摘 要:隨著移動(dòng)終端和應(yīng)用的快速增長(zhǎng),無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要滿足邊遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)村和城市地區(qū)無(wú)處不在的連接需求。相較于中高軌衛(wèi)星,低軌衛(wèi)星通常在500 ~ 2 000 km 運(yùn)行,具有建設(shè)成本低、覆蓋范圍廣、功耗低、傳播延遲短等優(yōu)勢(shì),低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已被廣泛認(rèn)為是提供全球無(wú)縫覆蓋的潛在解決方案。然而,未來(lái)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大、動(dòng)態(tài)性強(qiáng),其用戶切換管理將是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。針對(duì)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)用戶切換管理的最新研究進(jìn)行了全面總結(jié),從低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際架構(gòu)與切換管理挑戰(zhàn)出發(fā),闡述了3GPP 體制的切換管理協(xié)議,總結(jié)了切換管理的算法,探討了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中用戶切換管理的未來(lái)研究方向。
關(guān)鍵詞:低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò);切換管理;切換協(xié)議;切換算法
中圖分類號(hào):TN927. 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):
文章編號(hào):1003-3114(2024)06-1110-08
0 引言
用戶對(duì)可靠的廣域網(wǎng)絡(luò)連接需求日益增長(zhǎng),受地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的限制,通過(guò)大規(guī)模部署地面基站難以滿足該需求[1]。此外,地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)施相對(duì)固定,在發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)會(huì)受到影響而無(wú)法工作。覆蓋范圍廣、吞吐量高的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠有效解決上述問(wèn)題[2]。近年來(lái),SpaceX 和OneWeb 等公司已經(jīng)啟動(dòng)了低軌巨型星座建設(shè)[3]。
在低軌衛(wèi)星通信場(chǎng)景中,衛(wèi)星移動(dòng)速度快,用戶和衛(wèi)星之間連接呈現(xiàn)高度動(dòng)態(tài)特性,用戶必須頻繁進(jìn)行切換。特別在低軌巨型星座中,用戶可見(jiàn)的衛(wèi)星數(shù)量顯著增加,導(dǎo)致切換更頻繁復(fù)雜。用戶的切換管理對(duì)于低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。
本文從低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與切換管理挑戰(zhàn)出發(fā),闡述了3GPP 體制下的切換管理協(xié)議,總結(jié)了切換管理過(guò)程的算法,探討了低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中用戶切換管理的未來(lái)研究方向。
1 低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與切換管理挑戰(zhàn)
1. 1 低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
3GPP 自R14 階段就開(kāi)始研究衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的問(wèn)題[4],將非地面網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)納入一體化標(biāo)準(zhǔn)研究,推動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的深度融合發(fā)展。作為3GPP R17 版本標(biāo)準(zhǔn)化工作的一部分,非地面網(wǎng)絡(luò)主要面向衛(wèi)星通信和低空通信,低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是其中最重要的組成部分。如圖1 所示,低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包含以下幾個(gè)部分。
