何攀峰， 程乃平

(1. 裝備學院 研究生管理大隊, 北京 101416； 2. 裝備學院 光電裝備系, 北京 101416)

高空平臺通信系統(tǒng)中的小區(qū)切換技術(shù)綜述

何攀峰1， 程乃平2

(1. 裝備學院 研究生管理大隊, 北京 101416； 2. 裝備學院 光電裝備系, 北京 101416)

同溫層強風導致的高空平臺準靜止狀態(tài)嚴重影響通信系統(tǒng)性能，對切換技術(shù)提出了更高的要求。分析了高空平臺通信系統(tǒng)切換問題，從切換判決算法和接入控制策略2個研究方向，詳細討論了當前準靜止狀態(tài)高空平臺通信系統(tǒng)切換技術(shù)的研究現(xiàn)狀。針對判決切換算法，總結(jié)了傳統(tǒng)切換算法與智能切換算法的特點及存在的不足。針對接入控制策略，分析了現(xiàn)有算法對平臺準靜止狀態(tài)的適應性。最后，對高空平臺通信系統(tǒng)切換技術(shù)的發(fā)展方向進行了展望。

高空平臺；準靜止狀態(tài)；切換；呼叫接入控制

在移動通信系統(tǒng)中，切換技術(shù)一直是人們關(guān)注和研究的關(guān)鍵技術(shù)。在目前的陸地蜂窩系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)，切換技術(shù)已較為成熟并成功應用。而基于高空平臺(High Altitude Platform Stations，HAPS)的空基無線通信系統(tǒng)是目前國際上正處于研究階段的新型通信系統(tǒng)[1]，具有系統(tǒng)配置靈活、成本低、鏈路傳播特性良好、可長時間駐留、能提供大容量、高速通信等優(yōu)點，可應用于偏遠農(nóng)村、海岸線、山脈等地區(qū)的網(wǎng)絡覆蓋和災區(qū)通信或戰(zhàn)時通信[2]，得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。受同溫層環(huán)境的影響，HAPS通常處于準靜止狀態(tài)，即表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi)存在水平偏移、垂直移動、擺動和旋轉(zhuǎn)4種狀態(tài)。準靜止狀態(tài)嚴重影響了通信系統(tǒng)的性能，給切換技術(shù)提出了更高的要求。目前關(guān)于高空平臺通信系統(tǒng)切換技術(shù)的研究并不多，本文詳細分析總結(jié)了當前無線系統(tǒng)和高空平臺通信系統(tǒng)的切換技術(shù)，包括切換判決算法和接入控制策略，展望了高空平臺通信系統(tǒng)切換技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 高空平臺通信系統(tǒng)小區(qū)切換問題

在地面無線通信系統(tǒng)中終端從一個小區(qū)移動到另一個相鄰小區(qū)，為了保證通信的連續(xù)性，必須進行合理高效的切換，保證切換準確，降低切換中斷率。高空平臺通信系統(tǒng)以多波束覆蓋地面區(qū)域[3-4]，通常波束指向角難以伴隨平臺擾動狀態(tài)而實時調(diào)整，從而引起覆蓋地面蜂窩區(qū)域動態(tài)變化[5]1948。位于小區(qū)邊緣的終端即使處于靜止狀態(tài)，為了保證通信不中斷也必須執(zhí)行小區(qū)切換。因此，高空平臺通信系統(tǒng)引起小區(qū)切換技術(shù)的原因，可能是終端跨越小區(qū)移動造成，也可能是平臺擾動。

李樹鋒等[6]研究了平臺水平移動對HAPS的影響，分析和計算了平臺水平移動導致的終端在小區(qū)間的切換概率，指出在呼叫持續(xù)時間內(nèi)平臺水平移動距離越大，小區(qū)內(nèi)平均切換概率越大。Mellyssa等[7]仿真分析了平臺水平偏移和垂直運動(Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX)對通信系統(tǒng)切換性能的影響，指出平臺位置偏移會造成切換中斷率和切換時延增大。Albagory等[8-9]給出了固定波束寬度覆蓋下小區(qū)模型，分析了平臺旋轉(zhuǎn)對終端小區(qū)間切換概率的影響，指出旋轉(zhuǎn)對外層蜂窩影響最大。針對高空平臺的碼分多址(Code Division Multiple Access， CDMA)通信系統(tǒng)，文獻[5]1950和文獻[10]從小區(qū)切換和功率控制方面，分析了擺動對CDMA通信系統(tǒng)容量和切換中斷率的影響。

以上文獻研究表明:無論是水平偏移、垂直移動、擺動或旋轉(zhuǎn)都會對切換性能造成不同程度的影響，增加不必要的切換次數(shù)和切換中斷率，同時對通信系統(tǒng)本身也會產(chǎn)生一定的影響。因此需要研究高效的切換技術(shù)，主要包括2個層面：切換判決算法和呼叫接入控制策略。

