摘 要：隨著低地球軌道（Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ，ＬＥＯ） 衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備的大規(guī)模部署，用戶終端數(shù)量呈迸發(fā)式增長(zhǎng)。然而衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致服務(wù)間斷，大量用戶需要同時(shí)發(fā)生切換，產(chǎn)生了大量的信令開(kāi)銷(xiāo)，致使網(wǎng)絡(luò)性能下降。針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種基于海量用戶的屬性優(yōu)化分組方式的多星切換方法。該方法根據(jù)用戶服務(wù)衛(wèi)星向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的滿足用戶通信需求的切換衛(wèi)星信息，對(duì)用戶考慮其在波位內(nèi)相對(duì)位置和切換需求帶寬等屬性進(jìn)行初始分組。通過(guò)考慮切換成功率、負(fù)載均衡和切換時(shí)延等因素，調(diào)度組內(nèi)用戶和用戶組，優(yōu)化用戶的分組切換方法。對(duì)于信令交互流程，分析了優(yōu)化分組切換方法對(duì)比譜聚類分組切換方法和單用戶切換方法的信令開(kāi)銷(xiāo)。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的分組切換方法能夠有效提高切換成功率，改善衛(wèi)星的負(fù)載均衡，降低切換時(shí)延，減少部分節(jié)點(diǎn)間交互的信令，從而降低切換的信令開(kāi)銷(xiāo)。

關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星；多星覆蓋；星間切換；分組切換

中圖分類號(hào)：ＴＮ９２７＋． ２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ

文章編號(hào)：１００３－３１０６（２０２４）１２－２８５０－０８

０ 引言

如今，低地球軌道（Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ，ＬＥＯ）衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展十分迅速，在地面通信系統(tǒng)受地理和經(jīng)濟(jì)因素的制約，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全球可達(dá)時(shí)，ＬＥＯ 衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠提供全球無(wú)縫覆蓋通信，并且其具有低時(shí)延、低功耗的特點(diǎn)，能夠作為地面通信系統(tǒng)的重要補(bǔ)充［１］。ＬＥＯ 衛(wèi)星通信系統(tǒng)與以往的地球靜止軌道（Ｇｅｏｓｔａｔｉｏｎａｒｙ Ｏｒｂｉｔ，ＧＥＯ）衛(wèi)星通信系統(tǒng)大不相同，一方面由于低軌衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致對(duì)地面上終端的覆蓋時(shí)間短，一般在十幾分鐘以內(nèi)，當(dāng)終端由一顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)進(jìn)入另一顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)時(shí)，要進(jìn)行衛(wèi)星切換［２］；另一方面，地面上的終端分為靜止終端和運(yùn)動(dòng)終端，后者運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)于低軌衛(wèi)星可忽略，因此認(rèn)為ＬＥＯ 通信系統(tǒng)的切換主要由衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)引起［３］。傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換和認(rèn)證機(jī)制主要是基于個(gè)體用戶設(shè)計(jì)的，并且由于ＬＥＯ 衛(wèi)星的高動(dòng)態(tài)性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)切換會(huì)產(chǎn)生更大的切換開(kāi)銷(xiāo)和時(shí)延［４］。文獻(xiàn)［５］以端到端連接的跳數(shù)為基礎(chǔ)，提出了最小跳數(shù)切換策略，提供一定程度的服務(wù)質(zhì)量（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ，ＱｏＳ）保障，獲得了較低的傳播時(shí)延和較低的切換頻率。文獻(xiàn)［６］提出了以用戶為中心的多屬性切換決策，基于用戶偏好和實(shí)時(shí)的系統(tǒng)測(cè)量調(diào)整屬性權(quán)重，獲得了在切換時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)度、信道利用率上的性能提升。文獻(xiàn)［７］提出了一種基于波束可視時(shí)間與接收信號(hào)強(qiáng)度的波束小區(qū)［８］切換準(zhǔn)則，有效降低了終端切換的頻次。隨著ＬＥＯ 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，終端數(shù)量也在逐步增加，星間切換面臨著大量終端同時(shí)切換的可能。由于ＬＥＯ 波束遠(yuǎn)大于地面基站服務(wù)小區(qū)，可能存在一顆衛(wèi)星甚至一個(gè)波束下具有海量用戶的情況，解決由于衛(wèi)星高速移動(dòng)帶來(lái)的特有的批量用戶跨星跨波束并發(fā)切換問(wèn)題異常重要［９］。星上的計(jì)算資源有限，大量的切換請(qǐng)求會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的性能下降，針對(duì)大量切換的衛(wèi)星切換方法越來(lái)越受關(guān)注。與此同時(shí)，衛(wèi)星天線技術(shù)的發(fā)展，使相控陣天線能夠凝視地面固定波位，使地面的小區(qū)形狀不隨衛(wèi)星的移動(dòng)而變化，波位小區(qū)內(nèi)用戶終端只在某一固定時(shí)間切換到另一個(gè)ＬＥＯ 衛(wèi)星［１０］，在發(fā)生星間切換時(shí)，波束的改變也會(huì)伴隨波位內(nèi)大量終端同時(shí)切換的問(wèn)題，波位內(nèi)的終端在星座上呈現(xiàn)群移動(dòng)的特性?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，大量終端同時(shí)切換需要在衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)控制中心之間頻繁傳輸綁定更新消息，將帶來(lái)嚴(yán)重的切換信令開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題［１１］，由此產(chǎn)生的信令開(kāi)銷(xiāo)，會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)處理壓力，進(jìn)一步導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能降低，使整體的切換失敗率上升［１２］、時(shí)延增加，因此需從終端分組的角度設(shè)計(jì)星間及星地網(wǎng)絡(luò)之間的切換機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，大量用戶中具有相似屬性的用戶很可能在相同或相近的時(shí)間間隔內(nèi)向同一顆衛(wèi)星發(fā)送切換請(qǐng)求。如果能夠?qū)⑦@些用戶劃分為一個(gè)用戶組去發(fā)起切換請(qǐng)求，將在切換過(guò)程中極大地節(jié)省信令開(kāi)銷(xiāo)［１３］。文獻(xiàn)［１４］將切換到同一顆衛(wèi)星的用戶分到一組，根據(jù)相應(yīng)的切換性能指標(biāo)，遍歷了所有的分組方式后，得到使性能指標(biāo)最優(yōu)的情況作為用戶分組切換時(shí)的分組方式，但隨著用戶數(shù)量增加，算法復(fù)雜度過(guò)大，難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［１５］采用根據(jù)用戶的分群屬性預(yù)測(cè)對(duì)用戶進(jìn)行分組，挑選出在切換觸發(fā)時(shí)刻下處于切換邊緣的一組用戶，研究了分組方法中組內(nèi)聚集用戶數(shù)和切換性能的關(guān)系。文獻(xiàn)［１６］研究了用戶終端的分組方法和切換調(diào)度算法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和終端特性采用了分層聚類算法分組，設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)流模型的限制衛(wèi)星選擇算法。文獻(xiàn)［１７ ］提出了一種通過(guò)研究用戶之間的相似性進(jìn)行分組的方式，以用戶組執(zhí)行切換決策，并采用非合作博弈解決了切換時(shí)間調(diào)度問(wèn)題，降低了切換時(shí)延。

