一種自組織VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)*

何治平，李際平，楊伏華，吳團(tuán)峰

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院,江蘇省，南京市，210007)

一種自組織VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)*

何治平，李際平，楊伏華，吳團(tuán)峰

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院,江蘇省，南京市，210007)

針對(duì)傳輸話音業(yè)務(wù)的小型VSAT網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提出了一種基于FDMA/SCPC的無(wú)主站自組網(wǎng)方法。在該方法中，網(wǎng)內(nèi)各站點(diǎn)能力相同、全網(wǎng)狀連接，共享業(yè)務(wù)信道頻率資源。站點(diǎn)通過(guò)掃描業(yè)務(wù)信道獲取頻點(diǎn)實(shí)時(shí)忙閑信息。當(dāng)需要通信時(shí)，站點(diǎn)通過(guò)自發(fā)自收測(cè)試占用空閑信道，并發(fā)起通信申請(qǐng)。介紹了這種自組網(wǎng)方法的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、頻率配置和通信過(guò)程，并通過(guò)Matlab仿真對(duì)網(wǎng)絡(luò)的呼損率、信道利用率等性能指標(biāo)進(jìn)行了分析。

VSAT; 自組網(wǎng); 衛(wèi)星通信

0 引 言

VSAT系統(tǒng)體積小、價(jià)格低、使用方便且發(fā)展迅速，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)主要有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信號(hào)傳輸、多址連接、信道分配等[1]。當(dāng)前，包括VSAT在內(nèi)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一般包括主站、遠(yuǎn)端站和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器[2]，設(shè)立主站的目的在于通過(guò)主站實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理和控制。但是這種包含主站的網(wǎng)絡(luò)存在一些不足：在穩(wěn)定性或抗毀性上，這種網(wǎng)絡(luò)對(duì)主站依賴(lài)較強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)不夠靈活，一旦主站發(fā)生故障或者被摧毀，則全網(wǎng)面臨癱瘓；在經(jīng)濟(jì)型上，針對(duì)一些站點(diǎn)數(shù)較少的網(wǎng)絡(luò)，如果能省去主站，通過(guò)VSAT站點(diǎn)的自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)基本的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通要求，會(huì)比較經(jīng)濟(jì)。

自組織網(wǎng)絡(luò)，也稱(chēng)為無(wú)中心組網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)不設(shè)主站，全網(wǎng)狀連接。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)此內(nèi)容研究較少，投入使用的自組織衛(wèi)星通信系統(tǒng)只有前蘇聯(lián)研發(fā)的SPADE系統(tǒng)[3]，文獻(xiàn)[4]介紹了一種基于SCPC-TDMA的衛(wèi)星地面站的無(wú)中心組網(wǎng)方法。以上兩種方法都需要全網(wǎng)同步，對(duì)設(shè)備要求高，并且建立通信、申請(qǐng)占用頻率較為繁瑣。本文提出了一種基于FDMA/SCPC、針對(duì)傳輸話音業(yè)務(wù)、站點(diǎn)數(shù)較少的小型VSAT網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)方法，站點(diǎn)通過(guò)掃描和發(fā)收占用信道，對(duì)設(shè)備要求低，通信過(guò)程簡(jiǎn)便。

1 提出一種自組織形式的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)

1.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

基本條件：采取自組織形式，網(wǎng)內(nèi)不設(shè)主站，站點(diǎn)能力基本相同，全網(wǎng)狀鏈接，數(shù)量不超過(guò)100個(gè)。傳輸話音業(yè)務(wù)。考慮到FDMA設(shè)備簡(jiǎn)單、無(wú)需全網(wǎng)同步，SCPC適合輕路由[5]， 多址方式采用FDMA/SCPC。

圖1 VSAT通信系統(tǒng)構(gòu)成圖

信道劃分及配置：全網(wǎng)設(shè)一條公共信令信道CSC和若干對(duì)業(yè)務(wù)信道。CSC信道采用ALOHA方式，各站點(diǎn)通過(guò)CSC以ALOHA爭(zhēng)用的方式發(fā)送通信申請(qǐng)，并且保持監(jiān)聽(tīng)CSC的下行信道，若收聽(tīng)到轉(zhuǎn)發(fā)的申請(qǐng)信息，證明申請(qǐng)信息發(fā)送成功。業(yè)務(wù)信道根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器資源等量劃分(即各信道帶寬相同)，并且仿照SPADE方式[1]，等間隔配置，劃分為高端和低端兩個(gè)通道群組，各組內(nèi)的信道成對(duì)兒對(duì)應(yīng)，這樣做的目的在于分配或者占用信道時(shí)，只需從一個(gè)群組確定一條信道即可，則另一個(gè)群組與之對(duì)應(yīng)的信道也隨之確定。如圖2所示。