① 低軌衛(wèi)星:可搭載兩種不同類型的有效載荷,一是透明轉(zhuǎn)發(fā)載荷,實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大,以實(shí)現(xiàn)用戶和地面站之間的遠(yuǎn)程通信;二是可再生處理載荷,對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、編碼、解調(diào)、解碼,并進(jìn)行星上數(shù)字交換,相當(dāng)于在衛(wèi)星上部署部分或全部基站功能。透明傳輸?shù)牡蛙壭l(wèi)星沒(méi)有星間鏈路,信號(hào)需要通過(guò)星地鏈路傳輸??稍偕d荷架構(gòu)通常設(shè)計(jì)星間鏈路。低軌衛(wèi)星具有固定或靈活波束,在地面形成固定覆蓋或者靈活掃描覆蓋。
② 用戶設(shè)備:衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的手持式或甚小孔徑終端。手持式終端通常采用全向天線,甚小孔徑終端通常采用口徑尺寸為0. 3 ~ 1. 2 m 的定向高增益天線。
③ 信關(guān)站:將低軌衛(wèi)星連接到公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的地面站。在透明轉(zhuǎn)發(fā)有效載荷的情況下,需要配備地面基站處理設(shè)備。在再生有效載荷的情況下,地面站將接收到的信息中繼到核心網(wǎng)絡(luò)。
④ 用戶鏈路:負(fù)責(zé)連接用戶設(shè)備和衛(wèi)星。
⑤ 饋電鏈路:負(fù)責(zé)連接衛(wèi)星和信關(guān)站。
1. 2 用戶切換管理挑戰(zhàn)
在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,小區(qū)中心信號(hào)強(qiáng)度相較于小區(qū)邊緣變化明顯,用戶可以較為容易地捕捉這種變化,然而這種信號(hào)強(qiáng)度變化在衛(wèi)星中有所減小,如圖2所示,由此導(dǎo)致衛(wèi)星波束重疊時(shí)信號(hào)強(qiáng)度差異小,用戶難以區(qū)分更好的小區(qū)。
且與單個(gè)地面基站相比,每顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的用戶數(shù)量要大得多,在衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,波束覆蓋邊緣的大量終端將同時(shí)觸發(fā)切換請(qǐng)求,海量終端給切換帶來(lái)了巨大的信令開(kāi)銷,同一時(shí)刻觸發(fā)切換也增加了沖突概率。當(dāng)前低軌衛(wèi)星多采用靈活的跳波束模式,衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)加上波束跳變,導(dǎo)致用戶切換流程設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。因此,用戶設(shè)備需要找到合適的切換準(zhǔn)則和有效切換策略,以應(yīng)對(duì)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的切換管理挑戰(zhàn)。
2 用戶切換協(xié)議
本節(jié)介紹基于3GPP 體制標(biāo)準(zhǔn)的切換協(xié)議,包含3GPP 組織提出的基本切換協(xié)議和條件切換協(xié)議,以及在此基礎(chǔ)上針對(duì)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提出的基于深度學(xué)習(xí)的切換協(xié)議和組切換協(xié)議,這些切換協(xié)議可用于星間和星內(nèi)切換。
2. 1 基本切換協(xié)議
3GPP 定義的基本切換流程如圖3 所示。切換包括3 個(gè)步驟[5]:① 信息收集,用戶測(cè)量相鄰小區(qū)和當(dāng)前小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度(也可以進(jìn)行其他參數(shù)測(cè)量);② 切換判決,當(dāng)前服務(wù)基站根據(jù)第一階段的測(cè)量數(shù)據(jù)決定是否切換;③ 切換執(zhí)行,用戶釋放連接并接入到新的小區(qū)。
