同步衛(wèi)星資源分配與優(yōu)化

包括這兒點(diǎn)：研究背景（為什么在衛(wèi)星中需要研究這一問(wèn)題）研究?jī)?nèi)容，包括對(duì)有價(jià)值的參考文獻(xiàn)的概述，現(xiàn)有研究的程度，一些常用的策略或算法自己提出或者改進(jìn)的策略或算法的描述，理論或仿真結(jié)果以及說(shuō)明，應(yīng)用與衛(wèi)星的意義。研究?jī)?nèi)容：GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)信道分配策略研究不同業(yè)務(wù)類型的用戶分級(jí)策略認(rèn)知無(wú)線電在提高信道資源利用率上的應(yīng)用基于效用函數(shù)的多業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)自適應(yīng)信道分配模型GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)信道分配策略研究移動(dòng)通信分為地面移動(dòng)通信和衛(wèi)星移動(dòng)通信，衛(wèi)星移動(dòng)通信又可分為星座移動(dòng)通信和靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信。人們對(duì)地面移動(dòng)通信系統(tǒng)用戶越區(qū)切換時(shí)信道分配策略的研究已經(jīng)比較成熟，而衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)信道分配策略的研究相對(duì)較少。GEO系統(tǒng)星地位置相對(duì)靜止,因而成為區(qū)域性通信的首選。針對(duì)GEO系統(tǒng)終端運(yùn)行速度快、波束覆蓋面枳人等特點(diǎn)，將移動(dòng)通信的幾種信道分配技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)，通過(guò)仿真來(lái)分析系統(tǒng)的性能。1.1系統(tǒng)模型GEO系統(tǒng)同其他移動(dòng)通信系統(tǒng)一樣存在兩種類型的呼叫，即初始呼叫和切換呼叫。初始呼叫是終端需要通話時(shí)發(fā)起的呼叫；切換呼叫是當(dāng)終端在通話過(guò)程中從一個(gè)區(qū)域移動(dòng)到另一個(gè)區(qū)域時(shí)，為了不使通話中斷，需要向新的服務(wù)區(qū)發(fā)起呼叫。切換呼叫的優(yōu)先級(jí)高于初始呼叫，所以移動(dòng)通信系統(tǒng)在分配信道時(shí)要保證切換呼叫呼損率低于初始呼叫呼損率。GEO系統(tǒng)一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是存在高速運(yùn)行的終端，終端高速運(yùn)行時(shí)不輕易改變方向，所以在模型中，終端只有4個(gè)固定的運(yùn)動(dòng)方向，確定了運(yùn)動(dòng)方向后，在通話結(jié)束前不再改變。通話起始位置是隨機(jī)的，如圖1所示。圖1終端在波束覆蓋區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)示意圖

為了分析系統(tǒng)的性能，所以首先確定與系統(tǒng)性能密切相關(guān)的各個(gè)參數(shù)。駐留時(shí)間是描述一個(gè)移動(dòng)終端在一個(gè)波束內(nèi)時(shí)間量的隨機(jī)變量。駐留時(shí)間分為初始呼叫駐留時(shí)河Tns和切換呼叫駐留時(shí)間ThsoTns是一個(gè)終端呼叫從發(fā)起到離開波束的時(shí)間長(zhǎng)度，Ths表示一個(gè)從相鄰波束切換過(guò)來(lái)的終端在該波束的駐留時(shí)間。假設(shè)終端在每個(gè)波束的平均駐留時(shí)間為Ts,Ts服從負(fù)指數(shù)分布,均值為1/us,us=0.7182Xv/R,v代表速度,R代表波束半徑。呼叫持續(xù)時(shí)間Tc是指一次呼叫完成所占有的時(shí)間。假設(shè)其服從均值為Uc的負(fù)指數(shù)分布,即：/t=yxp/t=yxp(—Uct)9(V%=\/E[TCJo信道保持時(shí)間Th是指在一個(gè)波束內(nèi)終端呼叫占用的時(shí)間，信道保持時(shí)河通常等于或小于呼叫持續(xù)時(shí)間，如式3所示。Th=minfTc,TJo有了信道保持時(shí)間后，就可以求出系統(tǒng)的平均呼叫離去率。由：1-P{2〃xP{Tai},(4丿pg}=1-廠21ICM其概率密度函數(shù)為：uJexp/Y-us)tj,I>0?(6/均值為E[Th]二1/uh=1/(uc+us)。