移動通信分為地面移動通信和衛星移動通信,衛星移動通信又可分為星座移動通信和靜止軌道衛星移動通信。人們對地面移動通信系統用戶越區切換時信道分配策略的研究已經比較成熟，而衛星移動通信系統信道分配策略的研究相對較少。GEO系統星地位置相對靜止，因而成為區域性通信的首選。針對GEO 系統終端運行速度快、波束覆蓋面積大等特點，將移動通信的幾種信道分配技術應用于該系統，通過仿真來分析系統的性能。

　　1   系統模型

　　GEO 系統同其他移動通信系統一樣存在2 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發起的呼叫; 切換呼叫是當終端在通話過程中從一個區域移動到另一個區域時，為了不使通話中斷，需要向新的服務區發起呼叫。切換呼叫的優先級高于初始呼叫，所以移動通信系統在分配信道時要保證切換呼叫呼損率低于初始呼叫呼損率。

　　GEO 系統一個顯著的特點就是存在高速運行的終端，終端高速運行時不輕易改變方向，所以在模型中，終端只有4 個固定的運動方向，確定了運動方向后，在通話結束前不再改變。通話起始位置是隨機的，如圖1 所示。

圖1  終端在波束覆蓋區內運動示意圖

　　為了分析系統的性能，所以首先確定與系統性能密切相關的各個參數。

　　駐留時間是描述一個移動終端在一個波束內時間量的隨機變量。駐留時間分為初始呼叫駐留時間Tns和切換呼叫駐留時間Ths。Tns是一個終端呼叫從發起到離開波束的時間長度，T hs表示一個從相鄰波束切換過來的終端在該波束的駐留時間。假設終端在每個波束的平均駐留時間為Ts，Ts 服從負指數分布，均值為1/ us，us= 0. 7182 × v / R，v 代表速度,R 代表波束半徑。

　　呼叫持續時間T c 是指一次呼叫完成所占有的時間。假設其服從均值為uc 的負指數分布，即：

　　信道保持時間Th 是指在一個波束內終端呼叫占用的時間，信道保持時間通常等于或小于呼叫持續時間，如式3 所示。

　　有了信道保持時間后，就可以求出系統的平均呼叫離去率。由：

　　其概率密度函數為:

　　均值為E [ Th] = 1/ uh= 1/ ( uc+ us) 。無論是切換呼叫還是初始呼叫，當其在波束中的通話持續時間大于在該波束內的駐留時間時，就會發生切換，定義終端發生切換的概率為Ph:

　　2   技術方案

　　目前移動通信系統的信道分配方案主要有非優先切換方案、預留信道方案和排隊方案。非優先方案是最基本的信道分配方案，系統對初始呼叫和切換呼叫一視同仁。當沒有信道可用時，便形成呼損;預留信道方案將信道分為正常信道和預留信道，正常信道為初始呼叫和切換呼叫所競爭，而預留信道只服務于切換呼叫; 排隊方案不對信道進行分類，當系統沒有可用信道時，新到達的切換呼叫可以排隊等待系統分配信道，在排隊過程中，切換呼叫無法立即接通，且排隊隊列越長，切換呼叫接通的等待時間就越長。

　　在上述幾種信道分配方案中，預留信道方案通過預留信道降低切換呼損率，但卻導致初始呼損率上升; 排隊方案通過排隊機制降低切換呼損率，卻使切換呼叫產生一定的延遲。如果將預留信道方案與排隊方案相結合，即預留少量的信道同時又引入排隊機制，這樣就不會導致初始呼叫呼損率過大，并可以通過排隊進一步降低切換呼損率。

　　3   仿真分析

　　根據上述各種參數的推導，結合以下參數設置,通過仿真來分析系統的性能。

　　波束覆蓋半徑R : 500 km; 每個波束的信道數M: 30 條; MES 在切換區駐留時間1/ uq 為信道保持時間1/ uh 的1/ 4; MES 移動速度v: 1 000 m/ s; MES每次通話時長20 min。預留信道方案預留2 條信道，排隊混合方案預留2 條信道并且排隊隊列為10。

　　如圖2 所示，非優先方案的初始呼損率最低，切換呼損率最高; 預留信道方案的切換呼損率較低，但初始呼損率卻較高，因為信道的利用率降低了; 排隊混合方案的初始呼損率和預留信道方案是相同的,它的切換呼損率是最低的，因為在排隊混合方案中,切換呼叫除了可以參加排隊之外，還可以使用預留的信道。

圖2  3 種方案初始呼損率和切換呼損率比較

　　預留不同的信道數對系統性能有很大影響，如圖3( a) 所示，預留信道越多，系統性能越差，因為預留信道不能被初始呼叫所使用，降低了信道的利用率，進而降低了系統容量。由圖3( b) 可見，對于不同的隊列長度，初始呼叫的阻塞率幾乎沒有改變。

　　因為初始呼叫不參與排隊，隊列的大小和初始呼叫沒有任何關系，排隊只是針對切換呼叫。對于切換呼叫，當呼叫強度較低，每小時少于20 次時，隊列大小對系統性能影響不明顯，因為排隊混合方案為切換呼叫預留了信道; 當呼叫強度增大，預留信道被全部占用，切換呼叫開始參加排隊。但并不是隊列值越大，系統可容納的呼叫強度就越大，當呼叫強度達到55 次/ h 以上時，隊列大小對系統性能的影響同樣不明顯。當呼叫強度為30 次/ h，預留2 條信道,隊列大小為10 的排隊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，而預留信道方案在保證切換呼損率為0. 001 時，至少要預留5條信道，而預留5 條信道時的初始呼損率高達0. 1,顯然排隊混合方案比預留信道方案有更好的性能。

圖3  預留信道數和排隊值大小對系統性能的影響

　　由圖4 可以看出終端的平均通話時長越長，其阻塞概率就越大; 平均通話時長越短，系統可容納的呼叫強度就越大。因為通話時長越長，占用信道的時間就越長，單位時間內被釋放出來的空閑信道就越少，降低了系統的容量。終端的平均移動速度與系統的性能也有密切的關系，當終端平均運動速度大時，發生切換的概率就越大。信道數目有限，終端發生切換的概率變大，單位時間內占用本波束信道的終端移出本波束的概率就會增大，被釋放出來的信道就會增加，所以系統單位時間內可容納的呼叫強度就會增加。

圖4   終端通話時長和移動速度對系統性能的影響

　　4   結束語

　　通過仿真分析了GEO 衛星移動通信系統的非優先方案、預留信道方案和排隊混合方案3 種信道分配方案下系統的性能，并研究了終端通話時長和移動速度對系統性能的影響。從仿真結果可以看出，單純采用預留信道方案雖然降低了系統的切換呼損率，但卻提高了初始呼叫呼損率; 排隊混合方案在取得與預留信道方案同樣的切換呼損率時，可以獲得更低的初始呼叫呼損率，排隊混合方案優于預留信道方案。