時(shí)刻的位置，再根據(jù)波束覆蓋模型推導(dǎo)其信號(hào)強(qiáng)度，以此輔助切換判決。仿真證明該算法在降低切換次數(shù)保證切換成功率方面具有較好的性能。

關(guān)鍵詞：高空平臺(tái);移動(dòng)預(yù)測;切換判決;波束覆蓋

0引言

高空平臺(tái)通信系統(tǒng)是指在距地面20～100 km的空域部署可懸停飛行器，通過平臺(tái)上搭載通信載荷構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)區(qū)域提供通信服務(wù)。具有機(jī)動(dòng)性好、有效載荷技術(shù)難度小、易于更新和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1]。特別適合戰(zhàn)場環(huán)境和應(yīng)急環(huán)境下的通信需求。

在地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，為了提高切換精度，減少不必要的切換，常采用位置預(yù)測輔助切換判決[2-6]。文獻(xiàn)[3]在充分覆蓋條件下，提出了基于離基站距離和運(yùn)動(dòng)速度輔助的切換判決算法，根據(jù)信號(hào)傳播模型和信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)用戶的位置和速度，并對(duì)可能離開小區(qū)覆蓋范圍的情況進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果判決切換；文獻(xiàn)[4]提出基于上下文和粒子濾波算法的輔助切換機(jī)制，利用粒子濾波算法準(zhǔn)確預(yù)測移動(dòng)臺(tái)下一時(shí)刻位置，進(jìn)而輔助切換判決。文獻(xiàn)[5]提出自適應(yīng)增量的切換觸發(fā)算法，將接收信號(hào)強(qiáng)度，用戶速度，位置信息等參數(shù)共同作為觸發(fā)切換的判決因素，通過仿真驗(yàn)證，對(duì)不同移動(dòng)速度的用戶切換均有較好的效果。文獻(xiàn)[6]在小蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景下，通過采用參考信號(hào)接收功率方案，對(duì)用戶終端的移動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤，進(jìn)而達(dá)到速度估計(jì)的目的，根據(jù)估計(jì)的速度值建立與蜂窩覆蓋區(qū)域之間的切換關(guān)系，降低了切換失敗概率。

臨近空間通信網(wǎng)的波束覆蓋不同于地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)又不具有低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中衛(wèi)星高速規(guī)律運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。若采用速度位置信息輔助切換判決的方法，需要根據(jù)HAP的波束覆蓋特點(diǎn)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。因此本文將根據(jù)HAP波束覆蓋特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種移動(dòng)預(yù)測輔助切換(Mobile Predict Auxiliary Handoff,MPAH)的切換判決算法。

1HAP通信系統(tǒng)波束覆蓋方案

通過多波束天線，HAP系統(tǒng)可以對(duì)地面用戶進(jìn)行分區(qū)覆蓋。一個(gè)波束覆蓋一個(gè)小區(qū)。ITU-RF.1569針對(duì)27.5～28.35GHz和31～31.3 GHz頻段的寬帶業(yè)務(wù)用戶提出了兩種多波束覆蓋方案：均勻覆蓋和分層覆蓋[7]。

均勻覆蓋方案是指將HAP通信覆蓋區(qū)域分割成367個(gè)均勻大小的小區(qū)，利用橢圓不對(duì)稱波束在地面形成圓形覆蓋，增大系統(tǒng)覆蓋范圍，簡化帶寬復(fù)用規(guī)劃過程。其缺陷是天線的物理實(shí)現(xiàn)十分困難。分層覆蓋方案是將覆蓋區(qū)域分成5簇11層共397個(gè)小區(qū)，每簇小區(qū)的天線采用相同的最大增益，并且是圓形波束。該方案通過提高遠(yuǎn)離中心的小區(qū)的主瓣增益，來克服路徑損耗對(duì)用戶電池?fù)p耗的影響，物理實(shí)現(xiàn)簡單，但在地面上形成非均勻的覆蓋。

文獻(xiàn)[8-9]對(duì)兩種覆蓋方案按照?qǐng)D1和圖2所示進(jìn)行了分析。

圖1　均勻覆蓋方案投影示意

均勻覆蓋方案下，任意點(diǎn)處的增益可按照式(1)計(jì)算：

A(θa,φa)=G(max[{cos(θacosφa)}nθ·

{cos(θasinφa)}nφ],Sf)

(1)