切換判決算法根據(jù)測量和估計的鏈路和系統(tǒng)參數(shù)進行切換判決，減少不必要的切換次數(shù)，確保切換準確及時發(fā)起，避免發(fā)生頻繁切換；接入控制策略則是根據(jù)所采用的策略選擇接納或拒絕切換呼叫請求，保證在切換執(zhí)行時，接入該呼叫請求盡量不會對已接入的用戶產(chǎn)生影響，同時能夠提高系統(tǒng)資源利用率，降低切換失敗率。

2 切換判決算法

高空平臺通信系統(tǒng)的特點是平臺處于準靜止狀態(tài)，研究切換算法時通常需要考慮平臺的運動。切換可能是用戶移動引起的，也可能是平臺運動引起的，或者2種共同作用的結(jié)果。雖然高空平臺有擾動的固有特性，但是現(xiàn)有地面無線通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)切換算法仍然值得借鑒。從已有的文獻來看，根據(jù)切換算法考慮的因素可以分為傳統(tǒng)的切換算法和智能切換算法。

2.1 傳統(tǒng)切換算法

1) 基于相對接收信號強度切換算法。基于相對接收信號強度的切換判決算法一般通過檢測接收的信號強度并選擇接收相對信號強度最大的接入點執(zhí)行切換。該類算法主要有4種方法：相對信號強度(Relative Signal Strength，RSS)、設(shè)置門限的相對信號強度(Relative Signal Strength with Threshold，RSST)、帶滯后余量的相對信號強度(Relative Signal Strength with Hysteresis，RSSH)，以及帶門限和滯后余量相對信號強度(Relative Signal Strength with Threshold and Hysteresis，RSSTH)。目前普遍采用的是后2種方法。RSSH切換算法，只有相鄰小區(qū)的RSS比服務小區(qū)的RSS高出一定的滯后余量(用H表示滯后余量)時，才進行切換。RSSTH切換算法，只有當相鄰小區(qū)的RSS比服務小區(qū)的RSS高出一定的滯后余量，同時服務小區(qū)的RSS下降到一定門限(用T表示門限)時進行切換[11]。這2種方法的性能取決于H和T的大小，太大的H會導致通信中斷；相反過小，則會產(chǎn)生不必要的切換。同樣T太大會增加切換時延，太小同樣會造成不必要的切換。這類方法實現(xiàn)簡單，但滯后余量和門限的設(shè)置通常為固定值，難以適應動態(tài)場景的變化。Chen等[12]提出了自適應滯后余量的切換算法，根據(jù)移動終端的移動速度動態(tài)調(diào)整切換滯后余量和檢測周期，有效減少了切換中斷概率。

2) 基于位置信息的切換算法。當移動終端處于小區(qū)間重疊覆蓋區(qū)域，并將要超出原服務小區(qū)的覆蓋范圍時會發(fā)生切換，這也是最普遍意義上的切換，因此可以考慮將位置信息作為判決條件。位置信息包括GPS或北斗提供的小區(qū)精確位置信息、小區(qū)覆蓋區(qū)域位置、終端到小區(qū)中心的距離等。此外，可以利用預測方法估計用戶終端的位置信息。這些位置信息有助于對小區(qū)覆蓋范圍、小區(qū)拓撲及用戶距離小區(qū)中心距離較為全面的了解。由于切換總是發(fā)生在小區(qū)邊緣區(qū)域，考慮位置信息可以提高切換判決的準確性和及時性。Liu等[13]通過計算接收信號強度的變化來估計終端移動的距離，并設(shè)置了切換門限，根據(jù)信號強度大小和終端移動距離進行切換判決，有效減小了不必要的切換。宋莉等[14]利用導頻信號接收強度測量值和移動終端速度估計值，提出了對滯后余量和平均窗口長度進行自適應動態(tài)調(diào)整的切換算法，降低了鏈路衰落率和切換時延，避免了不必要的切換，對高速終端具有較好的適應性。李樹鋒等[15]63研究了平臺不同維度運動對通信系統(tǒng)切換的影響，地理位置信息輔助的切換算法，但只針對平臺水平移動。

3) 基于移動性或速度的切換算法。如果用戶快速移動，切換中斷率會由于切換不及時而增加；如果用戶速度較慢，不必要的切換次數(shù)由于切換過早而增大。因此，考慮移動速度或者預測速度可以減少上述情況的發(fā)生。李大成[16]從提高切換準確率的角度考慮，提出了基于移動路徑預測的均衡切換策略。根據(jù)現(xiàn)有的位置信息，通過牛頓插值法預測出終端的運動路徑，使得切換目標小區(qū)更加準確，提升切換性能。Ulvan等[17]將移動性預測作為切換判決過程的一種重要參數(shù)，通過用戶終端當前的位置和速度預測下一時刻即將發(fā)生切換的位置，從而減少切換次數(shù)。

