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衛星移動通信系統的論文
摘要：在衛星移動通信系統中，位置管理性能的優劣直接影響系統的服務質量。位置管理中的位置更新和位置尋呼是其中的關鍵，低頻率的位置區更新以及一次尋呼成功能降低信令開銷，節省網絡資源，優化網絡配置。而基于動態位置區的更新策略，可動態調整位置區的更新時刻，減輕網絡負荷。
關鍵詞：位置管理；位置更新；通信論文
1引言
衛星通信與傳統的地面蜂窩移動通信相比，其突出的優點是不可取代的。首先，衛星通信系統通過空中衛星作為其中繼站，對移動終端的上行信號進行轉發，使得通信的覆蓋區域大，通信距離遠。其次，在衛星通信系統中，只要是在衛星的波束覆蓋區域內，所有的地球站以及移動終端都能利用這顆衛星進行機動靈活的相互間的具有多址聯接性通信，并且衛星采用的是微波頻段，其通信頻帶寬，通信容量大。最后，衛星通信系統都有一個共同的特點，即通信的成本與距離無關，通信線路穩定，質量好[4]。在衛星通信系統中，由于中、低軌衛星系統路徑損耗小，傳播時延低，對用戶終端的有效全向輻射功率和接收機品質因素的值要求低，可支持手持機直接通過衛星進行通信，因此低軌通信衛星系統是現在研究的熱點。移動性管理技術作為衛星移動通信的一項關鍵技術，關系到整個網絡的性能[2]。隨著衛星通信技術的發展，通信系統小區容量不斷的增加，用戶接入的增加使得網絡在處理終端移動性的信令開銷和數據庫的負荷也隨著增加，良好的移動性管理策略可以大大的降低系統運行的負荷，顯著提高系統的性能。移動性管理（mobility management）是移動通信領域的一個具有挑戰性的問題。
2位置管理
移動性管理主要包括：位置管理和切換管理。在移動通信網絡系統中，移動終端可以不受固定的點到點的限制而自由的移動，并且移動終端可以在任何時刻、任何地方、隨時隨地的接入到通信系統中，亦能和網絡時刻的建立鏈接，進行相關的業務功能。移動通信網絡系統的優越性為移動性終端提供了動態服務，系統如何識別移動終端的位置信息，并且為其保證正常的通信，成為移動通信的重要特征，這主要是通過位置管理來實現的。位置管理主要負責跟蹤、存儲、查找和更新移動終端的位置信息，位置區管理主要包括位置區更新和位置尋呼，位置區更新的目的是為了使得網絡能實時的獲取終端所在的位置，以便網絡要對終端進行尋呼時，可以通過網絡數據庫獲得終端最近一次更新的位置區識別碼對終端進行精確快速的呼叫[5~7]。位置管理是滿足移動終端可以在移動通信系統覆蓋的范圍內自由移動，不受任何地域限制的前提。位置管理能夠使網絡跟蹤移動終端的位置，是網絡為傳遞呼叫而定位移動終端確定移動終端當前接入點的過程。而這就需要移動終端按照一定的準則向網絡報告其位置信息。這一過程就屬于移動終端的位置區更新過程。
3靜態位置管理
靜態位置管理策略是與地面通信系統一樣，將衛星點波束固定的劃分為若干的位置區，或者將地球站的覆蓋區域固定的劃分為若干的位置區，或者是兩者的結合。都采用的是兩層位置數據庫結構，即HLR和VLR。HLR存儲了所有網絡內注冊用戶的各種信息，包括位置信息。VLR存儲所管轄區域中移動終端的來話、去話呼叫所需檢索的信息以及用戶簽約業務和附加業務的信息。基于靜態固定的位置區劃分，其位置區更新流程如下：（1）終端開機注冊，首先向管轄當前LA的VLR0，發起位置區更新請求。（2）VLR0登記終端的位置信息，并發給HLR。（3）HLR登記終端的當前位置信息。（4）終端跨位置區移動，位置區ID發生改變，終端發起位置區更新請求。（5）VLR1登記終端的位置信息，并發給HLR。（6）HLR記錄終端位置信息，并指示VLR0刪除終端的位置信息。（7）VLR0刪除終端的位置信息，表明終端已不在其管轄的位置區之內。由于低軌衛星繞著地球的高速運轉，繞地球一周的時間平均約為114分鐘，故使得終端的波束覆蓋時間很短，以衛星波束劃分位置區的方法會造成頻繁的位置區更新，這樣會使得信令開銷大大增加，而以固定的地球站劃分的位置區則容易因終端于兩個LA之間頻繁移動，造成乒乓效應，為了解決上述問題提出了動態位置管理。
4動態位置管理