式中，nθ和nφ表示適合在波束邊緣具有最優(yōu)方向性的天線方位角和俯仰角的天線指數(shù)，G是點(diǎn)波束的中心增益，nθ和nφ控制主瓣功率衰減速率，Sf是平坦旁瓣相對(duì)最大增益的衰減平層。θa和φa表示平臺(tái)到點(diǎn)(x,y)俯仰角和方位角。

分層覆蓋方案下的增益計(jì)算公式如下：

A(θ)=G(max[cosn(θ),Sf])

(2)

式中，G是點(diǎn)波束的中心增益，n為控制主瓣功率衰減速率，θ表示偏離波束主軸的角度，Sf是平坦旁瓣相對(duì)最大增益的衰減平層。

圖2　分層波束覆蓋模型

2移動(dòng)預(yù)測輔助切換的判決算法

現(xiàn)有的移動(dòng)信息輔助切換判決算法在實(shí)現(xiàn)過程中，普遍基于小區(qū)覆蓋邊界呈規(guī)則幾何形狀或覆蓋信息作為已知條件的假設(shè)下進(jìn)行。通過預(yù)判運(yùn)動(dòng)方向和速度，判斷用戶離開小區(qū)的時(shí)間和位置從而進(jìn)行切換判決。對(duì)于HAP通信系統(tǒng)，受平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性和波束覆蓋特點(diǎn)的影響，上述假設(shè)并不合理，因此本文在速度位置信息可獲取的前提下，針對(duì)HAP通信系統(tǒng)，重新設(shè)計(jì)一種位置信息輔助切換的判決算法，使切換發(fā)生在靠近小區(qū)邊緣的區(qū)域。

算法原理如下：當(dāng)用戶接收到相鄰波束的信號(hào)強(qiáng)度RSSnew與原波束的信號(hào)強(qiáng)度RSScur之間滿足關(guān)系式：

RSSnew≤RSScur

(3)

開始執(zhí)行位置預(yù)測算法。利用GPS可實(shí)時(shí)獲取用戶和平臺(tái)的位置速度信息，將信號(hào)強(qiáng)度值和位置速度信息作為測量報(bào)告的內(nèi)容一同發(fā)送給通信平臺(tái)。設(shè)切換執(zhí)行時(shí)間為t，根據(jù)相應(yīng)的位置預(yù)測算法預(yù)測t時(shí)刻后用戶所在的位置P。根據(jù)相關(guān)公式估算P點(diǎn)處的信號(hào)強(qiáng)度值RSSpro。當(dāng)該值與用戶接收門限值RSSth之間滿足關(guān)系式(4)時(shí)執(zhí)行切換：

第一，思想準(zhǔn)備。各級(jí)政府及其水行政主管部門要達(dá)成共識(shí)，真正轉(zhuǎn)變觀念，切實(shí)將思想認(rèn)識(shí)統(tǒng)一到使市場在水資源微觀配置中起決定性作用上來。同時(shí)，在全社會(huì)也要達(dá)成共識(shí)。

RSSpro≤RSSth

(4)

算法流程圖如圖3所示。算法中預(yù)測時(shí)長t應(yīng)大于算法的判決周期。由于定位和位置預(yù)測過程中存在誤差，因此在算法中設(shè)定一個(gè)誤差余量。該余量值應(yīng)能根據(jù)用戶的移動(dòng)速度動(dòng)態(tài)調(diào)整。設(shè)定保護(hù)時(shí)間tp，用戶的速度估計(jì)值為v，則l=v*tp作為切換保護(hù)距離。預(yù)測點(diǎn)P的位置等于預(yù)測算法中計(jì)算出的位置坐標(biāo)加上運(yùn)動(dòng)方向的距離l。

圖3　MPAH算法流程

信號(hào)在臨近空間通信網(wǎng)中傳輸時(shí)沒有精確的參考模型，因此，在估計(jì)出下一時(shí)刻位置后，仍難以精確的估計(jì)出該位置處的信號(hào)強(qiáng)度，需要對(duì)判決式(4)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

由式(4)變形可得到式(5):

RSScur-RSSpro≥RSScur-RSSth

(5)

任意一點(diǎn)處的接收信號(hào)強(qiáng)度RSS滿足如下關(guān)系：

RSS=Pt+Gt+GR-Lt-Lf-La-Lr-LR

(6)