2.2 智能切換算法

在通信系統(tǒng)中與切換相關(guān)的參數(shù)較多，通過多個參數(shù)聯(lián)合判決的切換算法，可以提高切換準確性。目前以基于模糊邏輯和基于神經(jīng)網(wǎng)絡的多屬性判決算法居多，還有基于學習算法的切換判決算法。

1) 基于模糊邏輯的切換判決算法。切換通常受環(huán)境因素影響較大，難于精確描述，而模糊邏輯對表達界限不清晰的定性知識與經(jīng)驗表現(xiàn)良好，因此可以用模糊邏輯的方法提高切換準確性。Dhand等[18]利用模糊控制器來優(yōu)化切換性能，相比于信號強度切換算法，該方法能根據(jù)動態(tài)環(huán)境自適應調(diào)整切換門限和滯后余量，消除了通信中斷效應。Singh等[19]采用模糊邏輯方法解決切換問題，與傳統(tǒng)的利用信號強度切換算法相比，減小了切換引起的乒乓效應，同時優(yōu)化了切換代價。Monil和 Kaur等[20-21]充分考慮了信號強度、小區(qū)負載、終端與基站的距離、移動終端速度與方向以及信號干擾比多個因素，提出模糊邏輯切換算法，避免了不必要的切換和乒乓效應。

2) 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的切換判決算法。神經(jīng)網(wǎng)絡具備處理大量數(shù)據(jù)的能力，可以改善切換算法的性能。Munoz等[22]考慮多個因素，如信號強度、誤碼率等，驗證了神經(jīng)網(wǎng)絡處理切換問題的可行性。Alsamhi等[23-24]充分考慮平臺移動距離、信號強度、小區(qū)負載、用戶性能、移動終端速度方向以及可用功率和帶寬等，采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡，提出一種智能切換算法，降低了切換掉話率，同時有效避免了乒乓效應。

3) 基于強化學習算法的切換判決算法。強化學習算法通過不斷與環(huán)境交互獲得一個優(yōu)化策略，能夠適應環(huán)境的動態(tài)變化，具有較強的魯棒性。Becvar等[25]提出了基于Q學習信道質(zhì)量預測的切換算法，根據(jù)切換完成時刻用戶與目標小區(qū)信道質(zhì)量的預測值決定是否發(fā)起切換，以降低切換失敗概率。其中，預測誤差通過Q學習算法動態(tài)調(diào)節(jié)，以適應不同環(huán)境下信道質(zhì)量的變化。Tabrizi等[26-27]提出一種最大化用戶體驗的動態(tài)切換算法，系統(tǒng)狀態(tài)包括延遲、可用比特率、信號強度指示，并且假定用戶可以從環(huán)境中獲取這些參數(shù)，將用戶體驗作為回報函數(shù)，根據(jù)最大化用戶體驗來判決切換。

2.3 切換算法比較

雖然上述2類切換算法對于切換問題提出了有效的解決方案，但在切換性能、實現(xiàn)復雜度等方面差異較大，表1總結(jié)了2類算法的優(yōu)勢和劣勢。

通過對比可以看出:傳統(tǒng)切換算法的實現(xiàn)復雜度低，易于工程實現(xiàn)，但切換性能受平臺擾動的影響較大，特別是平臺姿態(tài)擾動情況下，切換算法的性能較差;智能切換算法由于考慮多種影響切換的因素，能夠消除乒乓切換、降低切換次數(shù)，適合于解決平臺擾動條件下的切換問題，但是算法的復雜度較高。

因此，基于傳統(tǒng)切換算法的研究方向是在不增加系統(tǒng)復雜度的條件下盡量提高系統(tǒng)的切換性能，而智能切換算法的研究方向是在不降低系統(tǒng)性能的前提下降低實現(xiàn)復雜度。在實際通信系統(tǒng)應用中選擇切換判決算法時，需要在切換性能與算法實現(xiàn)復雜度之間折中。

表1 不同切換算法比較

3 呼叫接入控制策略

考慮到高空平臺通信系統(tǒng)有限的可用資源及用戶和平臺的移動性，如何為用戶提供服務質(zhì)量(Quality of Service，QoS)保證一直是研究重點。而呼叫接入控制策略則是保證QoS的關(guān)鍵技術(shù)。呼叫接入控制也稱作接納控制或呼叫允許控制(Call Admission Control，CAC)，即在保證用戶服務質(zhì)量要求的前提下，接入控制決定系統(tǒng)是否接受新用戶呼叫和切換用戶呼叫。合適的接入控制策略可以保證切換用戶能夠順利完成切換，降低切換中斷概率，同時提高系統(tǒng)資源利用率。從目前的研究策略來看，根據(jù)是否考慮平臺動態(tài)特性，可分為不考慮平臺特性的策略和考慮平臺特性的策略。