無(wú)論是切換呼叫還是初始呼叫，當(dāng)其在波束中的通話持續(xù)時(shí)間人于在該波束內(nèi)的駐留時(shí)間時(shí)，就會(huì)發(fā)生切換，定義終端發(fā)生切換的概率為Ph:PfP{T(>TJ=u/(u^…映偏1.2技術(shù)方案目前移動(dòng)通信系統(tǒng)的信道分配方案主要有非優(yōu)先切換方案、預(yù)留信道方案和排隊(duì)方案。比較典型的信道分配方案有以下幾種：非優(yōu)先方案(NPS)非優(yōu)先方案是最基礎(chǔ)的信道分配方法。在此策略下，切換用戶和新呼叫用戶共享所有信道資源。信關(guān)站在處理呼叫請(qǐng)求時(shí)對(duì)于所有用戶等同對(duì)待，若信道資源已經(jīng)用完，則拒絕所有接入請(qǐng)求,在信道資源還沒(méi)有占用完的情況下，新呼叫用戶享有與切換用戶相通的優(yōu)先級(jí)。該策略的優(yōu)點(diǎn)是搭建系統(tǒng)簡(jiǎn)單方便，在話務(wù)量輕的情況下也不用區(qū)分用戶的優(yōu)先級(jí)，因?yàn)橛凶銐虻男诺蕾Y源可以利用。但是當(dāng)話務(wù)量較重時(shí)，若新呼叫用戶與切換用戶享有相同的優(yōu)先級(jí)，切換用戶的阻塞率就會(huì)人人增加，用戶在通話過(guò)程中出現(xiàn)的強(qiáng)制中斷情況就很難忍受。預(yù)留保護(hù)信道方案(RCS)該策略相當(dāng)于賦予了切換用戶比新呼叫用戶更高的優(yōu)先級(jí)，預(yù)留一定數(shù)量的保護(hù)信道給切換呼叫專用。信道劃分成基本信道和保護(hù)信道?；拘诺烙糜谇袚Q用戶和新呼叫用戶的共同接入，但是當(dāng)基本信道被全部占用完后，保護(hù)信道只接納切換用戶的接入請(qǐng)求，新呼叫用戶的接入請(qǐng)求會(huì)被全部阻塞。在此策略卞，犧牲掉了部分新呼叫用戶的接入成功率，用以減少切換用戶的阻塞率。而對(duì)于保護(hù)信道預(yù)留的數(shù)量。則根據(jù)不同的系統(tǒng)不同的要求來(lái)設(shè)計(jì)。其中又衍生出了動(dòng)態(tài)預(yù)留保護(hù)信道策略，針對(duì)怎樣合理的來(lái)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)信道的預(yù)留又提出了很多種解決方案。排隊(duì)優(yōu)先方案(QPS)預(yù)留信道方案增加了新呼叫用戶的阻塞概率，為了增加信道利用率和進(jìn)入系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量。為此又提出新呼叫用戶排隊(duì)策略。在此策略卞，當(dāng)普通信道被占用完后，新進(jìn)入的呼叫用戶請(qǐng)求并不是馬上被拒絕，而是進(jìn)去排隊(duì)等候?qū)α型瑫r(shí)為其設(shè)置一個(gè)等待時(shí)鐘，若在時(shí)鐘期以內(nèi)基本信道有了可利用的信道資源則自動(dòng)接入。這樣就提高了信道利用率，減少了可用信道的閑時(shí)，從另一方面加人了系統(tǒng)的話務(wù)量承載力。若用戶的時(shí)鐘期超時(shí)，再釋放排隊(duì)信道返回一個(gè)接入失敗消息。此策略在一定程度上緩解了較高話務(wù)量時(shí)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，用戶是相對(duì)靜止的，衛(wèi)星波束覆蓋小區(qū)是高速有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)的，故對(duì)于衛(wèi)星波束覆蓋小區(qū)的信道分配的研究不同于地面移動(dòng)通信，但我們可以借鑒地面信道分配的策略，以研究其特性。在上述幾種信道分配方案中，預(yù)留信道方案通過(guò)預(yù)留信道降低切換呼損率，但卻導(dǎo)致初始呼損率上升；排隊(duì)方案通過(guò)排隊(duì)機(jī)制降低切換呼損率，卻使切換呼叫產(chǎn)生一定的延遲。如呆將預(yù)留信道方案與排隊(duì)方案相結(jié)合，即預(yù)留少量的信道同時(shí)又引入排隊(duì)機(jī)制，這樣就不會(huì)導(dǎo)致初始呼叫呼損率過(guò)人，并可以通過(guò)排隊(duì)進(jìn)一步降低切換呼損率。1.3仿真分析根據(jù)上述各種參數(shù)的推導(dǎo)，結(jié)合以卞參數(shù)設(shè)置，通過(guò)仿真來(lái)分析系統(tǒng)的性能。波束覆蓋半徑R:500km;每個(gè)波束的信道數(shù)M:30條；MES在切換區(qū)駐留時(shí)間1/uq為信道保持時(shí)間1/uh的1/4;MES移動(dòng)速度v：1000m/s;MES每次通話時(shí)長(zhǎng)20min。預(yù)留信道方案預(yù)留2條信道，排隊(duì)混合方案預(yù)留2條信道并且排隊(duì)隊(duì)列為10。如圖2所示，非優(yōu)先方案的初始呼損率最低，切換呼損率最高；預(yù)留信道方案的切換呼損率較低，但初始呼損率卻較高，因?yàn)樾诺赖睦寐式档土?