用戶設(shè)備接入衛(wèi)星服務(wù)小區(qū)后,執(zhí)行特定的下行鏈路信道測(cè)量。如果滿足網(wǎng)絡(luò)配置的某些條件(如A3 事件),用戶設(shè)備將向服務(wù)小區(qū)發(fā)送測(cè)量報(bào)告。有了這些信息,服務(wù)小區(qū)決定是否需要將用戶設(shè)備移交給新小區(qū),隨后請(qǐng)求目標(biāo)小區(qū)準(zhǔn)備資源以分配給用戶設(shè)備。一旦目標(biāo)小區(qū)確認(rèn)要切換的用戶設(shè)備,切換執(zhí)行就會(huì)開(kāi)始,用戶設(shè)備會(huì)釋放其與服務(wù)小區(qū)的連接。用戶設(shè)備通過(guò)隨機(jī)接入信道接入目標(biāo)小區(qū)。與新小區(qū)成功同步后,用戶設(shè)備會(huì)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送確認(rèn)通知。用戶設(shè)備在與服務(wù)小區(qū)斷開(kāi)連接后會(huì)經(jīng)歷一定的中斷時(shí)間,直到與目標(biāo)小區(qū)建立新的連接(硬切換)。
低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下,由于小區(qū)邊緣信號(hào)強(qiáng)度不明顯,用戶終端無(wú)法分辨目標(biāo)小區(qū)并及時(shí)執(zhí)行切換。系統(tǒng)級(jí)仿真結(jié)果表明[6],即使在鄉(xiāng)村場(chǎng)景下,基本切換協(xié)議也無(wú)法保障用戶服務(wù)的連續(xù)性和魯棒性。通過(guò)將A3 事件的觸發(fā)時(shí)間設(shè)置為0 ms 且沒(méi)有切換滯后余量,可以獲得最佳性能表現(xiàn)。此配置切換失敗率為20% ,乒乓切換率等于30% 。
2. 2 條件切換協(xié)議
3GPP 在Rel16 中設(shè)計(jì)了條件切換,旨在通過(guò)更早地做出切換決策來(lái)增強(qiáng)移動(dòng)切換的魯棒性。在服務(wù)小區(qū)條件仍然良好時(shí),條件切換執(zhí)行早期切換準(zhǔn)備,并且當(dāng)目標(biāo)小區(qū)鏈路可靠時(shí),允許用戶設(shè)備稍后接入目標(biāo)小區(qū),如圖4 所示。
條件切換包含準(zhǔn)備事件和執(zhí)行事件,這兩個(gè)事件可以配置不同的參數(shù),根據(jù)不同的測(cè)量值觸發(fā)切換。當(dāng)滿足準(zhǔn)備事件時(shí),用戶設(shè)備將測(cè)量報(bào)告發(fā)送到衛(wèi)星服務(wù)小區(qū),做好早期切換準(zhǔn)備。如果衛(wèi)星目標(biāo)小區(qū)接收來(lái)自服務(wù)小區(qū)的切換請(qǐng)求,服務(wù)小區(qū)將切換命令轉(zhuǎn)發(fā)到用戶設(shè)備。在此步驟中,用戶設(shè)備存儲(chǔ)切換命令,而不是直接接入目標(biāo)小區(qū)。隨后,用戶繼續(xù)測(cè)量和監(jiān)測(cè)目標(biāo)小區(qū)。當(dāng)滿足執(zhí)行事件時(shí),用戶設(shè)備將自主啟動(dòng)切換執(zhí)行步驟。
條件切換在衛(wèi)星服務(wù)小區(qū)信號(hào)質(zhì)量良好的情況下執(zhí)行切換流程,并通知所有滿足準(zhǔn)備事件的小區(qū)為用戶預(yù)留資源。與基本切換相比,條件切換過(guò)程有效提高了用戶下行吞吐量,并且通過(guò)更早地觸發(fā)切換,將切換失敗和鏈路失敗的數(shù)量減少到零[7]。然而,條件切換會(huì)導(dǎo)致不必要切換和切換乒乓增加,造成額外的信令開(kāi)銷和時(shí)延。
在條件切換的基礎(chǔ)上,一些研究改進(jìn)了準(zhǔn)備事件和執(zhí)行事件。文獻(xiàn)[8]利用衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的確定性以及用戶和地面小區(qū)中心的位置信息,結(jié)合測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度修改了條件切換的執(zhí)行事件。文獻(xiàn)[9]修改了目標(biāo)候選衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)條件,并構(gòu)建服務(wù)連續(xù)性性能圖模型,預(yù)測(cè)服務(wù)持續(xù)時(shí)間中不同的條件切換組合。上述方案降低了切換次數(shù)和失敗率。
2. 3 基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的切換協(xié)議