3.1 不考慮平臺特性的策略

與地面移動通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)一樣，高空平臺通信系統(tǒng)同樣面臨資源受限，對于新到達的呼叫請求和切換呼叫請求，以何種方式分配信道資源，保證用戶QoS，同時能保證切換用戶的性能，提高系統(tǒng)資源利用率，是接入控制策略的關(guān)鍵所在。已有的切換策略主要有以下3類。

_3.1.1 切換優(yōu)先策略

一般情況下用戶對新呼叫阻塞容忍性要比切換中斷高得多，因此為了降低切換中斷概率，通常對于優(yōu)先處理切換業(yè)務，主要包括切換信道預留和切換排隊優(yōu)先2種策略。

1)切換信道預留策略。為了降低切換中斷概率，為切換用戶預留專用信道。信道預留包括固定信道預留和自適應信道預留。固定信道預留策略預留C-CG(C為系統(tǒng)內(nèi)總信道數(shù))個信道供切換用戶專用，而前CG個信道則由切換用戶與新呼叫接入用戶共享，系統(tǒng)內(nèi)占用信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖1所示，其中λn為新呼叫到達率，λh為切換呼叫到達率，μ為平均服務時間。當新的呼叫請求到達時，如果業(yè)務請求信道與當前系統(tǒng)占用信道之和小于等于CG，則接入該業(yè)務，否則拒接該業(yè)務；當切換呼叫請求到達時，如果業(yè)務請求信道與當前系統(tǒng)占用信道之和小于等于C，則接入該業(yè)務，否則拒接該業(yè)務[28]。因此預留信道數(shù)的大小直接決定了系統(tǒng)的性能，但較大的預留信道數(shù)會降低系統(tǒng)的資源利用率。

圖1 固定信道預留策略狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

自適應信道預留通常根據(jù)網(wǎng)絡的狀態(tài)以一定的概率接入新呼叫業(yè)務，為切換呼叫動態(tài)預留信道，避免預留信道不足造成切換中斷，或預留信道過多造成系統(tǒng)資源利用率下降。Wu等[29]提出了設(shè)定切換中斷概率門限的信道預留方案，當切換中斷概率達到預定門限時再進行預留信道。這樣可以在負載較重的情況下，保證切換中斷概率，同時降低新呼叫阻塞概率。Liu等[30]提出了一種準靜止狀態(tài)下軟切換的自適應門限容量預留算法，通過一種預測機制，切換呼叫可根據(jù)當前小區(qū)的潛在業(yè)務載荷動態(tài)地調(diào)整切換門限，從而降低阻塞概率和中斷概率。Rouzbehani等[31]提出了一種模糊邏輯控制的動態(tài)信道分配方案，給予切換用戶較高的優(yōu)先級，并動態(tài)預留保護信道數(shù)，能夠保證較低的呼叫阻塞概率，同時保證較好的服務等級。

2) 切換排隊優(yōu)先策略。在信道預留的基礎(chǔ)上，對切換業(yè)務進行排隊，進一步降低切換業(yè)務中斷概率，獲得較高的切換性能[32]。假定切換排隊隊列長度為Cq,用戶切換排隊平均等待時間為μq，系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。與信道預留策略相比，只是在系統(tǒng)滿負載(狀態(tài)為C)情況下，對切換請求業(yè)務進行排隊，等待系統(tǒng)有空閑的資源時再接入，而不是直接拒絕，因此對于切換業(yè)務的接入成功率更高，但是同時也增加了新呼叫請求用戶的阻塞概率。此外，較短的切換排隊長度對切換業(yè)務性能的提升有限,該策略對時延要求較高的業(yè)務適應性差。

圖2 切換排隊優(yōu)先策略狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3.1.2 保證業(yè)務QoS的策略

