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[摘 要]低轨道卫星移动通信作为未来个人通信系统的重要组成部分，是利用运行轨道比地球同步轨道低得多的一组卫星，实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信。信道资源的有限性制约卫星通信发展，进行卫星通信系统无线资源管理研究，建立高效、合理的信道资源分配模型，对提高卫星通信系统服务质量具有重要意义。本文对低轨卫星通信系统无线资源管理中信道分配的典型策略进行了分析和总结，并展望了这一领域的发展方向。最后，就进一步研究提出建议。
[关键词]低轨卫星通信系统无线资源信道分配
中图分类号：U389+5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0298-01
引言
卫星移动通信是指利用卫星转发器作中继而实现移动终端之间的无线通信，其中低轨卫星通信系统以其全球覆盖、低的传输时延、低功耗、抗毁性强等特点而具有广阔的发展前景，并且是未来个人通信系统的重要组成部分。由于低轨道卫星与地面用户终端之间存在相对运动，会引起切换问题，主要包括波束间切换，卫星间切换，以及卫星通信系统与地面通信系统之间的切换。在切换过程中需要解决信道的优化分配问题，提高系统资源利用率。
1 信道分配问题概述
信道分配问题的研究常常都建立在指定的小区结构模型基础之上，目前，最常用的小区结构模型有两种，即卫星固定小区系统和地球固定小区系统，大多数研究采用的均是卫星固定小区系统。
信道分配所面向的业务主要分为：实时和非实时两大类。实时业务主要包括视频和语音，非实时业务包括email和ftp。早期的分配策略研究大多是针对单一的语音类业务，随着科学技术的成熟完善和各种用户业务需求类型的扩展，面向多业务已经成为当今时代分配策略发展的主要趋势。
2 低轨卫星通信系统信道分配的典型策略
2.1 波束间信道分配
在低轨卫星移动通信系统中，信道分配采用按申请分配的方式来申请系统资源以达到尽量充分的利用无线资源。每个卫星具有多个波束资源，根据总频谱资源分配给每个波束的方式，可以分为固定信道分配、动态信道分配和混合信道分配三种方式。
（1）固定信道分配。实际分配过程为：事先给每一个小区配置固定数量的信道资源，每当小区内产生一个建立呼叫请求时，就占用一个信道。这种分配方式只有在小区信道还有空闲时，新的呼叫请求才能被接入，否则，呼叫请求将被系统阻塞。由于卫星波束覆盖区域比较广，各个波束所承担的业务量不尽相同，可能出现：某一个波束的业务非常稠密、而另外几个波束的业务相对稀少这种情况，导致某个波束因为没有空闲信道造成呼叫阻塞，而别的波束却有相当数量的闲置信道资源。
针对这个缺点，研究学者提出信道借用策略。该策略虽然达到降低呼叫阻塞率的目的，但是由于借用信道时，会将处于共信道复用距离内的其他波束信道锁住，信道利用率会下降。
（2）动态信道分配。具体分配过程为：系统建立一个能够存放所有信道资源的信道池，对信道资源进行统一集中调度，只要能满足频率复用距离约束或者信扰比的条件，每个信道可以任意分配给网络中的各个小区占有使用，通信业务完成后自动将这个信道交还给系统。
（3）混合信道分配.。具体分配过程为：系统事先把所有可用信道资源分为两部分，其中一部分指定为固定信道资源使用，另一部分指定为动态信道资源使用，当出现固定信道满足不了通信业务需求的情况时，系统能够根据信道资源整体使用情况，参考一定的约束条件，再分配一部分动态信道资源给那些承担业务量较大的波束。
2.2 波束内信道分配
小区内的信道分配是低轨卫星通信系统信道分配研究的重点内容之一，经过总结，较为典型的小区内信道分配策略有非优先策略、信道预留策略、排队优先策略、保证切换策略、抢占优先策略等。
（1）非优先策略。非优先方案是最基础的信道分配方法。在此策略下，切换用户和新呼叫用户共享所有信道资源。信关站在处理呼叫请求时对于所有用户等同对待，若信道资源已经用完，则拒绝所有接入请求，在信道资源还没有占用完的情况下，新呼叫用户享有与切换用户相同的优先级。该策略的优点是搭建系统简单方便，在话务量轻的情况下也不用区分用户的优先级，因为有足够的信道资源可以利用。但是当话务量较重时，若新呼叫用户与切换用户享有相同的优先级，切换用户的阻塞率就会大大增加，用户在通话过程中出现的强制
中断情况就很难忍受。
（2）信道预留策略。该策略相当于赋予了切换用户比新呼叫用户更高的优先级，预留一定数量的保护信道给切换呼叫专用。信道划分成基本信道和保护信道。基本信道用于切换用户和新呼叫用户的共同接入，但是当基本信道被全部占用完后，保护信道只接纳切换用户的接入请求，新呼叫用户的接入请求会被全部阻塞。这种策略具有切换失败概率低的优点，但是，由于牺牲了一部分新呼叫用户的接入信道，降低了信道利用率。