隨著巨型低軌星座網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星數(shù)量不斷增加,以及接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量飛速增長(zhǎng),低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性隨之增加。低軌衛(wèi)星快速移動(dòng)造成大量用戶終端在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行切換,來(lái)自大量用戶的過(guò)多切換控制信號(hào)會(huì)導(dǎo)致信令風(fēng)暴,導(dǎo)致高沖突率和長(zhǎng)時(shí)間的接入延遲,從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
文獻(xiàn)[10]提出了一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的新型切換協(xié)議,用于解決多用戶并發(fā)切換帶來(lái)的挑戰(zhàn),流程如圖5 所示。該協(xié)議通過(guò)訓(xùn)練的智能體為所有用戶決定切換請(qǐng)求的發(fā)送時(shí)間?;谏疃葟?qiáng)化學(xué)習(xí)的切換協(xié)議跳過(guò)了測(cè)量報(bào)告,這種簡(jiǎn)化消除了測(cè)量階段產(chǎn)生的傳播延遲,同時(shí)仍提供有效的切換決策。該協(xié)議在不同網(wǎng)絡(luò)條件下的接入時(shí)延、沖突率和切換成功率均優(yōu)于基本切換協(xié)議。
2. 4 組切換協(xié)議
如前文所述,低軌衛(wèi)星切換場(chǎng)景中,大量切換請(qǐng)求并發(fā)是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[11]針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的Xn 切換,提出一種安全的組切換協(xié)議。用戶由其位置信息聚類成組,服務(wù)衛(wèi)星從每個(gè)組中選擇一個(gè)以上的組頭,稱為組聚合。
切換過(guò)程中,非組聚合成員不向衛(wèi)星發(fā)送請(qǐng)求,而是公開(kāi)廣播其秘密共享以通知組聚合成員其切換意圖。組聚合成員通過(guò)檢查哈希承諾來(lái)驗(yàn)證正確性。在接收到超過(guò)給定閾值的足夠份額后,組聚合成員可以生成組切換憑證,并向源衛(wèi)星初始化組切換請(qǐng)求。源衛(wèi)星在收到組切換憑證后,驗(yàn)證組切換憑證的正確性,再組聚合成員代表組用戶與目標(biāo)衛(wèi)星通信以執(zhí)行組切換過(guò)程。
3 切換管理算法
低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、動(dòng)態(tài)性強(qiáng),其切換管理將是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。本節(jié)總結(jié)了低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換管理的算法。
3. 1 基于圖論的切換算法
得益于全球定位系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善,用戶很容易獲取其確切位置信息。由于低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)是可預(yù)測(cè)的,網(wǎng)絡(luò)控制中心可以通過(guò)精確星歷信息推算未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的星地覆蓋關(guān)系,因此基于圖切換的算法應(yīng)運(yùn)而生,衛(wèi)星與用戶之間的覆蓋關(guān)系可以建模為有向圖、二分圖等圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
文獻(xiàn)[12]將衛(wèi)星切換建模為有向圖,如圖6 所示。假設(shè)任何用戶對(duì)于其可見(jiàn)衛(wèi)星都有一定的服務(wù)期限,即對(duì)于每顆衛(wèi)星,用戶都能獲取其覆蓋開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。這一覆蓋關(guān)系受最小仰角或建筑物遮擋的約束。如果將每個(gè)覆蓋周期視為節(jié)點(diǎn),并且用戶在衛(wèi)星之間的切換可以看作是有向邊,那么用戶的衛(wèi)星切換過(guò)程可以建模為在有向圖中尋找路徑的過(guò)程,該路徑代表了所有可能的切換路徑。邊的權(quán)重可以由各類屬性組成,如仰角、剩余服務(wù)時(shí)間、剩余信道數(shù)量等。最終通過(guò)Dijkstra 或其他尋路算法,得到一條最優(yōu)切換路徑。