保證業(yè)務QoS的策略是以業(yè)務的QoS參數(shù)作為優(yōu)化目標的接入控制策略。對用戶而言，只有QoS級別達到一定的要求，服務才可能被接受。通常用戶業(yè)務QoS參數(shù)主要包括業(yè)務的分組等待時延和時延抖動、信息傳輸速率、丟包率等。Tsiropoulos等[33]提出了區(qū)分用戶業(yè)務優(yōu)先級的接入控制策略，考慮實時和非實時2種業(yè)務，對實時業(yè)務設(shè)置較高的優(yōu)先級，對非實時業(yè)務則以一定的概率α接入。其中，α的取值范圍為(0,1]，并隨著網(wǎng)絡負載的上升而減小。因此當前網(wǎng)絡負載上升時實時業(yè)務比非實時業(yè)務具有更高的優(yōu)先級接入系統(tǒng)。Khanjari等[34]在所有級別業(yè)務共享帶寬的條件下，提出一種基于最大最小公平策略的資源分配策略，通過帶寬降級和帶寬升級以及不同業(yè)務呼叫優(yōu)先級來保證各業(yè)務的QoS。因此，保證業(yè)務QoS的策略能區(qū)分QoS要求不同的業(yè)務，為了保證高優(yōu)先級的業(yè)務較高的接入概率，會造成部分系統(tǒng)資源浪費。

_3.1.3 最大化系統(tǒng)收益策略

最大化系統(tǒng)收益策略是從系統(tǒng)或網(wǎng)絡段來考慮接入控制問題，同時兼顧業(yè)務QoS要求。一般根據(jù)業(yè)務的某種QoS參數(shù)或多個QoS參數(shù)的組合，建立傳輸業(yè)務的網(wǎng)絡效用函數(shù)或網(wǎng)絡收益因子，網(wǎng)絡效用或網(wǎng)絡收益同時與網(wǎng)絡中的資源利用相關(guān)，具有不同QoS參數(shù)的業(yè)務在接入到網(wǎng)絡中時所能為網(wǎng)絡帶來的效用或者收益是不同的[35]。最大化當前系統(tǒng)總的網(wǎng)絡效用或收益，滿足已接入業(yè)務的QoS要求，同時提高系統(tǒng)資源利用率。Chowdhary等[36]提出基于網(wǎng)絡收益的接入控制策略，通過計算不同類型業(yè)務能夠帶來的網(wǎng)絡收益，選擇收益最大的業(yè)務優(yōu)先接入網(wǎng)絡中。該方法能夠確保接入業(yè)務的QoS同時使得網(wǎng)絡收益最大，但在一定程度上增加了低優(yōu)先級用戶的阻塞概率；此外僅從當前接入業(yè)務考慮網(wǎng)絡的收益，沒有從整個網(wǎng)絡考慮收益最大化，對于網(wǎng)絡內(nèi)接入請求用戶到達率變化較大的場景，性能會變差。

3.2 考慮平臺特性的策略

1) 基于平臺多波束覆蓋特性的接入策略。Grace等[37]研究了高空平臺多波束功率衰減逼近函數(shù)，指出相對于地面無線通信系統(tǒng)，高空平臺多波束天線覆蓋小區(qū)的重疊區(qū)域干擾較小，可以利用重疊區(qū)域提高系統(tǒng)的性能。此外還分析了高空平臺通信系統(tǒng)中信道分配策略，利用蜂窩間的重疊區(qū)提升系統(tǒng)的呼叫阻塞性能，增加系統(tǒng)的靈活性[38]。李樹鋒等[15]67提出重疊區(qū)域輔助確保切換策略，除了利用高空平臺和用戶位置信息之外，還利用蜂窩之間的重疊區(qū)來協(xié)助判定并阻塞可能引起切換失敗的新呼叫，獲得近乎于零的切換掉話率。

2) 基于平臺位置姿態(tài)信息的接入策略。利用平臺的位置姿態(tài)信息可以對網(wǎng)絡覆蓋有更全面的了解，因此根據(jù)平臺動態(tài)信息可以獲得更好的網(wǎng)絡性能。平臺在擺動狀態(tài)時，會造成小區(qū)邊緣用戶來回切換問題，游思晴等[39]對于CDMA高空平臺通信系統(tǒng)在平臺擺動情況下的性能，提出在小區(qū)邊緣用戶采用2個基站同時接收的接入控制方案，來避免“乒乓切換”;還提出了高空平臺蜂窩系統(tǒng)與地面蜂窩融合解決平臺擺動的影響，即將平臺覆蓋蜂窩中心恰好處在地面蜂窩六邊形的頂點上，用地面蜂窩中心來接收平臺小區(qū)邊緣用戶數(shù)據(jù)，減少切換次數(shù)[40]，但是這種方法需要地面移動通信系統(tǒng)的配合。蔣靜雅等[41]針對此問題，提出區(qū)分用戶優(yōu)先級的信道預留和切換排隊相結(jié)合的信道分配算法，該策略能夠顯著降低切換掉話率，尤其是高優(yōu)先級用戶的切換掉話率，補償了因平臺擺動所導致的系統(tǒng)性能損失。李樹鋒[42]借鑒了低軌道(LowEarthOrbit,LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中基于地理位置信息的呼叫允許控制，設(shè)計了一種適用于高空平臺移動情況下的呼叫允許控制算法，通過利用地理位置信息精確地判斷切換時刻，并根據(jù)切換時刻進行精確的信道預留，降低了系統(tǒng)的呼叫阻塞性能。管明祥等[43]通過檢測高空平臺與用戶間收發(fā)鏈路通信距離來進行無線信道分配，解決高空平臺通信中負載不均等造成的無線資源無法滿足用戶需求的問題，仿真驗證了該方法無須估計，提高了信道利用率。