圖2 頻率配置圖

1.2 通信過(guò)程

該組網(wǎng)方法中，通信過(guò)程建立在站點(diǎn)對(duì)業(yè)務(wù)信道的掃描占用。具體的說(shuō)，就是站點(diǎn)入網(wǎng)之后，便對(duì)所有業(yè)務(wù)信道進(jìn)行不間斷掃描，實(shí)時(shí)獲取信道忙閑信息。當(dāng)站點(diǎn)有通信需求時(shí)，根據(jù)掃描獲取的實(shí)時(shí)信道忙閑信息，如果存在空閑信道的話，則該站點(diǎn)通過(guò)自發(fā)自收的方式占用空閑業(yè)務(wù)信道(注意：此時(shí)站點(diǎn)只需要在業(yè)務(wù)信道的一個(gè)通道組中占用一個(gè)頻點(diǎn)，則另一個(gè)通道組中對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)也隨之確定)，并同時(shí)發(fā)起通信請(qǐng)求。當(dāng)通信結(jié)束或者建立通信失敗后，站點(diǎn)放棄對(duì)信道的占用，重新回歸掃描狀態(tài)。通信過(guò)程如下：

通信申請(qǐng)：

(1)當(dāng)某站(記為A站)需要與某站(記為B站)通信時(shí)，A站首先根據(jù)掃描獲取的實(shí)時(shí)信道忙閑信息，若此時(shí)沒(méi)有空閑信道，則通信過(guò)程終止；若存在空閑信道，則A站通過(guò)自發(fā)自收的方式占用空閑業(yè)務(wù)信道；

(2)于此同時(shí)，A站通過(guò)CSC以ALOHA方式發(fā)送申請(qǐng)通信的信息。需要注意的是，該申請(qǐng)包含兩方面信息：一是與B站通信的通信請(qǐng)求，另一個(gè)是A站已經(jīng)占用的業(yè)務(wù)信道的頻點(diǎn)信息。

通信建立：

(1)當(dāng)A站發(fā)送通信請(qǐng)求之后，監(jiān)聽(tīng)CSC的下行信道，若收到經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)的申請(qǐng)信息，則證明申請(qǐng)信息發(fā)送成功。因?yàn)樗姓军c(diǎn)都在監(jiān)聽(tīng)CSC下行信道，并且各站點(diǎn)能力相同，所以當(dāng)A站收聽(tīng)到轉(zhuǎn)發(fā)的申請(qǐng)信息之后，可以認(rèn)為被叫站B站也收聽(tīng)到了該信息；

(2)此時(shí)，如果B站可以應(yīng)答A站，則B站通過(guò)A站申請(qǐng)信息中告知的業(yè)務(wù)信道頻點(diǎn)，直接通過(guò)業(yè)務(wù)信道回應(yīng)A站，并隨之進(jìn)行導(dǎo)通測(cè)試和通信。如果A站在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間等待之后(可以設(shè)置為300 ms,略長(zhǎng)于衛(wèi)星“一跳”的時(shí)間)，沒(méi)有從業(yè)務(wù)信道收到B站的應(yīng)答，則認(rèn)為B站正在通信或者不在網(wǎng)內(nèi)，此時(shí)A站馬上終止此次通信，放棄對(duì)業(yè)務(wù)信道的占用，重新回歸掃描信道的狀態(tài)；

通信結(jié)束：

當(dāng)A站與B站通信結(jié)束之后，站點(diǎn)放棄對(duì)業(yè)務(wù)信道的占用，回歸掃描信道的狀態(tài)。當(dāng)有下次通信需求時(shí)，重新按照上述步驟進(jìn)行。通信過(guò)程如圖3所示。

圖3 通信流程圖

2 該組網(wǎng)方法的特點(diǎn)及性能

2.1 組網(wǎng)特點(diǎn)