；排?duì)混合方案的初始呼損率和預(yù)留信道方案是相同的，它的切換呼損率是最低的，因?yàn)樵谂抨?duì)混合方案中，切換呼叫除了可以參加排隊(duì)之外，還可以使用預(yù)留的信道。10°10°排隊(duì)混合方案預(yù)留信道方案~7/^—7/非優(yōu)先切換方案10排隊(duì)混合方案預(yù)留信道方案~7/^—7/非優(yōu)先切換方案10310°101102呼叫強(qiáng)度/(次/h)圖23種方案初始呼損率和切換呼損率比較預(yù)留不同的信道數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能有很人影響，如圖3(a)所示，預(yù)留信道越多，系統(tǒng)性能越差，因?yàn)轭A(yù)留信道不能被初始呼叫所使用，降低了信道的利用率，進(jìn)而降低了系統(tǒng)容屋。由圖3(b)可見，對(duì)于不同的隊(duì)列長(zhǎng)度，初始呼叫的阻塞率幾乎沒(méi)有改變。因?yàn)槌跏己艚胁粎⑴c排隊(duì)，隊(duì)列的大小和初始呼叫沒(méi)有任何關(guān)系，排隊(duì)只是針對(duì)切換呼叫。對(duì)于切換呼叫，當(dāng)呼叫強(qiáng)度較低，每小時(shí)少于20次時(shí)，隊(duì)列大小對(duì)系統(tǒng)性能影響不明顯，因?yàn)榕抨?duì)混合方案為切換呼叫預(yù)留了信道；當(dāng)呼叫強(qiáng)度增人，預(yù)留信道被全部占用，切換呼叫開始參加排隊(duì)。但并不是隊(duì)列值越人，系統(tǒng)可容納的呼叫強(qiáng)度就越人，當(dāng)呼叫強(qiáng)度達(dá)到55次/h以上時(shí)，隊(duì)列人小對(duì)系統(tǒng)性能的影響同樣不明顯。當(dāng)呼叫強(qiáng)度為30次/h,預(yù)留2條信道，隊(duì)列大小為10的排隊(duì)混合方案的切換呼損率和初始呼叫呼損率分別約為0.001和0.02,而預(yù)留信道方案在保證切換呼損率為0.001時(shí)，至少要預(yù)留5條信道，而預(yù)留5條信道時(shí)的初始呼損率高達(dá)0.1,顯然排隊(duì)混合方案比預(yù)留信道方案有更好的性能。圖3預(yù)留信道數(shù)和排隊(duì)值大小對(duì)系統(tǒng)性能的影響由圖4可以看出終端的平均通話時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，其阻塞概率就越大；平均通話時(shí)長(zhǎng)越短，系統(tǒng)可容納的呼叫強(qiáng)度就越人。因?yàn)橥ㄔ挄r(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，占用信道的時(shí)間就越長(zhǎng)，單位時(shí)間內(nèi)被釋放出來(lái)的空閑信道就越少，降低了系統(tǒng)的容量。終端的平均移動(dòng)速度與系統(tǒng)的性能也有密切的關(guān)系，當(dāng)終端平均運(yùn)動(dòng)速度人時(shí)，發(fā)生切換的概率就越人。信道數(shù)目有限，終端發(fā)生切換的概率變?nèi)?，單位時(shí)間內(nèi)占用本波束信道的終端移出本波束的概率就會(huì)増犬，被釋放出來(lái)的信道就會(huì)增加，所以系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)可容納的呼叫強(qiáng)度就會(huì)增加。10°18010°18010*110*110'210320406080100120140160呼叫強(qiáng)度/(次Zh)(b)10320406080100120140160呼叫強(qiáng)度/(次Zh)(b)終端在通話期間運(yùn)行速度對(duì)系統(tǒng)性能的影堀圖4終端通話時(shí)長(zhǎng)和移動(dòng)速度對(duì)系統(tǒng)性能的影響通過(guò)仿真分析了GE0衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的非優(yōu)先方案、預(yù)留信道方案和排隊(duì)混合方案3種信道分配方案下系統(tǒng)的性能，并研究了終端通話時(shí)長(zhǎng)和移動(dòng)速度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。從仿真結(jié)果町以看出，單純采用預(yù)留信道方案雖然降低了系統(tǒng)的切換呼損率，但卻提高了初始呼叫呼損率；排隊(duì)混合方案在取得與預(yù)留信道方案同樣的切換呼損率時(shí)，可以獲得更低的初始呼叫呼損率，排隊(duì)混合方案優(yōu)于預(yù)留信道方案。不同業(yè)務(wù)類型的用戶分級(jí)策略將系統(tǒng)用戶分為四種類別：語(yǔ)音切換用戶、語(yǔ)音新呼叫用戶、數(shù)據(jù)切換用戶、數(shù)據(jù)新呼叫用戶。