式中，RSS(dBw)為接收機(jī)輸入端的載波功率，Pt(dBw)為發(fā)射機(jī)功率，Gt為P點(diǎn)處的發(fā)射機(jī)功率增益，GR為接收天線增益(dB)，Lf為自由空間傳播損耗(dB)，La為大氣引起的損耗(dB)；Lt為發(fā)射饋線的損耗(dB)；Lr為接收饋線的損耗(dB)；LR為其他損耗。在預(yù)測時(shí)長t內(nèi)，用戶移動(dòng)距離較近時(shí)，假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻與t時(shí)刻后P點(diǎn)處接收信號(hào)強(qiáng)度的改變僅與P點(diǎn)處的Gt和Lf有關(guān)。則式(5)可進(jìn)一步化為：

RSScur-RSSth≤(Gt_cur-Gt_pro)+(Lf_pro-Lf_cur)

(7)

式中，RSScur由實(shí)際測量得到，RSSth為已知的門限值。Gt_cur和Gt_pro分別表示當(dāng)前位置處的發(fā)射機(jī)增益和P點(diǎn)處的發(fā)射機(jī)增益。在位置已知的條件下，增益大小可由式(1)和式(2)計(jì)算出。Lf_pro和Lf_cur分別表示P點(diǎn)處和當(dāng)前位置處的路徑損耗，大小可由自由空間路徑損耗公式求出。由于切換觸發(fā)點(diǎn)是根據(jù)用戶當(dāng)前的速度和位置信息進(jìn)行推算，因此預(yù)測觸發(fā)點(diǎn)的位置包含了用戶的速度和位置信息，其切換判決將隨不同用戶的速度位置而動(dòng)態(tài)調(diào)整。

綜上所述，切換的觸發(fā)條件為：

(8)

3仿真分析

3.1仿真場景

利用MATLAB軟件對(duì)用戶在單個(gè)平臺(tái)下同一層的兩個(gè)相鄰波束間的切換性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。即每個(gè)波束的主瓣最大增益相同。由于實(shí)際應(yīng)用中，算法關(guān)心的是接收信號(hào)強(qiáng)度值和偏離主瓣方向的夾角，因此，取某一層的小區(qū)進(jìn)行分析，不失一般性。

為了簡化仿真分析，設(shè)波束在地面的覆蓋區(qū)域近似為圓形，3 dB波束寬度為7.3，小區(qū)半徑為1.6 km。圓心位置即為中心波束在地面的映射位置。相鄰波束中心位置間距離為2.4 km。

圖4　仿真場景示意

3.2傳輸模型

自由空間路徑損耗以dB為單位時(shí)通常由式(9)計(jì)算：

Lf=32.45+20lgf+20lgd

(9)

由于平臺(tái)與發(fā)射機(jī)間的距離遠(yuǎn)大于一次切換判決時(shí)間內(nèi)用戶的移動(dòng)距離，相鄰兩次位移所造成的路徑損耗可忽略不計(jì)。在波束重疊區(qū)域，由于不同波束的發(fā)射機(jī)位于同一處，用戶與不同發(fā)射機(jī)間的損耗相等。因此仿真時(shí)信號(hào)強(qiáng)度與位置之間的關(guān)系由發(fā)射機(jī)增益決定。因此仿真時(shí)設(shè)RSSth=-3 dB，這與實(shí)際應(yīng)用時(shí)的參數(shù)設(shè)置是有出入的。按照式(2)對(duì)分層覆蓋方案下的增益進(jìn)行求解。根據(jù)圖2，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意一點(diǎn)P、平臺(tái)位置A、中心投影O，三點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)三角形。設(shè)AP=a，AO=b，PO=c，a、b、c的值可通過兩點(diǎn)間距離公式求出。則偏離波束主軸的角度θ可由式(10)計(jì)算出：

(10)

3.3評(píng)價(jià)參數(shù)

為了說明算法性能，仿真時(shí)對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：

實(shí)際越區(qū)次數(shù)，反映用戶需要切換的最小次數(shù)；觸發(fā)切換次數(shù)，根據(jù)切換判決算法觸發(fā)的切換次數(shù)；通信中斷次數(shù)，即越區(qū)過程中未能成功切換的次數(shù)。包括兩部分，一是觸發(fā)切換后，在切換執(zhí)行時(shí)間內(nèi)移動(dòng)到原始波束范圍以外的切換，仿真時(shí)設(shè)t=1 s，tp=0.5 s。二是越區(qū)后仍為發(fā)起切換導(dǎo)致通信中斷的次數(shù)。所有參數(shù)的統(tǒng)計(jì)均以波束覆蓋半徑為界。

