卫星移动通信系统的论文
摘要：在卫星移动通信系统中，位置管理性能的优劣直接影响系统的服务质量。位置管理中的位置更新和位置寻呼是其中的关键，低频率的位置区更新以及一次寻呼成功能降低信令开销，节省网络资源，优化网络配置。而基于动态位置区的更新策略，可动态调整位置区的更新时刻，减轻网络负荷。
关键词：位置管理；位置更新；通信论文
1引言
卫星通信与传统的地面蜂窝移动通信相比，其突出的优点是不可取代的。首先，卫星通信系统通过空中卫星作为其中继站，对移动终端的上行信号进行转发，使得通信的覆盖区域大，通信距离远。其次，在卫星通信系统中，只要是在卫星的波束覆盖区域内，所有的地球站以及移动终端都能利用这颗卫星进行机动灵活的相互间的具有多址联接性通信，并且卫星采用的是微波频段，其通信频带宽，通信容量大。最后，卫星通信系统都有一个共同的特点，即通信的成本与距离无关，通信线路稳定，质量好[4]。在卫星通信系统中，由于中、低轨卫星系统路径损耗小，传播时延低，对用户终端的有效全向辐射功率和接收机品质因素的值要求低，可支持手持机直接通过卫星进行通信，因此低轨通信卫星系统是现在研究的热点。移动性管理技术作为卫星移动通信的一项关键技术，关系到整个网络的性能[2]。随着卫星通信技术的发展，通信系统小区容量不断的增加，用户接入的增加使得网络在处理终端移动性的信令开销和数据库的负荷也随着增加，良好的移动性管理策略可以大大的降低系统运行的负荷，显著提高系统的性能。移动性管理（mobility management）是移动通信领域的一个具有挑战性的问题。
2位置管理
移动性管理主要包括：位置管理和切换管理。在移动通信网络系统中，移动终端可以不受固定的点到点的限制而自由的移动，并且移动终端可以在任何时刻、任何地方、随时随地的接入到通信系统中，亦能和网络时刻的建立链接，进行相关的业务功能。移动通信网络系统的优越性为移动性终端提供了动态服务，系统如何识别移动终端的位置信息，并且为其保证正常的通信，成为移动通信的重要特征，这主要是通过位置管理来实现的。位置管理主要负责跟踪、存储、查找和更新移动终端的位置信息，位置区管理主要包括位置区更新和位置寻呼，位置区更新的目的是为了使得网络能实时的获取终端所在的位置，以便网络要对终端进行寻呼时，可以通过网络数据库获得终端最近一次更新的位置区识别码对终端进行精确快速的呼叫[5~7]。位置管理是满足移动终端可以在移动通信系统覆盖的范围内自由移动，不受任何地域限制的前提。位置管理能够使网络跟踪移动终端的位置，是网络为传递呼叫而定位移动终端确定移动终端当前接入点的过程。而这就需要移动终端按照一定的准则向网络报告其位置信息。这一过程就属于移动终端的位置区更新过程。
3静态位置管理
静态位置管理策略是与地面通信系统一样，将卫星点波束固定的划分为若干的位置区，或者将地球站的覆盖区域固定的划分为若干的位置区，或者是两者的结合。都采用的是两层位置数据库结构，即HLR和VLR。HLR存储了所有网络内注册用户的各种信息，包括位置信息。VLR存储所管辖区域中移动终端的来话、去话呼叫所需检索的信息以及用户签约业务和附加业务的信息。基于静态固定的位置区划分，其位置区更新流程如下：（1）终端开机注册，首先向管辖当前LA的VLR0，发起位置区更新请求。（2）VLR0登记终端的位置信息，并发给HLR。（3）HLR登记终端的当前位置信息。（4）终端跨位置区移动，位置区ID发生改变，终端发起位置区更新请求。（5）VLR1登记终端的位置信息，并发给HLR。（6）HLR记录终端位置信息，并指示VLR0删除终端的位置信息。（7）VLR0删除终端的位置信息，表明终端已不在其管辖的位置区之内。由于低轨卫星绕着地球的高速运转，绕地球一周的时间平均约为114分钟，故使得终端的波束覆盖时间很短，以卫星波束划分位置区的方法会造成频繁的位置区更新，这样会使得信令开销大大增加，而以固定的地球站划分的位置区则容易因终端于两个LA之间频繁移动，造成乒乓效应，为了解决上述问题提出了动态位置管理。
4动态位置管理