在有向圖的基礎(chǔ)上,一些研究拓展了基于圖論的方法。文獻(xiàn)[13]將多輸入多輸出技術(shù)融入衛(wèi)星切換,提出了一種基于圖的二分切換策略,該策略使用KuhnMunkres 算法匹配地面站和衛(wèi)星,以最大限度地提高用戶通信質(zhì)量并平衡衛(wèi)星負(fù)載。
文獻(xiàn)[14]提出一種基于時(shí)間演進(jìn)圖切換方案,與靜態(tài)圖不同的是,該方案考慮了用戶終端移動(dòng)速度帶來(lái)的影響。具體而言,該方案推導(dǎo)了終端在不同運(yùn)動(dòng)速度下單顆衛(wèi)星對(duì)其平均覆蓋時(shí)長(zhǎng),并根據(jù)鏈路和網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整時(shí)隙長(zhǎng)度,及時(shí)更新拓?fù)鋱D。為提高計(jì)算效率,提出了適用于多邊權(quán)值動(dòng)態(tài)變化的最短路徑實(shí)時(shí)更新算法,僅更新每個(gè)子圖的最短路徑樹(shù)中受影響的節(jié)點(diǎn),相較于Dijkstra 算法降低了復(fù)雜度。
文獻(xiàn)[15]將衛(wèi)星切換過(guò)程建模為多有向圖,圖中的節(jié)點(diǎn)表示相應(yīng)用戶可以選擇訪問(wèn)的衛(wèi)星,邊緣表示相鄰時(shí)隙之間可能的切換。每張圖從起始節(jié)點(diǎn)到結(jié)束節(jié)點(diǎn)的路徑是對(duì)應(yīng)用戶的切換策略,路徑長(zhǎng)度是用戶可以獲得的獎(jiǎng)勵(lì)。切換過(guò)程中選擇同一顆衛(wèi)星被定義為用戶沖突,在所提出的多有向圖模型中將其表示為路徑?jīng)_突。為最小化切換次數(shù),最大化接收功率,同時(shí)減少?zèng)_突次數(shù),提出了一種基于多目標(biāo)多智能體路徑查找的切換策略。
3. 2 基于AI 的切換算法
AI 正在通信行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)而革命性的影響。機(jī)器學(xué)習(xí)(Machine Learning,ML)是AI 的一個(gè)子集,它允許機(jī)器從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并在不需要顯式編程的情況下做出決策。深度學(xué)習(xí)是ML 的一個(gè)特殊子集,用于研究包含多個(gè)隱藏層的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的挑戰(zhàn)為AI 應(yīng)用提供了一個(gè)誘人的領(lǐng)域[16],AI 自然可以用于低軌衛(wèi)星切換管理。
作為ML 的另一個(gè)子集,強(qiáng)化學(xué)習(xí)能夠訓(xùn)練智能體自主地與動(dòng)態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)交互并做出決策。馬爾可夫過(guò)程是強(qiáng)化學(xué)習(xí)的核心,衛(wèi)星切換可以建模為馬爾可夫決策過(guò)程:在馬爾可夫過(guò)程中,未來(lái)狀態(tài)的概率分布僅依賴于當(dāng)前狀態(tài),與過(guò)去狀態(tài)無(wú)關(guān),即滿足無(wú)后效性。如圖7 所示,智能體根據(jù)策略和現(xiàn)有狀態(tài)選擇下一時(shí)刻的動(dòng)作,動(dòng)作是每個(gè)切換時(shí)刻選擇的衛(wèi)星。根據(jù)切換決策發(fā)生的地點(diǎn),智能體可以布置在用戶、衛(wèi)星或網(wǎng)絡(luò)控制中心。
現(xiàn)有衛(wèi)星切換研究中,最常用的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法是Q 學(xué)習(xí),這是典型的無(wú)模型強(qiáng)化學(xué)習(xí)。在Q 學(xué)習(xí)中,數(shù)值模擬用于迭代訓(xùn)練Q 表,由Q 表給出每個(gè)狀態(tài)下每個(gè)動(dòng)作的獎(jiǎng)勵(lì),直到其收斂。在Q 學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,出現(xiàn)了一系列算法解決衛(wèi)星切換問(wèn)題:深度Q 學(xué)習(xí)[17]、連續(xù)深度Q 學(xué)習(xí)[18]、雙深度Q 學(xué)習(xí)[19]、動(dòng)量自適應(yīng)學(xué)習(xí)率的深度Q 學(xué)習(xí)[20]。其中,深度Q學(xué)習(xí)算法使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)替代Q 表,以減小狀態(tài)空間過(guò)大帶來(lái)的儲(chǔ)存開(kāi)銷。連續(xù)深度Q 學(xué)習(xí)是一種低復(fù)雜度的深度Q 學(xué)習(xí)算法,能夠顯著降低狀態(tài)空間的維數(shù),并以分布式的方案高效決策切換。雙深度Q 學(xué)習(xí)算法通過(guò)雙Q 網(wǎng)絡(luò)有效解決Q 值過(guò)估計(jì)的問(wèn)題。動(dòng)量自適應(yīng)學(xué)習(xí)率的深度Q 學(xué)習(xí)是一種自適應(yīng)學(xué)習(xí)率的算法,不僅可以提高決策準(zhǔn)確性,還可以提高學(xué)習(xí)效率。與傳統(tǒng)固定學(xué)習(xí)率的深度Q學(xué)習(xí)算法相比,具有更快的收斂速度。