其中切換用戶享有比新呼叫用戶更高的優(yōu)先級(jí)，對(duì)于語(yǔ)音切換用戶和數(shù)據(jù)切換用戶又有優(yōu)先級(jí)之分，當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)存在兩種類型的切換用戶時(shí)，由于數(shù)據(jù)用戶對(duì)于時(shí)延的敏感性較低，本策略中選擇先服務(wù)語(yǔ)音切換用戶再服務(wù)數(shù)據(jù)切換用戶。而在同等情況下，語(yǔ)音用戶又比數(shù)據(jù)用戶享有更高的優(yōu)先級(jí)。為了驗(yàn)證算法的可行性，盡可能的簡(jiǎn)化系統(tǒng)，在信道具體分配實(shí)施中，為語(yǔ)音用戶分配一條基本速率信道，為數(shù)據(jù)用戶分配四條基本速率信道。具體策略描述如卜：語(yǔ)音切換用戶到達(dá)小區(qū)時(shí)，如波束中有空閑信道則分配給該語(yǔ)音切換用戶，如波束中沒(méi)有空閑信道則隨機(jī)搶占一個(gè)正在被服務(wù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信道，該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)退到排隊(duì)隊(duì)列進(jìn)行排隊(duì)，并對(duì)該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)置等待時(shí)間30s,超過(guò)30s后還沒(méi)有被服務(wù)則撤銷該服務(wù)返回業(yè)務(wù)中斷消息。數(shù)據(jù)切換業(yè)務(wù)到達(dá)小區(qū)時(shí)，如小區(qū)中有空閑信道則分配給該切換業(yè)務(wù)，如小區(qū)中沒(méi)有空閑信道則返回接入失敗消息。語(yǔ)音新呼叫用戶達(dá)到小區(qū)時(shí)，若空閑信道人于保護(hù)信道Cg,則分配給該業(yè)務(wù)一條空閑信道，否則就隨機(jī)搶占一個(gè)正在被服務(wù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信道，該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)退到排隊(duì)隊(duì)列進(jìn)行排隊(duì)，并對(duì)該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)置等待時(shí)間30s,超過(guò)30s后還沒(méi)有被服務(wù)則撤銷該服務(wù)返回業(yè)務(wù)中斷消息。新數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達(dá)小區(qū)時(shí)，若空閑信道人于保護(hù)信道Cg,則分配給該業(yè)務(wù)四條空閑信道，否則就進(jìn)入排隊(duì)隊(duì)列進(jìn)行排隊(duì)，并設(shè)置等待時(shí)間30S,超過(guò)等待時(shí)間撤銷排隊(duì)同時(shí)返回呼叫中斷消息。當(dāng)被服務(wù)的通信業(yè)務(wù)由于通話完畢或切換到下一個(gè)小區(qū)時(shí)，首先檢查當(dāng)前小區(qū)的狀態(tài)，如空閑信道人于Cg,排隊(duì)隊(duì)列不為空，則從排隊(duì)等待服務(wù)的新到達(dá)業(yè)務(wù)中選擇一個(gè)業(yè)務(wù)分配剛剛釋放的信道；如空閑信道小于等于Cg或排隊(duì)隊(duì)列為空，則釋放服務(wù)完畢的信道。用戶可忍耐的等待時(shí)間T應(yīng)該是有限的，當(dāng)新到達(dá)業(yè)務(wù)或被切換用戶搶占了的數(shù)據(jù)用戶在排隊(duì)等待時(shí)間T后，仍沒(méi)有得到服務(wù)，則該業(yè)務(wù)自動(dòng)離開等待隊(duì)列。3>認(rèn)知無(wú)線電在提高信道資源利用率上的應(yīng)用隨著無(wú)線電通信的飛速發(fā)展，頻譜資源緊張的狀況也口漸突出。與礦藏、森林、水等資源一樣，無(wú)線電頻率也是一種寶貴的資源，而且是不可再生的。按照ITU無(wú)線電規(guī)則頻率劃分，目前各種無(wú)線業(yè)務(wù)可以使用的無(wú)線電頻率范闈為9kHz~275GHz。但受電波傳播特性、無(wú)線通信技術(shù)以及無(wú)線電設(shè)備軟硬件實(shí)現(xiàn)的限制，絕人多數(shù)無(wú)線電設(shè)備只能工作在50GHz以下隨著未來(lái)無(wú)線通信的寬帶化發(fā)展趨勢(shì)，3G、WiMAX.UWB等新技術(shù)、新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，頻譜需求將呈指數(shù)迅猛增長(zhǎng)。