TDMA微波系統(tǒng)的一種自動(dòng)時(shí)延調(diào)整技術(shù)

肖振鵬，鄭宜忠，黃桂樹(shù)

(1.吉林省高速公路管理局，吉林長(zhǎng)春 130022;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

較早時(shí)期，微波通信又被理解為微波接力通信，即一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的干線(xiàn)接力傳輸。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信需求的增加，微波通信技術(shù)也有了較大發(fā)展，比如實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)雙向通信，即多址通信技術(shù)。

微波多址通信技術(shù)中，考慮設(shè)備成本，使用效率等因素，大多采用時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)，本文從使用和實(shí)際設(shè)計(jì)出發(fā)，簡(jiǎn)要分析了3種常用多址技術(shù)的特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)例，介紹了1種TDMA微波通信的時(shí)延調(diào)整技術(shù)，通過(guò)各外圍站和中心站在正式通信前的幀定位信息溝通，計(jì)算并確定適時(shí)傳輸時(shí)延，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)時(shí)延調(diào)整。

1 多址技術(shù)與TDMA微波通信

簡(jiǎn)而言之，多址通信技術(shù)就是根據(jù)信號(hào)分割原理，把頻率資源以頻帶、時(shí)間、空間和碼型等參數(shù)，分成相互正交或準(zhǔn)正交的子空間，即信道。再把這些信道以適當(dāng)?shù)姆绞椒峙浣o那些需要通信的各個(gè)地點(diǎn)的用戶(hù)，就實(shí)現(xiàn)了多址通信。常見(jiàn)的分配方式有按需分配、預(yù)分配和自適應(yīng)分配等。

基本的多址通信方式有3種:即頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)。頻分多址技術(shù)是以不同的頻率信道而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的分配，碼分多址技術(shù)是以不同的代碼序列實(shí)現(xiàn)多址通信，而時(shí)分多址是以不同的時(shí)隙分配來(lái)實(shí)現(xiàn)多址通信。本文介紹的TDMA微波傳輸系統(tǒng)，就是基于時(shí)分多址技術(shù)的多址通信系統(tǒng)，是一種實(shí)現(xiàn)共享傳輸介質(zhì)或網(wǎng)絡(luò)的通行技術(shù)。它把時(shí)間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙，通過(guò)介質(zhì)或者網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號(hào)。在滿(mǎn)足定時(shí)和同步的條件下，接收方可以分別在各個(gè)時(shí)隙中接收到對(duì)應(yīng)的信號(hào)而不混擾。時(shí)分多址技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是頻譜利用率高，與頻分多址相比，可以有多用戶(hù)使用同一信道，且用戶(hù)傳輸速率變化比較靈活。與碼分多址相比，又有技術(shù)難度和設(shè)備復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)，是無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)中較常用也很實(shí)用的多址通信技術(shù)。

TDMA微波通信系統(tǒng)，一般由一個(gè)中心站和多個(gè)外圍站組成，各外圍站相對(duì)中心站距離遠(yuǎn)近不同，點(diǎn)對(duì)3點(diǎn)系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 時(shí)延的計(jì)算方法

傳輸時(shí)延是指一個(gè)站點(diǎn)從開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)幀到數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢所需要的全部時(shí)間，也可說(shuō)是接收站點(diǎn)接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀的全部時(shí)間。

信號(hào)從發(fā)射端經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)竭_(dá)接收端以后，會(huì)有時(shí)間上的延遲。引起的原因有以下幾種:①由于基帶和調(diào)制解調(diào)的處理過(guò)程，會(huì)對(duì)信息產(chǎn)生一定的延遲，該延遲只與處理電路有關(guān)，在確定處理電路后，其數(shù)值是固定的;②微波遠(yuǎn)距離傳輸，同樣會(huì)給信號(hào)帶來(lái)延遲，這個(gè)延遲會(huì)根據(jù)傳輸距離的變化而發(fā)生變化。

微波遠(yuǎn)距離傳播時(shí)延計(jì)算公式:

式中，c為真空光速3×108m/s;

d為無(wú)線(xiàn)傳輸距離。

傳輸時(shí)延調(diào)整bit計(jì)算公式:

式中，v為微波通信設(shè)備傳輸信號(hào)的群路信息速率。

按上述計(jì)算方法，假設(shè)微波傳輸距離最大為30 km，則微波雙向傳播時(shí)延為20 ms;傳輸信號(hào)的群路速率為2560 kb/s，則微波傳輸時(shí)延調(diào)整bit則達(dá)到512 bit。而數(shù)字電路處理過(guò)程傳輸時(shí)延為10 bit，則總的時(shí)延調(diào)整bit為522 bit。

3 時(shí)延調(diào)整

由于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信系統(tǒng)各外圍站與中心站通信距離遠(yuǎn)近各不相同，系統(tǒng)要求各個(gè)外圍站根據(jù)自己與中心站通信距離的遠(yuǎn)近，設(shè)定向中心站發(fā)送信號(hào)時(shí)刻，從而保證信號(hào)能夠“準(zhǔn)時(shí)”的到達(dá)中心站。

TDMA模式的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，必須采取措施保證各外圍站上報(bào)數(shù)據(jù)信號(hào)在中心站各個(gè)接收時(shí)隙中不混擾?，F(xiàn)有保證措施有2種:一是在傳輸時(shí)隙中預(yù)留距離保護(hù)比特，這種方法會(huì)增加傳輸冗余度，增加設(shè)備傳輸帶寬;另一種是進(jìn)行時(shí)延調(diào)整，通過(guò)提前預(yù)設(shè)時(shí)延調(diào)整值，減少距離保護(hù)比特，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。上下行幀收發(fā)對(duì)應(yīng)關(guān)系和時(shí)延調(diào)整示意圖如圖2所示。