上述切換算法只訓(xùn)練一個(gè)智能體。考慮到用戶之間的競(jìng)爭(zhēng)和合作關(guān)系,以及分布式方案所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn),基于多智能體的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法被運(yùn)用在衛(wèi)星切換場(chǎng)景,如圖8 所示。文獻(xiàn)[21]提出一種多智能體深度Q 學(xué)習(xí)算法,每個(gè)用戶是一個(gè)智能體,訓(xùn)練后的用戶可以僅根據(jù)本地信息做出切換決策。該算法在滿足最小阻塞率的同時(shí),有效保證了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。
文獻(xiàn)[22]提出了一種集中自適應(yīng)的巨型星座智能切換方案,考慮了傳播條件的動(dòng)態(tài)性和低軌衛(wèi)星容量。該方案使用三態(tài)馬爾可夫模型描述星地之間動(dòng)態(tài)變化的傳播條件,并提出一種多智能體連續(xù)滯后深度Q 學(xué)習(xí)算法以最大化網(wǎng)絡(luò)效用,減少所提出的集中式切換方案的信令開(kāi)銷和計(jì)算復(fù)雜度。
文獻(xiàn)[23]使用分散馬爾可夫決策過(guò)程來(lái)描述具有有限突發(fā)業(yè)務(wù)的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的切換問(wèn)題。為處理由大狀態(tài)空間和動(dòng)作空間引起的高計(jì)算復(fù)雜性,使用具有完全分散框架的多智能體雙深度Q 網(wǎng)絡(luò)來(lái)設(shè)計(jì)切換決策。
3. 3 基于博弈論的切換算法
博弈論可對(duì)處于競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下的不同決策者之間的行為進(jìn)行解釋分析。博弈論有幾個(gè)要素:玩家、效用函數(shù)、行動(dòng)、策略和均衡。在博弈過(guò)程中,每個(gè)參與者都有一個(gè)效用函數(shù),并且總是選擇使自己效用最優(yōu)的策略。
文獻(xiàn)[24]基于軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),提出了一種勢(shì)博弈的衛(wèi)星切換方案。該方案將切換定義為多個(gè)移動(dòng)終端爭(zhēng)奪衛(wèi)星資源和可用信道的過(guò)程,并建立衛(wèi)星資源共享博弈模型。每個(gè)用戶(玩家)擁有一個(gè)效用函數(shù),當(dāng)所有用戶通過(guò)調(diào)整策略獲得其最佳效用函數(shù)時(shí),認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到納什均衡,換言之,任何用戶都無(wú)法通過(guò)改變策略來(lái)提高自身效用。當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星繞地球運(yùn)行或移動(dòng)終端移動(dòng)時(shí),移動(dòng)終端根據(jù)自身的效用函數(shù)選擇效益最大的衛(wèi)星進(jìn)行切換;某些移動(dòng)終端可能沒(méi)有任何可用信道或可用的衛(wèi)星,網(wǎng)絡(luò)控制中心會(huì)為其騰出相應(yīng)的衛(wèi)星和信道。
文獻(xiàn)[25]將多架飛機(jī)的低軌衛(wèi)星切換問(wèn)題建模為局部合作博弈。在此博弈中,飛機(jī)之間的下行信道相互干擾,每架飛機(jī)與存在干擾關(guān)系的其他飛機(jī)合作確定要切換的衛(wèi)星,證明了所提局部合作博弈是一個(gè)精確的勢(shì)博弈。提出了一種收斂速率更快的改進(jìn)分布式最佳響應(yīng)算法和具有更多可能性的協(xié)作混合切換策略迭代算法來(lái)獲得切換決策的最優(yōu)解。