（3）排队优先策略。当普通信道被占用完后，新进入的呼叫用户请求并不是马上被拒绝，而是进去排队等候队列同时为其设置一个等待时钟，若在时钟期以内基本信道有了可利用的信道资源则自动接入。这样就提高了信道利用率，减少了可用信道的闲时，从另一方面加大了系统的话务量承载力。
（4）保证切换策略。当小区内产生一个建立呼叫的请求时，系统只在能够保证当前小区和即将切换到的下一个小区中都有空闲信道资源时，才接受新呼叫，否则就返回信道阻塞提示信息。该策略的优点是：一旦通话建立起来，就一定不会中断。但是，在这种策略下，信道利用率较低。
（5）强占优先策略。当信道已经被全部占用的情况下，可以允许语音用户强占数据用户所占用的信道的强占优先策略，而被强占掉信道的数据用户则退回到排队等候信道中，等待再次得到空闲信道。同时也对在排队队列中数据用户设置等待时钟，若时钟等待期超时则撤销该数据用户返回接入失败消息。使用该策略，也达到了降低切换用户的强制阻塞率的目的，同时对于对时延不是那么敏感的数据用户的影响也不是很大。
3 信道分配研究发展方向
（1）策略合并运用。综合提出保护信道和强占优先相结合的信道分配策略、切换保留信道与新呼叫排队相结合的信道分配策略，可以显著降低切换呼叫阻塞概率；动态优先预留排队策略，能够根据具体用户的优先级均衡无线资源的分配。
（2）引入高效算法。先后提出基于免疫策略的信道资源分配算法、基于改进遗传算法的资源分配策略等，能够得到较小的呼叫阻塞率和较高的频谱利用率。
（3）改进典型策略。研究提出动态信道抢占优先策略，能够使系统的服务等级得到改善；非充分保证切换策略，以牺牲一定的切换失败概率为代价，换取新呼叫阻塞概率的显著降低。
4 结束语
围绕低轨卫星通信系统无线资源管理中的信道分配问题，区分波束间分配和波束内分配两种不同类型，介绍了信道分配的一些典型策略，并分析了它们各自存在的优缺点，以及实际运用方式。随着卫星通信技术应用领域的拓展，各种新算法、新技术将不断出现，如何在保证通信畅通、优化分配方案的同时，提高系统整体性能，其研究还将继续深入进行。
参考文献
[1] 刘彦辰.低轨星座卫星通信系统的信道分配算法研究[D].长沙：国防科技大学，2009.
[2] 阳宇伽.低轨卫星通信系统的信道分配[D].成都：成都电子科技大学，2009.
[3] 刘彦辰，马东堂，丁丁，蔡理金.低轨星座卫星通信系统中多业务条件下的非充分保证切换策略[J].电子与信息学报，2009，31（7）：1565-1570.
[关键词]低轨卫星通信系统无线资源信道分配
中图分类号：U389+5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0298-01
引言
卫星移动通信是指利用卫星转发器作中继而实现移动终端之间的无线通信，其中低轨卫星通信系统以其全球覆盖、低的传输时延、低功耗、抗毁性强等特点而具有广阔的发展前景，并且是未来个人通信系统的重要组成部分。由于低轨道卫星与地面用户终端之间存在相对运动，会引起切换问题，主要包括波束间切换，卫星间切换，以及卫星通信系统与地面通信系统之间的切换。在切换过程中需要解决信道的优化分配问题，提高系统资源利用率。
1 信道分配问题概述
信道分配问题的研究常常都建立在指定的小区结构模型基础之上，目前，最常用的小区结构模型有两种，即卫星固定小区系统和地球固定小区系统，大多数研究采用的均是卫星固定小区系统。
信道分配所面向的业务主要分为：实时和非实时两大类。实时业务主要包括视频和语音，非实时业务包括email和ftp。早期的分配策略研究大多是针对单一的语音类业务，随着科学技术的成熟完善和各种用户业务需求类型的扩展，面向多业务已经成为当今时代分配策略发展的主要趋势。
2 低轨卫星通信系统信道分配的典型策略
2.1 波束间信道分配
在低轨卫星移动通信系统中，信道分配采用按申请分配的方式来申请系统资源以达到尽量充分的利用无线资源。每个卫星具有多个波束资源，根据总频谱资源分配给每个波束的方式，可以分为固定信道分配、动态信道分配和混合信道分配三种方式。
（1）固定信道分配。实际分配过程为：事先给每一个小区配置固定数量的信道资源，每当小区内产生一个建立呼叫请求时，就占用一个信道。这种分配方式只有在小区信道还有空闲时，新的呼叫请求才能被接入，否则，呼叫请求将被系统阻塞。由于卫星波束覆盖区域比较广，各个波束所承担的业务量不尽相同，可能出现：某一个波束的业务非常稠密、而另外几个波束的业务相对稀少这种情况，导致某个波束因为没有空闲信道造成呼叫阻塞，而别的波束却有相当数量的闲置信道资源。