不考慮平臺特性的接入控制策略，沒有考慮平臺擾動帶來的小區(qū)內(nèi)切換呼叫到達率大范圍變化的影響，無法確保切換用戶的性能。相比于不考慮平臺特性的策略，考慮平臺動態(tài)特性的策略，有效降低切換呼叫中斷概率，更適合于處理高空平臺通信系統(tǒng)切換呼叫請求，但一般只針對某一類場景，如平臺位置擾動[42-43]或擺動[39,41]條件下，而且還需要平衡系統(tǒng)其他參數(shù)。同時適應平臺位置和姿態(tài)擾動的接入控制策略還有待進一步研究。

4 高空平臺通信系統(tǒng)切換技術(shù)展望

高空平臺通信系統(tǒng)性能受限于平臺本身的準靜止狀態(tài)，合理高效的切換判決和接入控制策略，可以顯著提高通信系統(tǒng)的性能。

1) 設(shè)計準確高效的切換判決算法。用戶的隨機移動和高空平臺固有的準靜止狀態(tài)給切換判決算法提出了更高的要求，傳統(tǒng)的考慮單個因素的切換判決算法顯然難以勝任，而智能切換算法為切換提供新的思路，通過智能算法將平臺擾動參數(shù)以及其他影響切換性能的參數(shù)與切換判決建立相應的聯(lián)系，能夠保證切換性能，但如何權(quán)衡性能參數(shù)與其所付出的代價仍然是今后研究的重點。

2) 合理的接入控制策略。隨著業(yè)務多樣性和移動性的要求，接入控制策略不僅需要滿足不同業(yè)務的QoS，還需要在此基礎(chǔ)上提高網(wǎng)絡資源利用率，平衡切換中斷率和新呼叫阻塞概率。將平臺的動態(tài)特性作為約束條件或考慮因素，系統(tǒng)或用戶性能參數(shù)作為優(yōu)化目標，可以顯著改善系統(tǒng)的性能。但優(yōu)化某一性能參數(shù)，會對系統(tǒng)其他性能產(chǎn)生一定影響。綜合考慮多個性能參數(shù)，平衡各性能參數(shù)是未來研究的重點方向所在，但同時還要考慮算法實現(xiàn)的復雜度。

3) 聯(lián)合切換判決與接入控制策略。單一的切換判決算法或接入控制策略只能提升系統(tǒng)部分性能，只有切換判決與接入控制策略相互配合才能確保切換順利完成。將切換判決算法與接入控制策略綜合考慮，可以減少不必要的參數(shù)，確保切換過程的成功率，有效提高系統(tǒng)性能[44]，能夠減小平臺擾動對切換算法的影響。針對平臺多維度擾動的影響，考慮到學習算法能夠適應場景變化，結(jié)合強化學習算法研究切換問題是提高切換性能的研究方向。

5 結(jié) 束 語

雖然高空平臺通信系統(tǒng)相對于地面移動通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點，但是平臺的穩(wěn)定性仍然是制約其應用的關(guān)鍵因素，切換技術(shù)的好壞直接影響到切換時延、切換頻率、資源利用率、切換中斷率、呼叫阻塞率等指標，進而影響到整個通信系統(tǒng)的系能。合理的切換判決算法和接入控制策略則可以降低通信系統(tǒng)對平臺穩(wěn)定的要求，為高空平臺通信系統(tǒng)盡早進入實用階段提供技術(shù)支撐。

)

[1]白琳,梁仙靈,肖振宇,等.空間多維協(xié)同傳輸理論與關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2015:6-7.

[2]李行政,張冬晨,朱禹濤.HAPS 通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及展望[J].電信網(wǎng)技術(shù),2016(3):17-22.

[3]DESSOUKY M I,SHARSHAR H A,ALBAGORY Y A.Geometrical analysis of high altitude platforms cellular footprint[J].Progress In Electroma-gnetics Research,2007,67:263-274.

[4]DESSOUKY M,NOFAL M,SHARSHAR H,et al.Optimization of beams directions for high altitude platforms cellular communications design[C]//Proceedings of the Twenty Third National Radio Science Conference.Menoufiya：IEEE,2006:1-8.

[5]管明祥,郭慶,顧學邁.高空平臺不穩(wěn)定性對HAPS通信性能影響建模與分析[J].電子學報,2012,40(10):1948-1953.

