第1章 绪  论

随着通信技术的飞速发展，移动通信网络正在朝着宽带移动化、接入多样化、网络融合化发展。用户希望能通过便携终端进行随时随地的语音通话、网页浏览、多媒体业务宽带连接，这些连接请求不仅局限在城区等人口密集区域，而是扩展到高空、海洋、沙漠、乡村等人口稀疏区域。卫星通信网络具有通信距离远、不受地表环境限制、组网灵活且支持全球无缝覆盖等一系列优势，能够提高通信的广度，为地面移动网络提供覆盖分集增益，将是未来移动通信网络的重要组成部分[1-4]。 然而，卫星通信依赖于视距（LOS, Line of Sight）连接，在有遮挡的环境下如市区、室内，卫星信号将会大幅衰减，且存在长延时、链路不稳定、传输带宽小、传输功率大等缺陷，在地面网络覆盖区无法提供有竞争力的服务，长期以来一直是作为地面网络的补充，提供壁龛业务[5]。为了克服这些缺点，移动卫星网络（MSS, Mobile Satellite System）希望能够利用地面网络有效解决卫星信号在高楼林立的城市以及室内覆盖性不佳的问题，提高移动卫星通信频段的利用率[6]。 同时，随着移动数据流量的爆炸性增长，移动网络面临着高带宽需求的挑战。预计到 2015 年，移动数据流量将为 2010 年的 26 倍，达到 6.3 EB（艾字节 Exabytes，百亿亿字节），增长的速度远高于目前地面移动网络容量的增幅[7]，二者之间存在着严重的不匹配[8,  9]。

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第2章 星地一体化网络架构及覆盖分析

2.1 引言

星地一体化网络中，地面网络由移动卫星网络管理，二者互为延伸，充分互补。本章给出星地一体化网络的网络架构，并对无线资源管理方法的关键技术进行论述与分析。 分层干扰将影响到系统频谱效率的提升，而频谱效率的优化又与能量效率息息相关，需要对星地一体化网络的分层干扰进行研究，分析系统性能参数的优化；移动卫星网络资源受限，相对地面网络所能容纳的用户数有限，提出公平的非对称 QoS 映射方法，利用多媒体业务的带宽自适应特性实现接入用户数的增益；无缝的垂直切换依赖于合理的垂直切换框架，需要为卫星接口增加垂直切换支持，以通用的方式在地面网络与移动卫星网络之间收集与统计信息。 本章在绪论的基础上，对上述内容进行详细的阐述和分析，为后续三章相关算法及策略的研究提供相应的理论基础和技术支撑。

2.2 网络架构

地面网络为在 MSS 频段部署的 ATC 蜂窝网络，基于 LTE 无线标准部署，能够为室内或视距遮挡的地区提供通信服务。考虑到地面不断增长的业务需求，与地面网络类似，ATC 的部署也将采用 HetNet 架构。在本文中，对 ATC与地面网络将不加以区分。 相对于 MSS，地面网络具有如下的优势：（1）低成本：地面网络能够在市区的高密度人口区提供低成本的覆盖；（2）高频率复用：在 LTE 中，频率复用因子为 1；（3）更好的覆盖：与 MSS 不同，地面通信系统不需要视距 LOS来建立通信连接，因此能够在市区以及热点区域提供更好的信号质量。无线资源管理 RRM 的功能主要集中在网络协议层的数据链路层 DDL 实现。在数据传输时，各网络的空中接口使用其各自的无线链路协议栈，由协议栈对空中接口的数据传输进行管理。RRM 功能实体可整体放置于基站/接入点/卫星中，也可放在基站/接入点/卫星与 NCC 之间。RRM 功能实体与数据链路层 DLL 协议栈对应的位置关系如图 2-2 所示。

第 3 章  能量高效的分层干扰管理 ........................39

3.1  引言 ....................................................39

3.2  分层干扰分析 .............................................................39

第 4 章  基于队列调度与资源预留的接入控制 ................................ 60

4.1  引言 ............................... 60

4.2  呼叫接入控制场景 .......................... 60

4.3  接入选择 ...................................................... 62

4.4  多服务队列 MSQS 接入调度 ................................. 62

第 5 章  多阈值触发的快速垂直切换判决 .......................... 81

5.1  引言 ................................. 81

5.2  垂直切换架构与流程 ............................. 81

第5章 多阈值触发的快速垂直切换判决

5.1 引言

星地一体化网络设计的初衷是实现无缝透明的覆盖，用户在星地一体化网络的不同覆盖区都能享受同样质量的服务，而不用知道其在哪一个网络[34]，这就依赖于无缝的垂直切换技术。垂直切换包括网络发现、切换触发与切换判决、切换执行等步骤。其中，切换触发与切换判决是实现无缝垂直切换的关键，用于决定是否切换以及切换到哪个网络。文献[110]根据用c参数收集、计算、排序等过程将产生较长的判决时延，无法满足星地一体化网络对快速垂直切换的要求。

5.2 垂直切换架构与流程

垂直切换触发（包括移动性及覆盖预测）：根据用户状态与可用网络状况，选择是否触发切换，并确定候选网络。在星地一体化网络中，若用户运动速率较高，在蜂窝小区边缘滞留的时间将非常短暂，此时切换到地面网络将有可能导致切换掉话以及导致不必要切换。针对此问题，TRVH 引入多阈值来控制地面网络的切换。通过对小区覆盖、用户移动性及信道占用时间进行预测，与系统切换相关参数计算得到相应的触发阈值来判定是否触发切换，从而避免不必要以及有可能失败的切换所带来的用户服务质量降低以及资源浪费； 垂直切换判决与执行：根据用户的候选网络列表，查询网络信用值，确定目标切换网络。区别于传统的多属性切换判决策略，TRVH 利用信用进行切换判决的特点在于，通过计算用户接收到的 QoS 指标并与 QoS 满意度阈值对比得到用户对网络的评价，建立有记忆性的信用体系，作为后续切换判决的参考，实现快速的切换判决。

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结   论

本论文深入分析了星地一体化网络的国内外最新进展和无线资源管理方法，得到了星地一体化网络分层干扰管理、接入控制、垂直切换等无线资源管理方法的思路和流程，为我国建设星地一体化网络提供了积累，完成了若干工作与研究成果。本文的主要贡献可归纳为：

（1）针对星地一体化网络卫星波束小区与地面宏/微小区间的分层干扰，提出了能量高效的分层干扰管理策略 IC-LC，在卫星波束小区与地面蜂窝小区间复用 MSS 频段，并利用矩阵带状化算法 MR 进行波束赋形，利用流功率分配算法 SPA 将凸优化问题转换为归一化调整的注水算法进行天线发射功率分配与协调；建立了模块化的能耗模型，对干扰协调运算复杂度产生的处理能耗进行计算。

（2）针对星地一体化网络接入控制面临的新呼叫、垂直切换呼叫、水平切换呼叫的优先调度与接入问题，提出了一种基于队列调度与资源预留的联合接入控制策略 N-RP，减少了由于系统资源调配不均所导致的呼叫阻塞以及网络资源浪费。建立了多服务队列调度模型，提出带 N-策略的非强占优先排队准则，对到达的呼叫在 N-限制下按照优先级进行调度；构建了动态的资源预留池，基于波束小区的准可逆性，利用呼叫切换概率确定预留池大小，对垂直切换与水平切换呼叫进行准入控制。

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参考文献（略）