圖2 上下行幀收發(fā)對(duì)應(yīng)關(guān)系和時(shí)延調(diào)整示意圖

時(shí)延調(diào)整就是用于抵消收發(fā)數(shù)字處理的固定時(shí)延和遠(yuǎn)距離通信帶來(lái)的傳輸時(shí)延。通常的時(shí)延調(diào)整方法有人工設(shè)置和自動(dòng)調(diào)整2種方法。人工設(shè)置方法就是人工計(jì)算，通過(guò)設(shè)備監(jiān)控操作，直接輸入時(shí)延調(diào)整值，外圍站根據(jù)輸入值進(jìn)行時(shí)延調(diào)整;自動(dòng)調(diào)整方法為外圍站上傳管理幀，中心站根據(jù)各個(gè)外圍站上報(bào)管理幀起始位置和本地接收管理幀起始位置，自動(dòng)計(jì)算時(shí)延調(diào)整值，再通過(guò)下行管理信息以廣播方式發(fā)送給各個(gè)外圍站，外圍站根據(jù)接收到的時(shí)延調(diào)整值自動(dòng)進(jìn)行時(shí)延調(diào)整，上報(bào)數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)延自動(dòng)調(diào)整。自動(dòng)時(shí)延調(diào)整所帶來(lái)的好處就是更方便、更快捷、更準(zhǔn)確。

4 TDMA幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，上下行幀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣給幀結(jié)構(gòu)的管理帶來(lái)了很大的好處。因此，上行幀結(jié)構(gòu)需要依據(jù)下行幀結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行定位。這要求外圍站只有在接收到中心站信號(hào)并完成下行幀同步以后，才可以根據(jù)給自己分配的時(shí)隙，向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)考慮管理信道，用于外圍站的動(dòng)態(tài)注冊(cè)和管理信息的下發(fā)、上報(bào)。

TDMA無(wú)線(xiàn)群路幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 TDMA無(wú)線(xiàn)群路幀結(jié)構(gòu)

基本突發(fā)幀幀長(zhǎng)為 5120 bits，群路速率2560 kHz，突發(fā)幀幀頻 0.5 kHz。

①CP表示換頻關(guān)功放及多址保護(hù)時(shí)隙，共144 bits，持續(xù) 56 μs;

②QD表示解調(diào)同步時(shí)隙，共32 bits;

③BIT表示解調(diào)保護(hù)時(shí)隙，共32 bits;

④H表示下行突發(fā)幀幀頭，共16 bits;

⑤UH表示上行突發(fā)幀幀頭，共32 bits;

⑥數(shù)據(jù)時(shí)隙共4096 bits;

⑦FEC為前向糾錯(cuò)的監(jiān)督位;

⑧Dis表示多址保護(hù)時(shí)隙;

⑨MN為中心站下發(fā)時(shí)延調(diào)整數(shù)值，共48 bits。

5 自動(dòng)時(shí)延調(diào)整的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)時(shí)延調(diào)整是通信設(shè)備自動(dòng)、實(shí)時(shí)地測(cè)量出外圍站到中心站的通信時(shí)延，并根據(jù)時(shí)延數(shù)值自動(dòng)調(diào)整外圍站的時(shí)延參數(shù)。自動(dòng)時(shí)延調(diào)整測(cè)量得到的是通信信號(hào)的實(shí)際時(shí)延值，因而，也是非常準(zhǔn)確的。

首先外圍站開(kāi)機(jī)后，根據(jù)接收到的中心站幀定位信息上傳管理幀，該管理幀進(jìn)行時(shí)延保護(hù)，不進(jìn)行時(shí)延調(diào)整，利用管理幀幀定位信息，向中心站發(fā)送時(shí)延定位信號(hào)。中心站根據(jù)得到的外圍站上傳管理幀幀定位信號(hào)到達(dá)刻，與中心站發(fā)送幀定位時(shí)刻進(jìn)行比較，通過(guò)計(jì)數(shù)器記出delay的值，即可得到時(shí)延調(diào)整值，如圖4所示。

圖4 時(shí)延調(diào)整值的計(jì)算

考慮在信道存在誤碼時(shí)，由于上行幀存在虛警概率，中心站單次測(cè)出的時(shí)延調(diào)整值并不準(zhǔn)確，需要多次測(cè)量。在信道誤碼率為pe=1×10-2時(shí)，中心站連續(xù)測(cè)5次，測(cè)出外圍站的時(shí)延值，其中3次相同時(shí)的概率為:

此時(shí)可以較好地保證時(shí)延調(diào)整值的正確性。

中心站測(cè)量出該外圍站的時(shí)延數(shù)調(diào)整值后，將該數(shù)值通過(guò)管理信道發(fā)往外圍站;外圍站收到時(shí)延參數(shù)后，按照此參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，完成初始時(shí)延參數(shù)設(shè)置后，外圍站才開(kāi)始進(jìn)行正常數(shù)據(jù)通信。在以后的通信過(guò)程中，如果外圍站位置發(fā)生變化，中心站還必須實(shí)時(shí)地測(cè)量外圍站的時(shí)延數(shù)值變化，并通知外圍站。

6 結(jié)束語(yǔ)

時(shí)延調(diào)整作為T(mén)DMA微波通信系統(tǒng)必須具備的基本技術(shù)，與信道時(shí)延保護(hù)相比，自動(dòng)時(shí)延調(diào)整的實(shí)現(xiàn)可以減少信道傳輸帶寬的冗余，提高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸效率。

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