但目前我國(guó)出不多已將本國(guó)的町用頻譜資源分配完畢。由于采用了傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜使用政策，為特定的無(wú)線業(yè)務(wù)劃分了固定的頻譜范闈，所以留給新的系統(tǒng)、業(yè)務(wù)和技術(shù)的頻譜非常少或者甚至沒(méi)有頻譜可分配，頻譜資源的供需矛盾更為嚴(yán)重。面對(duì)目前頻譜資源緊缺現(xiàn)狀，首先需要重新認(rèn)識(shí)頻譜。傳統(tǒng)的固定頻譜分配策略卜?采用的各種提高頻譜效率的方法作用十分有限。由于頻譜效率的提高受限于香農(nóng)信道容量理論極限值，這些技術(shù)在一定程度上緩解了頻譜需求矛盾，但并沒(méi)有從根本上解決可用頻譜資源口益緊張的局面。近幾年來(lái)，人們開始關(guān)注靈活的頻譜共享技術(shù)，通過(guò)頻譜之間的靈活高效共享實(shí)現(xiàn)頻譜資源的最人利用。采用不同的頻譜共享技術(shù)實(shí)現(xiàn)多無(wú)線電和諧存在并有效解決無(wú)線頻譜資源緊缺問(wèn)題的同時(shí)也面臨更多挑戰(zhàn)。3.1頻譜共享技術(shù)目前，主要的頻譜共享技術(shù)如卞：動(dòng)態(tài)頻譜分配(DSA)動(dòng)態(tài)頻譜分配策略根據(jù)無(wú)線電系統(tǒng)的實(shí)際通信量，動(dòng)態(tài)地分配頻譜資源。因此用戶在特定時(shí)間和空間下使用的頻段不是事先固定的，而是臨時(shí)分配并且變動(dòng)的。DSA要求預(yù)測(cè)各無(wú)線電系統(tǒng)的通信量以根據(jù)實(shí)際的負(fù)載動(dòng)態(tài)分配頻段，這就需要改變現(xiàn)有的頻譜分配總體結(jié)構(gòu)，在頻譜管理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信終端等方面改動(dòng)較人。DSA策略在一定時(shí)間、一定區(qū)域把無(wú)線頻譜的某一部分分配給每一無(wú)線電系統(tǒng)，其他用戶不得使用，因此并不能完全消除由于業(yè)務(wù)量的突發(fā)性而產(chǎn)生的頻譜空穴。免許可開放接入在免授權(quán)的一些頻段內(nèi)，用戶無(wú)需許可證，也沒(méi)有主次之分，只需要遵守一定的發(fā)射功率，并且不對(duì)其他頻段造成干擾即可。在所有頻譜共享技術(shù)中，目前面許可開放接入在實(shí)際應(yīng)用中最為成功。因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)干擾控制簡(jiǎn)單，并且無(wú)需頻譜壞境感知。但這種共享方式限制共享用戶只能發(fā)射較小的功率，對(duì)其他用戶的干擾完全控制在許可范闈內(nèi)，使得其應(yīng)用范閑窄，只適合短距離通信，目前的典型應(yīng)用是無(wú)線局域網(wǎng)，藍(lán)牙，Zigbee等。分級(jí)共享接入分級(jí)共享接入指的是在不改變現(xiàn)有頻譜分配總體結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)開放授權(quán)頻段實(shí)現(xiàn)不同無(wú)線電系統(tǒng)用戶間的頻譜共享，以提高頻譜利用率。這種共享方式的用戶具有不同的等級(jí)，即嚴(yán)格的主從關(guān)系，提供共享頻譜資源的用戶成為主用戶，共享頻譜資源的用戶稱為次用戶。次用戶只有在不干擾主用戶正常工作的前提卞才能進(jìn)行通信。根據(jù)主用戶和次用戶在時(shí)間和頻率上使用頻譜的不同，分級(jí)共享接入方式分為覆蓋式頻譜共享和機(jī)會(huì)式頻譜共享。覆蓋式頻譜共享中，一個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)同時(shí)和另一個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)使用相同的頻譜，在頻率上完全覆蓋。而機(jī)會(huì)式頻譜共享（OSA）,其核心思想是次用戶以見縫插針的方式使用主用戶的頻譜資源：主用戶沒(méi)空閑信道，次用戶便等待空閑信道的出現(xiàn)：主用戶一旦有空閑信道，次用戶便接入。一旦主用戶要使用被次用戶占用的空閑信道時(shí)，次用戶必須立即釋放給主用戶。實(shí)現(xiàn)該方式要求無(wú)線電具備感知能力，通過(guò)感知無(wú)線電的外部環(huán)境，包括檢測(cè)電磁場(chǎng)環(huán)境中其他用戶的情況，動(dòng)態(tài)改變無(wú)線電參數(shù)，以便有效利用空閑頻譜資源，同時(shí)避免對(duì)主用戶通信系統(tǒng)的干擾。這就需要CR這一核心技術(shù)的支撐。