4.1基于运动的`动态位置管理基于运动的动态位置区管理为根据单个移动终端的运动状态来动态的为终端划定一个位置区更新范围，通常将称运动门限值为M，当终端移动跨越的小区超过门限值M将执行一次位置更新。基于该基础上提出了基于可变位置区的动态位置区管理算法[9]，该算法基于二维六边形多级位置区蜂窝网络结构以及液体流动运动模型假设，先根据用户的呼叫和运动模式来优化运动门限，再确定更新的位置区大小，其优点在于位置区大小的变化频率低，系统不必频繁的切换位置区的级别且可以避免“乒乓效应”。移动终端进行位置区更新后，系统通过终端的运动确定位置区的范围。文献[16]提出了三重运动门限值，三个门限值分别为q、n、m，q为跨越不同位置区的个数，n为跨越不同小区的个数，m为跨越小区的个数。当跨越小区数达到阈值n和m时，执行VLR更新；当跨越小区数达到阈值n和m时，并且跨越的位置区数达到阈值q，则执行VLR和HLR更新。4.2基于时间的动态位置管理与静态位置管理类似，基于时间的动态位置管理也需要设置一个定时器，所不同的是静态位置区管理的定时器的阈值是固定不变的，而基于时间的动态位置管理的定时器阈值在每次触发位置区更新之后，或根据移动终端的移动速度，或根据移动终端的运动状态，或根据移动终端的呼叫到达率等信息，来动态自适应的调整定时器的阈值。文献[8]中提到了根据移动终端的业务状态和呼叫到达率来动态的设置定时器的阈值一种算法，其假设用户的业务为呼叫业务，且服从泊松分布，用λcur表示用户当前时间段的呼叫到达率，λpre为上一时间段的呼叫到达率，由此可得终端的呼叫业务变化率为：便可根据终端的呼叫历史来统计出终端的平均到达率λ。为了避免呼叫到达时过长的无位置更新状态，使得寻呼时间变长，应该保证位置更新率不小于呼叫到达率λ，即强制更新时间周期T应小于或等于终端的平均呼叫间隔时间。故，按照下式计算定时器的时间T即在某一时刻根据历史的呼叫平均到达率，从服从[1/2λ,1/λ]的均匀分布中取一个随机数（rand表示取一个随机数），然后取T为大于ρ的整数作为定时器的更新时间阈值。
5目前存在的问题
（1）固定位置区划分策略是基于绝对地理位置，根据事先设定的位置区大小来划分各个位置区的边界，当用户越过边界时便触发更新，寻呼时根据用户所在的固定位置区来传递寻呼信息。固定位置区策略方案虽然较为简单，用户的更新及寻呼都是根据事先在地理上已经划定的位置区来进行，但容易对在两个位置区之间的来回运动的用户造成“乒乓效应”。且静态位置区管理将用户的各种运动状态，移动速度和呼叫类型与位置区管理隔离开来，对所有的移动用户使用同一的位置区管理策略，在适用性上明显存在不足，不能根据用户的运动状态，移动速度和呼叫类型来动态优化位置区管理开销。（2）基于运动的动态位置管理可能会对大部分时间处于低速运动状态的用户，由于某些时段的高速运动而设置位置区的更新半径过大，用户长时间的无位置区更新；而大部分时间处于高速运动的用户，却因某些时段低速运动而设置的位置区更新半径过小，导致频繁的位置区更新。同样，基于时间的动态位置管理仅仅根据用户的业务类型和呼叫到达率来设置用户的位置区更新半径，这种方式对不同运动速度的用户适应性不够强，可能会导致低速用户在计时器时间段内频繁的进行位置区更新，而高速用户频繁越区后不能及时的进行位置区更新，从而增加寻呼开销。
6下一步研究方向
（1）采用动态位置区管理的策略，针对单个用户的移动速度、运动状态、呼叫到达率等因素，避免静态位置区管理对不同用户的适应性低，灵活性差的缺点，并且避免处于位置区边缘的移动用户在两个位置区之间频繁切换造成的“乒乓效应”。在确保寻呼到达率的前提下，尽可能的减小移动终端由于自身的自由移动性在位置区之间跨越时，进行位置区绑定更新的信令开销，节省网络信令资源，减轻系统的负荷。（2）针对移动用户的移动速度、运动状态、呼叫到达率等特点，结合时间与运动的动态位置管理策略，解决基于运动的动态位置算法下的大部分时间处于低速运动状态的用户，由于某些时段的高速运动而设置位置区的更新半径过大，用户长时间的无位置区更新；而大部分时间处于高速运动的用户，却因某些时段低速运动而设置的位置区更新半径过小，导致频繁的位置区更新。以及基于时间的动态位置管理算法下可能会导致低速用户在计时器时间段内频繁的进行位置区更新，而高速用户频繁越区后不能及时的进行位置区更新，从而增加寻呼开销的问题。
7总结
卫星通信系统是未来个人通信重要组成部分，而移动性管理技术又是其中不可或缺的部分。本文重点介绍了卫星通信系统中的动态位置管理，基于时间、运动的动态位置管理相较静态位置管理，在节省信令开销，优化网络资源方面更具有优势。针对目前动态位置管理存在的问题，未来可基于各种运动模型，以及个人呼叫业务等因素方面，对动态位置管理策略进行优化，减小网络开销，提高网络的系统性能。
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