[6]李樹鋒,魏急波,馬東堂.平臺水平移動對高空平臺通信系統(tǒng)性能的影響[J].空軍工程大學學報(自然科學版),2011,12(3):73-77.

[7]MELLYSSA W,ISKANDAR.Platform displacement impact on mobile WiMAX handover performance over HAPS cannel[C]//2015 1st International Conference on Wireless and Telematics.Manado：IEEE,2015:1-5.

[8]ALBAGORY Y.Impact of high-altitude platforms rotation on cellular mobile communications[J].International Journal of Advanced Computing Research,2014,1:8-13.

[9]ALBAGORY Y,NOFAL M,GHONEIM A.Handover performance of unstable-yaw stratospheric high-altitude stations[J].Wireless Personal Communications,2015,84(4):2651-2663.

[10]YOU S,JING X,QI Z.The effect of platform swinging on a HAPS-CDMA system[C]//2011 Conference on Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology.Harbin：IEEE,2011:859-862.

[11]KHAN J,ABBAS A,KHAN K.Cellular Handover approaches in 2.5 G to 5G Technology[J].International Journal of Computer Applications,2011,21(2):28-37.

[12]CHEN J,SHENG C Y.An adaptive measurement report period and handoff threshold scheme based on SINR variation in LTE-A networks[J].Mathematical Problems in Engineering,2015,2015:1-10.

[13] LIU C,WEI J,HUANG S,et al.A distance-based handover scheme for femtocell and macrocell overlaid networks[C]//2012 8th International Conference on Wireless Communications,Networking and Mobile Computing.Shanghai：IEEE,2012:1-4.

[14]宋莉,劉愛軍,田曉鐘,等.GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的動態(tài)切換算法[J].系統(tǒng)仿真學報,2009(11):3411-3415.

[15]李樹鋒,魏急波,馬東堂,等.高空平臺通信系統(tǒng)中重疊區(qū)輔助切換保證策略[J].通信學報,2011,32(3):131-137.

[16]李大成.空天信息網(wǎng)絡接入與切換控制策略研究[D].南京:南京郵電大學,2013.

[17]ULVAN A,BESTAK R,ULVAN M.Handover scenario and procedure in LTE-based femtocell networks[C]//2010 4th International Conference on Mobile Ubiquitous,Computing,System,Services and Technologies.Florence:IARIA XPS,2010:213- 218.

[18]DHAND P,DHILLON P.Handoff optimization for wireless and mobile networks using fuzzy logic[J].International Journal of Computer Applications,2013,63(14):31-35.

[19]SINGH R,DAHIYA S S,DOEGAR A.An empirical evaluation of fuzzy and counter based handoff systems for the avoidance of ping-pong effect[C]//2011 5th IEEE International Conference on Advanced Computing & Communication Technologies.Rohtak： IEEE,2011:116-121.

[20]MONIL M A H,QASIM R,RAHMAN R M.Speed and direction based fuzzy handover system[C]//2013 IEEE International Conference on Fuzzy Systems.Hyderabad：IEEE,2013:1-8.

[21]KAUR H,KAUR E A.Fuzzy logic based handover decision procedure involving multiple matrices[J].International Journal of Advanced Engineering Research and Science,2014,1(1):67-72.

[22]MUNOZ R D,MORENO C J A,RUIZ M C,et al.Neural supported hand off methodology in micro cellular systems[C]//1992 IEEE 42th Conference on Vehicular Technology Conference.Denver：IEEE,1992:431-434.

[23]ALSAMHI S H,RAJPUT N S.An intelligent handoff algorithm to enhance quality of service in high altitude platforms using neural network[J].Wireless Personal Communications,2015,82(4):2059-2073.

[24]ALSAMHI S H,RAJPUT N S.Neural network in intelligent handoff for QoS in HAP and terrestrial systems[J].International Journal of Materials Science and Engineering,2014,2:141-146.

[25]BECVAR Z,MACH P,STRINATI E C.Q-learning-based prediction of channel quality after handover in mobile networks[C]//2014 IEEE 25th Annual International Symposium on Personal,Indoor,and Mobile Radio Communication.Washington D.C.：IEEE,2014:1359-1364.

[26]TABRIZI H,FARHADI G,CIOFFI J.A learning-based network selection method in heterogeneous wireless systems[C]//2011 Global Telecommunications Conference.Houston：IEEE,2011:1-5.

[27]TABRIZI H,FARHADI G,CIOFFI J.Dynamic handoff decision in heterogeneous wireless systems:Q-learning approach[C]//2012 IEEE International Conference on Communication.Ottawa：IEEE,2012:3217-3222.

[28]EMMADI S K,VENKATESH T G.Call admission control schemes in cellular networks:A comparative study[C]//2014 11th International Joint Conference on Computer Science and Software Engineering.Chonburi：IEEE,2014:188-193.