針對(duì)ＬＥＯ 衛(wèi)星切換方法存在的算法復(fù)雜度較高、信令開(kāi)銷(xiāo)較大和切換成功率較低的問(wèn)題。本文從減少切換產(chǎn)生的信令開(kāi)銷(xiāo)、降低用戶分組算法的復(fù)雜度、易于實(shí)現(xiàn)、提升切換成功率、改善負(fù)載均衡、降低切換時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能的目的出發(fā)，結(jié)合ＬＥＯ 衛(wèi)星波束切換工作的特點(diǎn)，提出了一種基于用戶在波位內(nèi)相對(duì)位置和切換需求帶寬等用戶屬性，采用譜聚類算法對(duì)用戶進(jìn)行初始分組，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能設(shè)立切換成功率、負(fù)載均衡、切換時(shí)延等優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分組方式的切換方法，仿真結(jié)果表明，基于用戶屬性的優(yōu)化分組切換方法實(shí)現(xiàn)了切換成功率的提升，切換時(shí)延、切換開(kāi)銷(xiāo)的降低。

１ ＬＥＯ 多星覆蓋場(chǎng)景

多波束衛(wèi)星場(chǎng)景下，如圖１ 所示，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以地面固定波位的方式在覆蓋范圍［１８］內(nèi)劃分了若干波位，衛(wèi)星波束按照劃分好的波位在服務(wù)時(shí)間內(nèi)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)某一波位內(nèi)用戶。假設(shè)某一波位的服務(wù)衛(wèi)星剩余時(shí)間即將結(jié)束，當(dāng)前服務(wù)波位內(nèi)的用戶都要發(fā)生切換，此時(shí)由于系統(tǒng)是地面固定波位，當(dāng)前服務(wù)波束會(huì)調(diào)度到其他波位上服務(wù)，因此對(duì)于波位內(nèi)的用戶，這種波束的改變幾乎是同時(shí)發(fā)生的。因?yàn)槭嵌嘈歉采w的，其他衛(wèi)星的波束經(jīng)過(guò)調(diào)度，也會(huì)服務(wù)當(dāng)前波位。衛(wèi)星Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 都能服務(wù)此波位，在發(fā)生切換時(shí)，隨機(jī)分布在波位內(nèi)的用戶即可以根據(jù)需求和系統(tǒng)調(diào)度切換到其中任意目標(biāo)衛(wèi)星上。本文場(chǎng)景假設(shè)切換發(fā)生在同一信關(guān)站下的衛(wèi)星之間，由于分組切換并不能減少綁定信息在不同信關(guān)站之間更新的信令開(kāi)銷(xiāo)［１４］，對(duì)不同信關(guān)站的星間切換不做考慮。