2頻譜感知認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知CR的核心思想是：具有認(rèn)知能力的CR用戶通過(guò)智能感知頻譜環(huán)境，自動(dòng)搜尋并利用已分配給授權(quán)用戶但未被占用的“頻譜空穴”，實(shí)現(xiàn)與授權(quán)用戶的頻譜共享。頻譜分為兩類：授權(quán)頻譜：被授權(quán)用戶所擁有的頻譜，這里可以認(rèn)為是被分配了固定信道的優(yōu)先確保通信質(zhì)量的重要用戶（授權(quán)用戶）。非授權(quán)用戶：免費(fèi)給任何用戶使用的頻譜，這里是指使用隨機(jī)分配的動(dòng)態(tài)信道的一般用戶（CR用戶）。網(wǎng)絡(luò)分為兩類：授權(quán)網(wǎng)絡(luò)：使用授權(quán)頻段通信的網(wǎng)絡(luò)，它們獨(dú)占某些頻段。CR網(wǎng)絡(luò)：不擁有任何頻段，使用空閑頻段進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)。要實(shí)現(xiàn)頻譜感知CR的功能，CR應(yīng)具備兩人基本功能：認(rèn)知能力和重配置能力。前者能夠是CR與環(huán)境進(jìn)行交互，進(jìn)而決定適合的通信參數(shù)來(lái)適應(yīng)無(wú)線環(huán)境：后者能夠不改變?nèi)魏蔚挠布糠终{(diào)整傳輸功率、載頻、調(diào)制等發(fā)射參數(shù)。

1、認(rèn)知能力1）頻譜感知：感知可用頻帶，發(fā)現(xiàn)頻譜空穴并檢測(cè)授權(quán)用戶的再次出現(xiàn);2）頻譜分析：對(duì)得到的頻譜空穴進(jìn)行分析，估計(jì)其特征；3）頻譜決策：根據(jù)頻譜特征和用戶需求選擇適當(dāng)?shù)念l段。2、重配置能力工作頻段：CR可基于認(rèn)知環(huán)境的信息，改變并選擇最適合工作的頻譜;調(diào)制：CR可根據(jù)用戶的需求和信道環(huán)境自適應(yīng)選擇調(diào)制機(jī)制；傳輸功率：CR的傳輸功率可用在功率限制內(nèi)重新配置。3.3認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題頻譜感知是CR最核心的技術(shù)。其兩人基本功能是：1、感知頻譜空穴，充分利用所有頻譜機(jī)會(huì)；2、檢測(cè)授權(quán)用戶的出現(xiàn)，避免對(duì)授權(quán)用戶造成干擾。但在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，信道的分配基本有星載系統(tǒng)來(lái)完成，包括固定信道和動(dòng)態(tài)信道的比例、授權(quán)用戶的空閑信道的分級(jí)共享方式。固定信道是分配給一個(gè)小區(qū)的信道中，只能由該小區(qū)用戶使用的信道；動(dòng)態(tài)信道是該小區(qū)信道中除去動(dòng)態(tài)信道的那部分，用來(lái)借給鄰小區(qū)，以緩解鄰小區(qū)的通信壓力；或是通過(guò)資源的流通性來(lái)提高頻譜利用率。授權(quán)用戶固定信道CR用戶動(dòng)態(tài)信道4、基于效用函數(shù)的多業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)自適應(yīng)信道分配模型(主要參考自華中科人董燕博士論文)4.1引言用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的需求口益增長(zhǎng)，隨著LEO通信系統(tǒng)的發(fā)展，它所提供的業(yè)務(wù)也從傳統(tǒng)的語(yǔ)音擴(kuò)展到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)等多種業(yè)務(wù)類型，而這些業(yè)務(wù)本身所需要的帶寬遠(yuǎn)人于普通話音業(yè)務(wù)。不同業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求也差別很人。例如在3G系統(tǒng)中將承載的業(yè)務(wù)類型分為4類，它們代表了當(dāng)前絕大部分無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，見表4-1。它們的主要區(qū)別在于對(duì)傳輸帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)的要求及數(shù)據(jù)誤碼率等。為了保證不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量以及信道資源的利用率，在進(jìn)行信道分配時(shí)要區(qū)別對(duì)待不同的業(yè)務(wù)。