2.1.1 信令信道CSC負(fù)擔(dān)輕

該辦法通過(guò)掃描業(yè)務(wù)信道獲取實(shí)時(shí)忙閑情況。在需要通信時(shí)根據(jù)掃描結(jié)果：如果此時(shí)沒(méi)有空閑信道，則終止通信申請(qǐng)，不會(huì)產(chǎn)生呼損；如果有空閑信道，主叫站擇機(jī)占用一對(duì)空閑頻點(diǎn)并發(fā)起申請(qǐng)。

相比于SPADE方式[3]：主叫站申請(qǐng)通信前首先查看頻率忙閑表，選出空閑頻率并發(fā)送申請(qǐng)，被叫站如果與主叫站通信，必須要通過(guò)CSC回應(yīng)，此時(shí)網(wǎng)內(nèi)各站點(diǎn)根據(jù)該信息修改頻率忙閑表。當(dāng)兩個(gè)站點(diǎn)通信結(jié)束之后，還要再次通過(guò)CSC告知全網(wǎng)通信結(jié)束，使用的業(yè)務(wù)信道回歸空閑狀態(tài)，全網(wǎng)再次更改頻率忙閑表。SPADE方式在CSC上采用的是TDMA方式，而本文的組網(wǎng)辦法中，CSC信道采用了ALOHA方式。因此，通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)信道的掃描占用，網(wǎng)內(nèi)各站點(diǎn)無(wú)需通過(guò)CSC信道獲取頻率忙閑變化情況，有效地減輕了CSC信道上的負(fù)擔(dān)，一定程度上避免了ALOHA方式因業(yè)務(wù)量增加造成穩(wěn)定性下降的缺陷。

2.1.2 有效管理業(yè)務(wù)信道

有效管理主要體現(xiàn)在避免呼叫過(guò)程中業(yè)務(wù)信道的“鎖死”或長(zhǎng)時(shí)無(wú)效占用。當(dāng)主叫站發(fā)出與被叫站通信的申請(qǐng)信息后，因?yàn)槿W(wǎng)都在監(jiān)聽(tīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)的信令信息，若該信息未經(jīng)碰撞或經(jīng)過(guò)有限次碰撞，成功通過(guò)CSC被轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)A站監(jiān)聽(tīng)到轉(zhuǎn)發(fā)信息之后，因各站能力基本相同，則可以認(rèn)為此時(shí)被叫站(記為B站)也應(yīng)收到此信息。此時(shí)A站在等待一段時(shí)間(比一跳略長(zhǎng)即可，如300 ms)后，未收到B站從業(yè)務(wù)信道的回應(yīng)，便可認(rèn)為B站正在通信或者不在網(wǎng)，此次通信無(wú)法建立，A站隨即撤出對(duì)業(yè)務(wù)信道的占用。此方法避免了信道鎖死或長(zhǎng)時(shí)的無(wú)效占用，提高了效率。

2.2 網(wǎng)絡(luò)性能分析

首先考慮網(wǎng)絡(luò)呼損率。根據(jù)本文提出的組網(wǎng)辦法，網(wǎng)內(nèi)呼損點(diǎn)有兩個(gè)：一是站點(diǎn)因SCPC通道數(shù)有限造成的呼損；二是ALOHA信道因碰撞和誤碼引起的呼損。因?yàn)楹笳吲c網(wǎng)內(nèi)話務(wù)量無(wú)關(guān)，所以只考慮站點(diǎn)的呼損，目的在于找出話務(wù)量與呼損之間的關(guān)系，進(jìn)而將呼損率與網(wǎng)絡(luò)的通道效率聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行分析。

假定系統(tǒng)符合歐蘭—B公式的條件，根據(jù)歐蘭—B公式：

(1)

Ai為網(wǎng)內(nèi)某站點(diǎn)的話務(wù)量，Up為站點(diǎn)配置的SCPC通道數(shù)。

接下來(lái)考慮網(wǎng)絡(luò)的通道效率。全網(wǎng)站點(diǎn)總數(shù)為N，全網(wǎng)配置的雙向話音信道數(shù)為Ns，全網(wǎng)總話務(wù)量為A，則：

(2)

因?yàn)楦髡军c(diǎn)能力相同，可認(rèn)為站點(diǎn)話務(wù)量也相同，所以：

(3)

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 站點(diǎn)數(shù)N與雙向話音信道數(shù)Ns關(guān)系

作為一種組網(wǎng)辦法，重點(diǎn)是給出諸如呼損率、通道利用率等性能指標(biāo)，一定數(shù)量的站點(diǎn)應(yīng)該配置多少條雙向衛(wèi)星話音信道。