文獻(xiàn)[26]分析了降雪環(huán)境對(duì)量子衛(wèi)星星地鏈路衰減的影響,提出一種基于演化博弈的多用戶量子衛(wèi)星切換方案。根據(jù)用戶的帶寬、衛(wèi)星剩余服務(wù)時(shí)間及鏈路衰減3 個(gè)屬性定義效用函數(shù),根據(jù)信道糾纏度、星間傳輸時(shí)延定義開(kāi)銷函數(shù),結(jié)合效用函數(shù)和開(kāi)銷函數(shù)得到用戶的收益函數(shù),建立了演化博弈切換模型。
3. 4 基于聚類的切換算法
用戶聚類的核心思想是彼此靠近的用戶大概率同時(shí)觸發(fā)對(duì)同一衛(wèi)星的切換請(qǐng)求。通過(guò)聚類算法,將多個(gè)用戶劃分為組,組頭代表所有用戶向衛(wèi)星發(fā)起切換,如圖9 所示。用戶分組切換能夠大幅度減小切換開(kāi)銷。
文獻(xiàn)[27]提出了一種新型的低地軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分組切換策略。該策略使用分層聚類,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和用戶屬性對(duì)用戶進(jìn)行分組,設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)流模型劃分限制衛(wèi)星選擇的算法,用戶組作為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)先排序,采用最短路徑快速算法以最小代價(jià)搜索增強(qiáng)路徑。
文獻(xiàn)[28]使用譜聚類算法聚類用戶組。由于衛(wèi)星軌跡的確定性,用戶群組的切換存在相關(guān)性,基于先前群組的切換經(jīng)驗(yàn)提前進(jìn)行切換時(shí)間預(yù)測(cè),各組根據(jù)與前組的相關(guān)性預(yù)測(cè)目標(biāo)衛(wèi)星和切換時(shí)間。
文獻(xiàn)[29]利用模糊C 均值聚類,提出一種基于信道預(yù)留的低軌衛(wèi)星切換策略。對(duì)每個(gè)用戶,當(dāng)即將到來(lái)的衛(wèi)星中沒(méi)有空閑信道時(shí),用戶在隊(duì)列中等待,如果用戶等待時(shí)間超過(guò)指定閾值時(shí)間,用戶服務(wù)將被中斷;如果隊(duì)列大小超過(guò)指定閾值,系統(tǒng)使用模糊C 均值聚類將排隊(duì)用戶劃分為群組,組頭使用保留信道與其成員切換到即將到來(lái)的衛(wèi)星。該方案預(yù)留信道數(shù)量和分配給單個(gè)用戶的正常信道數(shù)量可變,提升了算法的靈活性。
4 未來(lái)研究方向
4. 1 業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的用戶切換管理
隨著接入低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的用戶設(shè)備數(shù)量增加,終端業(yè)務(wù)類型和需求呈現(xiàn)差異化。以3GPP 定義的5G 典型場(chǎng)景為例,增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶為用戶終端提供無(wú)縫的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和超高的數(shù)據(jù)傳輸速率;海量機(jī)器通信面向海量物聯(lián)網(wǎng)連接;超可靠低延遲通信要求網(wǎng)絡(luò)高可靠性和低延遲通信,滿足某些行業(yè)應(yīng)用中對(duì)時(shí)延和可靠性的極高要求。
業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的切換管理旨在滿足各類不同業(yè)務(wù)的需求。面向增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶的切換管理應(yīng)該避免低仰角衛(wèi)星服務(wù),提高星地之間的鏈路質(zhì)量,為用戶終端提供可保障的傳輸速率。面向海量機(jī)器通信的切換管理需要降低切換管理過(guò)程的開(kāi)銷,避免多用戶沖突。面向超可靠低延遲通信的切換管理可以采用多連接技術(shù),多顆衛(wèi)星緩沖用戶下行數(shù)據(jù)以確保切換的高可靠性和業(yè)務(wù)無(wú)縫切換。總之,切換管理策略可以根據(jù)用戶類型和需求動(dòng)態(tài)變化。
4. 2 基于開(kāi)放式接入網(wǎng)的切換管理
低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)具有嚴(yán)格規(guī)劃架構(gòu)的封閉系統(tǒng),衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)可能由不同運(yùn)營(yíng)商提供,這些節(jié)點(diǎn)在優(yōu)化和接口管理方面缺乏靈活性。此外,現(xiàn)有低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)之初并未考慮AI 技術(shù),因此其智能化應(yīng)用是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化和改造的。構(gòu)建智能化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)基于AI 的切換管理具有重大意義。