表4—13G承載業(yè)務(wù)類型承載業(yè)務(wù)類型實(shí)際應(yīng)用業(yè)務(wù)功能特征實(shí)時(shí)(RT)會(huì)話業(yè)務(wù)語(yǔ)音保持實(shí)體間的時(shí)間關(guān)系嚴(yán)格保持會(huì)話方式(低時(shí)延)RT流視頻/音頻流保持實(shí)體間的時(shí)間關(guān)系交互式盡力而為(BE)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)瀏覽請(qǐng)求回應(yīng)方式保證用戶數(shù)據(jù)低誤碼率后臺(tái)BE業(yè)務(wù)文件傳輸，Email沒(méi)有時(shí)間要求保證用戶數(shù)據(jù)低誤碼率衛(wèi)星通信系統(tǒng)無(wú)線資源非常寶貴，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)往往需要較人的帶寬，而語(yǔ)音業(yè)務(wù)的帶寬較小，因此靈活的速率分配與傳輸技術(shù)是衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵之一。提出了一種基于效用函數(shù)的信道分配策略，語(yǔ)音切換呼叫具有可以搶占數(shù)據(jù)呼叫和多媒體呼叫信道的優(yōu)先級(jí)，由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)占有較人帶寬，因此只需要它們出讓部分帶寬而不是全部。本文首先描述了效用函數(shù)和呼叫占用帶寬的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上給出了信道分配策略,建立了系統(tǒng)用戶滿意度最人化數(shù)學(xué)模型，指出數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵是求解有約束的非線性規(guī)劃問(wèn)題。4.2信道分配策略4.2.1效用函數(shù)在多媒體通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量架構(gòu)的研究中，廣泛應(yīng)用效用函數(shù)(utilityfunction)表達(dá)不同類型的業(yè)務(wù)中帶寬和用戶滿意度的關(guān)系，通常用U表示。令x為分配給用戶的帶寬,則函數(shù)U二F(x)被稱為效用函數(shù)，也就是用戶使用的帶寬為x時(shí)相應(yīng)的滿意程度。通信系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)類型給用戶分配帶寬。語(yǔ)音業(yè)務(wù)具有硬性的QoS要求，是常速率業(yè)務(wù)(CBR：ConstantBitRate),它的帶寬一效用曲線是階躍函數(shù)。數(shù)據(jù)和多媒體類業(yè)務(wù)在保持用戶滿意度一定水平的基礎(chǔ)上，允許傳輸帶寬在一定范闈內(nèi)變化，這些業(yè)務(wù)被稱為可變速率業(yè)務(wù)(VBR：VariableBitRate),通過(guò)自適應(yīng)調(diào)制編碼、自適應(yīng)傳輸?shù)燃夹g(shù)町以實(shí)現(xiàn)通話過(guò)程中帶寬的調(diào)整。對(duì)于數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)等可變速率業(yè)務(wù)，第j類業(yè)務(wù)的效用Uj是分配給它的帶寬(bj)00的非減函數(shù)，通常降低一個(gè)通話的帶寬會(huì)使相應(yīng)的效用卜?降。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的帶寬一效用曲線用凹函數(shù)表示，如式(4.l)o多媒體業(yè)務(wù)的帶寬一效用曲線是S型(Sigmoid)函數(shù)，如式(4.2)。話音業(yè)務(wù)是常速率業(yè)務(wù)，本文中它也代表實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，其的帶寬一效用曲線是階躍函數(shù)，表示硬性的QoS要求，如式(4.3)。Ud(r)=4(1-e-°012r)(4.1)7(廠)=]+e-0.1(r_55)(生2)人(廠)=『o'Vv-min,rvmin=12.0(4.3)式(4.1)?(4.3)中，i■表示帶寬，單位為kbps,式(4.3)中a=0.1,b二55,c=7o圖4—1是三種業(yè)務(wù)類型的帶寬一效用關(guān)系曲線。從圖中可以看出各種業(yè)務(wù)的效用函數(shù)具有邊際效用遞減性質(zhì)，即當(dāng)呼叫占用的資源增加到一定程度時(shí)，其效用的增長(zhǎng)變緩，增加同樣帶寬所貢獻(xiàn)的滿意度越來(lái)越少，所以用戶滿意度具有極限值，即Uj(0)=0,Uj(oo)=Ujmax<oo,其中％“為第j類業(yè)務(wù)的最大效用.