對(duì)于切換判決算法，在不考慮資源準(zhǔn)入的條件下，觸發(fā)切換的次數(shù)越接近實(shí)際越區(qū)次數(shù)，且中斷次數(shù)越少，算法的性能越好。

3.4仿真分析

為了比較MPHA算法性能，仿真時(shí)對(duì)磁滯電平法同樣進(jìn)行了仿真分析。在磁滯電平法中取不同的磁滯門限值的條件下與MPHA算法進(jìn)行仿真比較。

從圖5、圖6可以看出，對(duì)于磁滯電平法，在相同的速度條件下，增大磁滯門限值，同樣可以降低觸發(fā)切換次數(shù)，但切換過程中的中斷次數(shù)明顯增高。這是因?yàn)殚T限值越高，觸發(fā)切換的時(shí)機(jī)越晚，觸發(fā)的切換中通信中斷前離開原始小區(qū)的比例增加，越區(qū)未切換的次數(shù)同樣增大。降低磁滯門限值，切換發(fā)起的次數(shù)顯著增加，切換中斷的次數(shù)則明顯減少。但這種中斷次數(shù)的統(tǒng)計(jì)忽略了呼叫接入控制導(dǎo)致切換中斷的情況。通常情況下，頻繁的切換將加重系統(tǒng)的資源消耗，容易出現(xiàn)乒乓效應(yīng)，切換失敗的可能性增大。而MPHA算法在切換觸發(fā)次數(shù)和切換中斷次數(shù)上均較低，且切換觸發(fā)切換次數(shù)更接近于實(shí)際越區(qū)次數(shù)。從降低切換次數(shù)保證切換觸發(fā)及時(shí)準(zhǔn)確的角度考慮，MPHA算法的性能更優(yōu)，在不同的用戶移動(dòng)速度條件下，均具有較好的切換性能。

圖5　不同切換判決條件下切換次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖6　不同切換判決條件下切換失敗率和錯(cuò)誤執(zhí)行率

4結(jié)語

在HAP通信系統(tǒng)中，用戶終端向平臺(tái)上報(bào)的測量信息中不僅包括信號(hào)強(qiáng)度、信噪比等信道信息，還包括用戶的移動(dòng)速度和位置信息。合理利用這些信息有助于提高切換判決精度。利用位置速度信息輔助判決的方法在地面蜂窩和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的研究，但HAP通信系統(tǒng)具有一定的特殊性。結(jié)合HAP波束覆蓋的特點(diǎn)，合理利用上報(bào)的速度信息輔助切換，顯著提高了切換判決算法對(duì)速率的適應(yīng)性，是未來HAP通信系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程中處理切換問題的有效方法。

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A Handover Decision Algorithm for HAP Network based on Mobility Prediction

NI Shu-yan,JIN Shan,WU Xiang-yu

(Optical-Electronic Equipment Dept.,Academy of Equipment and Command Technology,Beijing 101416,China)

Abstract：In HAP (High Altitude Platform)communication network,the users’ move across cells would touch off communication handoffs.And with traditional handoff decision algorithm based on signal strength,low thresthold would cause ping-pong swith,while high thresthold result in over-line but no handoff for high-speed users.To increase the adaptability of handoff-decision threshold to speed,and according to the beam-cover characteristics of HAP platform,a handover decision algorithm with mobility prediction as an auxiliary is proposed and designed.This algorithm,with speed information to predict the position of next moment and beam-cover model to drive the signal strength of next moment could thus assist the handover decision.Simulation indicates that the proposed algorithm is of fairly good performance in reducing handover frequency and ensuring handover success-rate.

Key words：high altitude platforms,mobile prediction,handoff decision,beam cover

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.013

* 收稿日期：2015-09-01；修回日期：2015-12-20Received date:2015-09-01；Revised date：2015-12-20

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2016)02-0189-05

作者簡介：

倪淑燕(1981—)，女，博士，講師，主要研究方向?yàn)榭臻g信息傳輸技術(shù)；

金山(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線通信組網(wǎng)技術(shù)；

吳翔宇(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線通信組網(wǎng)技術(shù)。