開(kāi)放式接入網(wǎng)(OpenRAN,ORAN)基于分解和虛擬化的組件,通過(guò)開(kāi)放接口連接,可以在不同的供應(yīng)商之間互操作?;冢希遥粒?的切換管理技術(shù)是未來(lái)值得研究的方向。ORAN 通過(guò)引入無(wú)線智能控制器充分發(fā)揮AI 的潛力。通過(guò)開(kāi)放接口從所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收集所需的近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),利用收集到的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練AI/ ML 模型。在無(wú)線智能控制器中部署經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的AI/ ML 模型,對(duì)ORAN 的集中單元和分布單元節(jié)點(diǎn)執(zhí)行細(xì)粒度控制以優(yōu)化切換管理。
4. 3 跳波束模式下的用戶切換管理
為實(shí)現(xiàn)靈活的用戶服務(wù)區(qū)域覆蓋,低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)多采用靈活的多波束陣列天線載荷,采用跳波束模式服務(wù)多個(gè)用戶,對(duì)用戶切換管理帶來(lái)更大挑戰(zhàn)。用戶的切換算法與流程設(shè)計(jì)與波束的跳變策略緊密相關(guān)。
跳波束模式下的用戶切換管理既要考慮傳統(tǒng)的信號(hào)大小變化、衛(wèi)星服務(wù)時(shí)間等因素,還要考慮波束的跳變策略、波束停留時(shí)間、波束跳變時(shí)延、信令和業(yè)務(wù)信道設(shè)計(jì)等,切換流程變得更加復(fù)雜。單一的切換管理算法難以適配動(dòng)態(tài)變化的波束跳變策略,需要研究基于AI 的用戶切換管理技術(shù),以適配巨型低軌星座的發(fā)展。
5 結(jié)束語(yǔ)
低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)正經(jīng)歷快速發(fā)展時(shí)期,提供無(wú)縫和高容量的全球通信服務(wù),成為6G 及以后移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一部分。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度高,使用低軌星座的用戶設(shè)備會(huì)經(jīng)歷頻繁的切換。本文分析了高動(dòng)態(tài)環(huán)境下低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換管理的諸多挑戰(zhàn),闡述了3GPP 體制標(biāo)準(zhǔn)下低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換管理協(xié)議,總結(jié)了現(xiàn)有衛(wèi)星切換管理算法,討論了未來(lái)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換管理的研究方向。
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作者簡(jiǎn)介:
黃輅辰 男,(2000—),碩士研究生。主要研究方向:衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、切換管理。
肖麗霞 女,(1987—),博士,研究員。主要研究方向:新型編碼調(diào)制、智能信號(hào)處理、低功耗無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。
姚 壯 男,(1996—),博士研究生。主要研究方向:衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、資源分配、跳波束設(shè)計(jì)。
(*通信作者)周家喜 男,(1980—),博士,教授。主要研究方向:無(wú)線通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)空間安全。
基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFB2900502)