對(duì)于數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，如果一個(gè)用戶使用的帶寬是相應(yīng)業(yè)務(wù)的最大帶寬,減少一部分它使用的帶寬，其效用函數(shù)的減小不明顯?；趲捄托в玫倪@種關(guān)系，在新呼叫接入時(shí)，系統(tǒng)盡可能地給它分配較大帶寬，而在系統(tǒng)沒(méi)有足夠的空閑帶寬分配給切換呼叫時(shí)，可以減少正在進(jìn)行通信的用戶的帶寬，將釋放出來(lái)的帶寬分配給切換呼叫.8一音據(jù)那一音據(jù)那語(yǔ)數(shù)多654321050100150200250300350速率(kbps)圖4-1帶寬一效用函數(shù)4.2.2切換呼叫接入控制基于各類業(yè)務(wù)帶寬一效用函數(shù)的關(guān)系，以及語(yǔ)音切換呼叫的高優(yōu)先級(jí)，設(shè)計(jì)切換呼叫接入控制策略如下。定義t時(shí)刻系統(tǒng)用戶滿意度為系統(tǒng)中正在進(jìn)行呼叫的總效用：Qt=工心5（殆（4.4）其中C代表t時(shí)刻一個(gè)波束小區(qū)中正在進(jìn)行的呼叫的集合，H為呼叫i（iGC）當(dāng)前使用的帶寬.定義t+1時(shí)刻有切換呼叫到達(dá)時(shí)，系統(tǒng)的用戶滿意度為正在進(jìn)行呼叫的總效用及切換呼叫服務(wù)質(zhì)量的函數(shù)：Qt+1=SiGcyi(^t+i)+Y[zQho-(1-z)Qd](4.5)其中肚+i為t+i時(shí)刻呼叫i使用的帶寬，Qh。和血分別表示接入切換呼叫帶來(lái)的收益和拒絕切換呼叫帶來(lái)的損失，y為系統(tǒng)設(shè)定的切換掉話率權(quán)重，切換呼叫的優(yōu)先級(jí)越高，權(quán)重值越犬，通過(guò)調(diào)整y可以改變掉話率對(duì)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的影響；z為0-1變量，當(dāng)拒絕切換呼叫時(shí)，取值為0：當(dāng)接受切換呼叫時(shí)，取值為1。設(shè)y‘為呼叫i釋放的帶寬，即計(jì)=b[-b；+i，則y=表示由C釋放的總帶寬。切換策略的目標(biāo)是在切換呼叫服務(wù)質(zhì)量和正在進(jìn)行呼叫的總效用之間取得平衡，使系統(tǒng)用戶滿意度最大。因此令(4.6)（4.7）Q1=Qt+l\z=l=XiecS(b；+1)(4.6)（4.7）Q2=Qt+i\z=o=Qt~vQd設(shè)B為切換呼叫需要的最小帶寬，當(dāng)釋放的帶寬y人于或等于B,且QGQ2時(shí)，接入切換呼叫，否則拒絕切換呼叫。4.2.3信道分配策略在切換呼叫接入控制策略的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)信道分配策略如下。對(duì)于小區(qū)中的新呼叫請(qǐng)求，判斷它的業(yè)務(wù)類型后，如果空閑帶寬小于它需要的最小帶寬，則拒絕該呼叫；否則盡可能給它分配較大的帶寬。當(dāng)一個(gè)切換請(qǐng)求到達(dá)波束小區(qū)時(shí)，判斷小區(qū)中空閑帶寬是否大于切換呼叫所需帶寬（即呼叫正在使用的帶寬），若是，則接受該切換呼叫；若否，則判斷它的業(yè)務(wù)類型，對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，如語(yǔ)音，求解Q1的最大值并將它與進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果決定是否接受切換呼叫；對(duì)于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，如數(shù)據(jù)或多媒體，則判斷波束小區(qū)空閑帶寬是否大于

其業(yè)務(wù)類型的最小帶寬，若是，則盡可能給它分配較大的帶寬；若否，則拒絕切換呼叫。當(dāng)有呼叫結(jié)束或切換到其他小區(qū)時(shí)，它所釋放的帶寬資源將分配給帶寬小于其最大允許帶寬的呼叫，以提高正在進(jìn)行的呼叫的服務(wù)質(zhì)量。設(shè)R為波束小區(qū)總帶寬.切換呼叫信道分配實(shí)現(xiàn)流程如圖4-2所示。由于某些業(yè)務(wù)如數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)的帶寬可以在較大范圉內(nèi)調(diào)整，因此這種策略不需要專門為切換呼叫預(yù)留信道，策略本身已經(jīng)包含了切換呼叫相對(duì)新呼叫具有更高的優(yōu)先級(jí)。圖4-2切換呼叫信道分配流程4.3信道分配的非線性規(guī)劃模型4.3.1目標(biāo)函數(shù)信道分配策略的目標(biāo)是在切換掉話率和效用函數(shù)之間取得平衡，使系統(tǒng)的用戶滿意度最人。正在進(jìn)行的呼叫有多個(gè)，各自使用的帶寬也不相同，需要考慮釋放哪個(gè)呼叫的