取Up=4,B=0.03,

令η=0.6,0.8,1.0,1.5,2.0(e/ch),編寫(xiě)Matlab仿真程序，網(wǎng)內(nèi)站點(diǎn)數(shù)量N為20-100。由下圖4仿真結(jié)果可知，當(dāng)站點(diǎn)呼損率B給定的時(shí)候，通道效率η越高，站點(diǎn)數(shù)量N相同的網(wǎng)絡(luò)所需要的雙向衛(wèi)星信道數(shù)Ns越少。

圖4 N 與 Ns的關(guān)系

取Up=4,η=1.0(e/ch),

令B=0.003,0.01,0.03,0.05,編寫(xiě)Matlab仿真程序，網(wǎng)內(nèi)站點(diǎn)數(shù)量N為20-100。由圖5仿真結(jié)果可知，當(dāng)通道效率η給定時(shí)，站點(diǎn)呼損率B越低，站點(diǎn)數(shù)量N相同的網(wǎng)絡(luò)所需要的雙向衛(wèi)星信道數(shù)Ns越少。

圖5 N 與 Ns的關(guān)系

3.2 呼損率B與通道效率η的關(guān)系

當(dāng)話務(wù)量A增大的時(shí)候，呼損率B與通道效率η都增大，總是希望控制呼損率在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)，同時(shí)盡可能提高通道效率。

取UP=4 ,由上一步的結(jié)果，當(dāng)站點(diǎn)數(shù)N為100時(shí)，配置的雙向話音信道數(shù)Ns=40,50,60,70,80, 編寫(xiě)Matlab仿真程序，站點(diǎn)話務(wù)量Ai取值為0.6-2.0e。

由下圖6仿真結(jié)果可知，對(duì)于站點(diǎn)數(shù)量N給定的網(wǎng)絡(luò)，①在相等通道效率η條件下，配置的雙向話音信道數(shù)Ns越大，呼損率B越大。②在相等呼損率B條件下，配置的雙向話音信道數(shù)Ns越大，通道效率η越低。

圖6 B 與 η的關(guān)系

[1] 葛慧娟.軍用VSAT網(wǎng)絡(luò)管理研究及設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué):西安電子科技大學(xué)，2008. GE Hui-juan. Research and Design of Military VSAT Network Management[d]. Xidian University: Xidian University,2008.

[2] 方華,丁科，續(xù)欣等.SCPC/DAMA 衛(wèi)星地球站軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù):2010 年第12期，第43卷:26-28. FANG Hua, DING Ke, XU Xin，et al.Software Design and Implementation of SCPC/DAMA Satellite Communication Station.Communications Technology: Vol.43 No.12, 2010: 26-28.

[3] 呂海寰,蔡劍銘，甘仲民等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，1993：P568-576. LV Hai-huan，CAI Jian-ming,GAN Zhong-min, et al.Satellite Communication System[M],BeiJing:People′s Posts and Telecommunications Press,1993: P568-576.

[4] 李娟麗.SCPC一TDMA衛(wèi)星地面站組網(wǎng)方法的研究及其在Linux系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué):北京郵電大學(xué)，2011. LI Juan-li.Research on the Method of Ground Station Network for SCPC TDMA Satellite Groundstation and Its Implementation in Linux System[D]. Beijing University of Posts and Telecommunications: Beijing University of Posts and Telecommunications,2011.

A Self-Organizing VSAT Network System

HE Zhi-ping，LI Ji-ping，YANG Fu-hua，WU Tuan-feng

(College of Communication Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China)

Aiming at the small VSAT network system for voice-transmission service,a new self-organizing network based on FDMA/SCPC is proposed. In this method, every site is almost equal in capacity, the network in full mesh connection, and the frequency resource of business channel shared by all sites. Each site acquires the real-time information of frequency points through scanning business channel. When communication is required, the site occupies the idle channel by a self- sending and self-receiving test and launches a communication application. The network structure, frequency allocation, and communication process of the self-organizing network are described, and performance index of the network, including call-loss rate, channel utilization, is also analyzed through Matlab simulation.

VSAT; self-organizing network; satellite communication

2015-04-01；

2015-07-25 Received date:2015-04-01；Revised date：2015-07-25

TN927+.2

A

1002-0802(2015)09-1058-04

何治平(1988—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信；

李際平(1962—)，男，教授，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信；

楊伏華(1972—)，男，副教授，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信；

吳團(tuán)峰(1977—)，男，講師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.09.015