4.1基于運動的動態位置管理基于運動的動態位置區管理為根據單個移動終端的運動狀態來動態的為終端劃定一個位置區更新范圍，通常將稱運動門限值為M，當終端移動跨越的小區超過門限值M將執行一次位置更新。基于該基礎上提出了基于可變位置區的動態位置區管理算法[9]，該算法基于二維六邊形多級位置區蜂窩網絡結構以及液體流動運動模型假設，先根據用戶的呼叫和運動模式來優化運動門限，再確定更新的位置區大小，其優點在于位置區大小的變化頻率低，系統不必頻繁的切換位置區的級別且可以避免“乒乓效應”。移動終端進行位置區更新后，系統通過終端的運動確定位置區的范圍。文獻[16]提出了三重運動門限值，三個門限值分別為q、n、m，q為跨越不同位置區的個數，n為跨越不同小區的個數，m為跨越小區的個數。當跨越小區數達到閾值n和m時，執行VLR更新；當跨越小區數達到閾值n和m時，并且跨越的位置區數達到閾值q，則執行VLR和HLR更新。4.2基于時間的動態位置管理與靜態位置管理類似，基于時間的動態位置管理也需要設置一個定時器，所不同的是靜態位置區管理的定時器的閾值是固定不變的，而基于時間的動態位置管理的定時器閾值在每次觸發位置區更新之后，或根據移動終端的移動速度，或根據移動終端的運動狀態，或根據移動終端的呼叫到達率等信息，來動態自適應的調整定時器的閾值。文獻[8]中提到了根據移動終端的業務狀態和呼叫到達率來動態的設置定時器的閾值一種算法，其假設用戶的業務為呼叫業務，且服從泊松分布，用λcur表示用戶當前時間段的呼叫到達率，λpre為上一時間段的呼叫到達率，由此可得終端的呼叫業務變化率為：便可根據終端的呼叫歷史來統計出終端的平均到達率λ。為了避免呼叫到達時過長的無位置更新狀態，使得尋呼時間變長，應該保證位置更新率不小于呼叫到達率λ，即強制更新時間周期T應小于或等于終端的平均呼叫間隔時間。故，按照下式計算定時器的時間T即在某一時刻根據歷史的呼叫平均到達率，從服從[1/2λ,1/λ]的均勻分布中取一個隨機數（rand表示取一個隨機數），然后取T為大于ρ的整數作為定時器的更新時間閾值。
5目前存在的問題
（1）固定位置區劃分策略是基于絕對地理位置，根據事先設定的位置區大小來劃分各個位置區的邊界，當用戶越過邊界時便觸發更新，尋呼時根據用戶所在的固定位置區來傳遞尋呼信息。固定位置區策略方案雖然較為簡單，用戶的更新及尋呼都是根據事先在地理上已經劃定的位置區來進行，但容易對在兩個位置區之間的來回運動的用戶造成“乒乓效應”。且靜態位置區管理將用戶的各種運動狀態，移動速度和呼叫類型與位置區管理隔離開來，對所有的移動用戶使用同一的位置區管理策略，在適用性上明顯存在不足，不能根據用戶的運動狀態，移動速度和呼叫類型來動態優化位置區管理開銷。（2）基于運動的動態位置管理可能會對大部分時間處于低速運動狀態的用戶，由于某些時段的高速運動而設置位置區的更新半徑過大，用戶長時間的無位置區更新；而大部分時間處于高速運動的用戶，卻因某些時段低速運動而設置的位置區更新半徑過小，導致頻繁的位置區更新。同樣，基于時間的動態位置管理僅僅根據用戶的業務類型和呼叫到達率來設置用戶的位置區更新半徑，這種方式對不同運動速度的用戶適應性不夠強，可能會導致低速用戶在計時器時間段內頻繁的進行位置區更新，而高速用戶頻繁越區后不能及時的進行位置區更新，從而增加尋呼開銷。
6下一步研究方向
（1）采用動態位置區管理的策略，針對單個用戶的移動速度、運動狀態、呼叫到達率等因素，避免靜態位置區管理對不同用戶的適應性低，靈活性差的缺點，并且避免處于位置區邊緣的移動用戶在兩個位置區之間頻繁切換造成的“乒乓效應”。在確保尋呼到達率的前提下，盡可能的減小移動終端由于自身的自由移動性在位置區之間跨越時，進行位置區綁定更新的信令開銷，節省網絡信令資源，減輕系統的負荷。（2）針對移動用戶的移動速度、運動狀態、呼叫到達率等特點，結合時間與運動的動態位置管理策略，解決基于運動的動態位置算法下的大部分時間處于低速運動狀態的用戶，由于某些時段的高速運動而設置位置區的更新半徑過大，用戶長時間的無位置區更新；而大部分時間處于高速運動的用戶，卻因某些時段低速運動而設置的位置區更新半徑過小，導致頻繁的位置區更新。以及基于時間的動態位置管理算法下可能會導致低速用戶在計時器時間段內頻繁的進行位置區更新，而高速用戶頻繁越區后不能及時的進行位置區更新，從而增加尋呼開銷的問題。
7總結
衛星通信系統是未來個人通信重要組成部分，而移動性管理技術又是其中不可或缺的部分。本文重點介紹了衛星通信系統中的動態位置管理，基于時間、運動的動態位置管理相較靜態位置管理，在節省信令開銷，優化網絡資源方面更具有優勢。針對目前動態位置管理存在的問題，未來可基于各種運動模型，以及個人呼叫業務等因素方面，對動態位置管理策略進行優化，減小網絡開銷，提高網絡的系統性能。
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