[29]WU S,WONG K Y M,LI B.A dynamic call admission policy with precision QoS guarantee using stochastic control for mobile wireless networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2002,10(2):257-271.

[30]LIU S,NIU Z,WU Y.An adaptive thresholds capacity reservation scheme for high altitude platform CDMA systems[C] //2003 57th Semiannual on Vehicular Technology Conference.Seoul：IEEE,2003:2062-2065.

[31]ROUZBEHANI B.A fuzzy channel allocation technique in high altitude platforms for emergency telecommunications[C] //2011 IEEE 13th International Conference on Communication Technology.Jinan： IEEE,2011:901-905.

[32]LOUVROS S,PYLARINOS J,KOTSOPOULOS S.Handoff multiple queue model in microcellular networks[J].Computer Communications,2007,30(2):396-403.

[33]TSIROPOULOS G I,STRATOGIANNIS D G,COTTIS P G,et al.Adaptive resource allocation and dynamic call admission control in wireless networks[C]//2010 IEEE Globecom Workshops.Miami：IEEE,2010:1217-1221.

[34]KHANJARI S A,ARAFEH B,DAY K,et al.An adaptive bandwidth borrowing-based Call Admission Control scheme for multi-class service wireless cellular networks[C]//2011 International Conference on Innovations in Information Technology.Abu Dhabi：IEEE,2011:375-380.

[35]周坡.基于OFDM 的 GEO 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:清華大學,2011.

[36]CHOWDHARY T T,ALAM M S,SOEL M M,et a1.A new CACprotocol for optimizing revenue and ensuring QoS[C]//International Conference on Computer and InformationTechnology.Gyeongju：IEEE,2007:1-6．

[37]GRACE D,SPILLARD C,THORNTON J,et al.Channel assignment strategies for a high altitude platform spot-beam architecture[C]//2002 International Conference on Personal,Indoor and Mobile Radio Communication.Lisbon：IEEE,2002:1586-1590.

[38]GRACE D,SPILLARD C,TOZER T C.High altitude platform resource management strategies with improved connection admission control[C]//2003 International Conference on Wireless Personal Multimedia Communications.Yokosuka： IEEE,2003.

[39]游思晴,景曉軍,齊兆群,等.基于平臺擺動模型的平流層 CDMA 系統(tǒng)呼叫控制方案[J].電子學報,2011,20(7):1486-1490.

[40]游思晴.平流層 CDMA 移動通信蜂窩網(wǎng)的性能研究[D].北京：北京郵電大學,2012.

[41]蔣靜雅,張邦寧,郭道省,等.適用于平臺擺動模型的HAPS通信系統(tǒng)信道分配算法[J].電訊技術(shù),2015(8):906-912.

[42]李樹鋒.高空平臺通信系統(tǒng)中呼叫允許控制與切換技術(shù)研究[D].長沙：國防科學技術(shù)大學,2010.

[43]管明祥,郭慶,顧學邁.一種基于距離判決的HAPS通信無線DCA算法[J].電子學報,2013,41(1):18-23.

[44]BAROLLI L,MINO G,KULLA E,et al.Performance Evaluation of a fuzzy-based integrated CAC and handover system for cellular networks[C]//2011 3rd International Conference on Intelligent Networking and Collaborative Systems.Fukuoka：IEEE,2011:777-786.

(編輯：李江濤)

Overview of Cell Handover Technique in High AltitudePlatform Communication System

HE Panfeng1， CHENG Naiping2

(1. Department of Graduate Management， Equipment Academy， Beijing 101416， China；2. Department of Optical and Electronic Equipment， Equipment Academy， Beijing 101416， China)

The quasi-stationary state of high-altitude platform caused by strong winds in the stratosphere has severe impact on the performance of the communication system, and puts forward higher requirements for the handover technique. This paper analyzes the handover problem of the high altitude platform communication system. In two research directions of switching decision algorithm and access control strategy, the paper discusses current studies on the quasi-static high-altitude platform communication system handover technology in detail. As to handoff algorithm, the paper concludes the characteristics and deficiencies of conventional algorithm and intelligent handoff algorithm. With regard to access control strategy, the paper analyzes the adaptability of the existing algorithm to the quasi-stationary state of the platform. In the end, the paper forecasts the development direction of high-altitude platform communication system handover technology.

high altitude platform; quasi-stationary state; switching; call access control

2016-09-27

國家“863計劃”資助項目(2015AA7011071)

何攀峰(1986—)，男，博士研究生，主要研究方向為無線通信網(wǎng)絡。Hepanfeng01@126.com 程乃平，男，教授，博士生導師。

TN929.5

2095-3828(2017)01-097-08

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2017.01.018