针对这个缺点，研究学者提出信道借用策略。该策略虽然达到降低呼叫阻塞率的目的，但是由于借用信道时，会将处于共信道复用距离内的其他波束信道锁住，信道利用率会下降。
（2）动态信道分配。具体分配过程为：系统建立一个能够存放所有信道资源的信道池，对信道资源进行统一集中调度，只要能满足频率复用距离约束或者信扰比的条件，每个信道可以任意分配给网络中的各个小区占有使用，通信业务完成后自动将这个信道交还给系统。
（3）混合信道分配.。具体分配过程为：系统事先把所有可用信道资源分为两部分，其中一部分指定为固定信道资源使用，另一部分指定为动态信道资源使用，当出现固定信道满足不了通信业务需求的情况时，系统能够根据信道资源整体使用情况，参考一定的约束条件，再分配一部分动态信道资源给那些承担业务量较大的波束。
2.2 波束内信道分配
小区内的信道分配是低轨卫星通信系统信道分配研究的重点内容之一，经过总结，较为典型的小区内信道分配策略有非优先策略、信道预留策略、排队优先策略、保证切换策略、抢占优先策略等。
（1）非优先策略。非优先方案是最基础的信道分配方法。在此策略下，切换用户和新呼叫用户共享所有信道资源。信关站在处理呼叫请求时对于所有用户等同对待，若信道资源已经用完，则拒绝所有接入请求，在信道资源还没有占用完的情况下，新呼叫用户享有与切换用户相同的优先级。该策略的优点是搭建系统简单方便，在话务量轻的情况下也不用区分用户的优先级，因为有足够的信道资源可以利用。但是当话务量较重时，若新呼叫用户与切换用户享有相同的优先级，切换用户的阻塞率就会大大增加，用户在通话过程中出现的强制
中断情况就很难忍受。
（2）信道预留策略。该策略相当于赋予了切换用户比新呼叫用户更高的优先级，预留一定数量的保护信道给切换呼叫专用。信道划分成基本信道和保护信道。基本信道用于切换用户和新呼叫用户的共同接入，但是当基本信道被全部占用完后，保护信道只接纳切换用户的接入请求，新呼叫用户的接入请求会被全部阻塞。这种策略具有切换失败概率低的优点，但是，由于牺牲了一部分新呼叫用户的接入信道，降低了信道利用率。
（3）排队优先策略。当普通信道被占用完后，新进入的呼叫用户请求并不是马上被拒绝，而是进去排队等候队列同时为其设置一个等待时钟，若在时钟期以内基本信道有了可利用的信道资源则自动接入。这样就提高了信道利用率，减少了可用信道的闲时，从另一方面加大了系统的话务量承载力。
（4）保证切换策略。当小区内产生一个建立呼叫的请求时，系统只在能够保证当前小区和即将切换到的下一个小区中都有空闲信道资源时，才接受新呼叫，否则就返回信道阻塞提示信息。该策略的优点是：一旦通话建立起来，就一定不会中断。但是，在这种策略下，信道利用率较低。
（5）强占优先策略。当信道已经被全部占用的情况下，可以允许语音用户强占数据用户所占用的信道的强占优先策略，而被强占掉信道的数据用户则退回到排队等候信道中，等待再次得到空闲信道。同时也对在排队队列中数据用户设置等待时钟，若时钟等待期超时则撤销该数据用户返回接入失败消息。使用该策略，也达到了降低切换用户的强制阻塞率的目的，同时对于对时延不是那么敏感的数据用户的影响也不是很大。
3 信道分配研究发展方向
（1）策略合并运用。综合提出保护信道和强占优先相结合的信道分配策略、切换保留信道与新呼叫排队相结合的信道分配策略，可以显著降低切换呼叫阻塞概率；动态优先预留排队策略，能够根据具体用户的优先级均衡无线资源的分配。
（2）引入高效算法。先后提出基于免疫策略的信道资源分配算法、基于改进遗传算法的资源分配策略等，能够得到较小的呼叫阻塞率和较高的频谱利用率。
（3）改进典型策略。研究提出动态信道抢占优先策略，能够使系统的服务等级得到改善；非充分保证切换策略，以牺牲一定的切换失败概率为代价，换取新呼叫阻塞概率的显著降低。
4 结束语
围绕低轨卫星通信系统无线资源管理中的信道分配问题，区分波束间分配和波束内分配两种不同类型，介绍了信道分配的一些典型策略，并分析了它们各自存在的优缺点，以及实际运用方式。随着卫星通信技术应用领域的拓展，各种新算法、新技术将不断出现，如何在保证通信畅通、优化分配方案的同时，提高系统整体性能，其研究还将继续深入进行。
参考文献
[1] 刘彦辰.低轨星座卫星通信系统的信道分配算法研究[D].长沙：国防科技大学，2009.
[2] 阳宇伽.低轨卫星通信系统的信道分配[D].成都：成都电子科技大学，2009.
[3] 刘彦辰，马东堂，丁丁，蔡理金.低轨星座卫星通信系统中多业务条件下的非充分保证切换策略[J].电子与信息学报，2009，31（7）：1565-1570.