MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道分配研究

王書杰

【摘要】 隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，其在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，通過不同多址方式的相互結(jié)合，產(chǎn)生了具有代表性的跳頻時(shí)分多址MF-TDMA，本文首先介紹了MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的網(wǎng)絡(luò)組成，然后對(duì)其組網(wǎng)工作原理進(jìn)行了闡述，最后重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)的信道分配算法，從時(shí)隙申請(qǐng)與分配，跳頻工作方式的選擇兩方面進(jìn)行優(yōu)化分配，以提高信道的使用效率。

【關(guān)鍵詞】 衛(wèi)星通信 MF-TDMA 信道 時(shí)隙

一、引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的多址方式有頻分多址（FDMA） 、時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）等，隨著技術(shù)的發(fā)展，各種不同的多址方式相互結(jié)合，形成混合多址調(diào)制方式，其中最具有代表性的是跳頻時(shí)分多址MF-TDMA （Multi-Frequency Time-Division Multiple Address） [1]，此系統(tǒng)很好的將FDMA和TDMA合二為一，從頻域和時(shí)域二維空間對(duì)衛(wèi)星資源進(jìn)行分配，首先采用FDMA方式將信道分割成頻率不同的若干路載波，然后再在每一路載波上使用TDMA的方式分割成若干時(shí)隙，以便用戶可以在指定的時(shí)隙內(nèi)使用指定的載波頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，這就為組網(wǎng)通信帶來(lái)了極大的便利，很容易組建星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的組網(wǎng)通信，可廣泛應(yīng)用于軍事、氣象、電信、教育、人防、交通、廣電等行業(yè)。

二、系統(tǒng)組成

MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)由主站（含備份主站）和分布在各地的若干遠(yuǎn)端站構(gòu)成，他們之間通過不同的載波和時(shí)隙實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)、控制等信息的交互。

2.1主站

主要設(shè)備包括衛(wèi)星天線、ODU、TDMA 主控終端、網(wǎng)管。主站負(fù)責(zé)發(fā)送TDMA 時(shí)鐘參考信號(hào)和幀計(jì)劃，是全網(wǎng)的時(shí)鐘參考基準(zhǔn)和衛(wèi)星資源分配中心。網(wǎng)管負(fù)責(zé)整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)運(yùn)行的集中控制管理，主要完成網(wǎng)絡(luò)管理、資源分配、流量統(tǒng)計(jì)等功能。實(shí)際組網(wǎng)應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際情況配置兩臺(tái)TDMA主控終端，互為備份，以提高整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性。

2.2備份主站

設(shè)備配置與主站相同，主要作用是在主站出現(xiàn)故障時(shí)承擔(dān)主站的工作，主備站之間實(shí)行自動(dòng)切換，且在切換過程中系統(tǒng)仍能正常工作。

2.3遠(yuǎn)端站

遠(yuǎn)端站主要設(shè)備包括衛(wèi)星天線、ODU、TDMA 業(yè)務(wù)終端。遠(yuǎn)端站以主站為參考，按照主站下發(fā)的幀計(jì)劃在所分配的時(shí)隙內(nèi)傳送突發(fā)信息。當(dāng)然遠(yuǎn)端站也可配置幀計(jì)劃產(chǎn)生單元，以便于當(dāng)主站和備份主站雙雙發(fā)生故障時(shí)，能將該遠(yuǎn)端站配置為主站，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗毀性。

三、組網(wǎng)工作原理

MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)擴(kuò)大了衛(wèi)星信道的應(yīng)用規(guī)模，支持同一時(shí)刻處理多路載波，支持多路載波間的頻率跳變，支持載波速率變化。

在多個(gè)載波信道中，有一個(gè)稱為主載波信道，這個(gè)主載波信道由參考突發(fā)時(shí)隙、測(cè)距時(shí)隙、申請(qǐng)時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)隙構(gòu)成。一個(gè)遠(yuǎn)端站開機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，首先接收主載波信道，解析參考突發(fā)，獲取幀計(jì)劃；然后通過測(cè)距時(shí)隙，進(jìn)行測(cè)距，完成主站與遠(yuǎn)端站之間的時(shí)鐘同步；同步后，當(dāng)時(shí)間到達(dá)該站突發(fā)時(shí)隙時(shí)傳送突發(fā)信息。

各站接入的話音、數(shù)據(jù)、視頻綜合業(yè)務(wù)等首先要進(jìn)行分段、打包處理，處理后獲得的分組加入目的站址、數(shù)據(jù)保護(hù)等信息，然后通過申請(qǐng)時(shí)隙向主站發(fā)送業(yè)務(wù)時(shí)隙請(qǐng)求，主站收到請(qǐng)求后，從時(shí)隙池中選擇空閑時(shí)隙分配給該站，并按照時(shí)隙分配表在指定載波和時(shí)隙位置上發(fā)送。在遠(yuǎn)端站接收端，進(jìn)行解調(diào)和過濾，若目的站址不是本站則丟棄，若是則進(jìn)行解封裝處理。

MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí)每個(gè)載波可根據(jù)站型能力配置載波速率，對(duì)業(yè)務(wù)量大的站點(diǎn)配用高速載波、對(duì)業(yè)務(wù)量小的站點(diǎn)配用低速載波。通過載波跳變頻、變速率，不僅提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的容量，而且信道分配更加靈活，可實(shí)現(xiàn)不同大小站型、多種業(yè)務(wù)類型的遠(yuǎn)端站靈活組網(wǎng)。但隨著業(yè)務(wù)量的增多，現(xiàn)有衛(wèi)星資源就顯得捉襟見肘，那么如何來(lái)提高現(xiàn)有衛(wèi)星的資源利用率呢？這時(shí)信道資源分配就顯得更加重要。

四、MF-TDMA信道分配研究

MF-TDMA 系統(tǒng)的衛(wèi)星信道資源是根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小動(dòng)態(tài)申請(qǐng)、分配的，具有突發(fā)性。傳統(tǒng)的“FIFO”傳輸策略將不同類型的業(yè)務(wù)混雜在一起分享帶寬資源，對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的文件傳輸業(yè)務(wù)影響不大，但對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的話音和視頻等流類型業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)影響會(huì)相當(dāng)明顯，如出現(xiàn)因帶寬受限導(dǎo)致的話音或視頻傳輸抖動(dòng)、斷續(xù)等現(xiàn)象。因此，業(yè)務(wù)在MF-TDMA衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中傳輸使用時(shí)，必須設(shè)計(jì)合理的QoS保證機(jī)制，實(shí)行合理的信道分配算法。

4.1時(shí)隙申請(qǐng)與分配

當(dāng)遠(yuǎn)端站與主站時(shí)鐘同步后，則開始進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的突發(fā)傳輸。在信道分配集中控制方式下，信道的時(shí)隙分配由中心站完成。主站根據(jù)遠(yuǎn)端站的能力及申請(qǐng)的時(shí)隙數(shù)、服務(wù)質(zhì)量保證等在載波組內(nèi)為其分配載波和時(shí)隙信道。遠(yuǎn)端站再通過解析分配結(jié)果獲得時(shí)隙的使用權(quán)限，在分配的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)。時(shí)隙分配表中包含著每個(gè)時(shí)隙的使用規(guī)劃，由若干個(gè)分配單元組成，每個(gè)分配單元描述了一個(gè)時(shí)隙的類型和使用者[2]。

具體時(shí)隙申請(qǐng)和分配具體過程為：

1）每個(gè)遠(yuǎn)端站根據(jù)其業(yè)務(wù)的特性向主站發(fā)送申請(qǐng)信息；

2）主站的時(shí)隙分配表生成單元根據(jù)收到的每個(gè)遠(yuǎn)端站申請(qǐng)信息進(jìn)行時(shí)隙分配表生成計(jì)算，得到時(shí)隙分配表后通過參考突發(fā)下發(fā)至全網(wǎng)各遠(yuǎn)端站；

3） 每個(gè)遠(yuǎn)端站接收到參考突發(fā)后，對(duì)時(shí)隙分配表進(jìn)行解析，獲得本地球站的數(shù)據(jù)時(shí)隙分配情況；

4）在分配的數(shù)據(jù)時(shí)隙內(nèi)，各遠(yuǎn)端站發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

由實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知，幀中的數(shù)據(jù)時(shí)隙有四種使用方式：預(yù)分配使用方式、保證使用方式、按需分配使用方式和自由使用方式[3]：

1）預(yù)分配使用方式：指把載波上的某些時(shí)隙指定分配給某站發(fā)送業(yè)務(wù)，類型可以是實(shí)時(shí)的也可以是非實(shí)時(shí)的，為“不占用也滿足”的分配方案，主要用于隨時(shí)需要帶寬保證的業(yè)務(wù)。

2）保證使用方式：指某站配置了保證時(shí)隙，系統(tǒng)必須給以分配保證，為“需要必滿足”的分配方案。不同于預(yù)分配方式自始至終占用部分時(shí)隙，對(duì)于具有保證使用時(shí)隙的遠(yuǎn)端站，當(dāng)業(yè)務(wù)所占帶寬沒有達(dá)到相應(yīng)的保證量時(shí)，剩余的時(shí)隙可以分配給其它站使用，而一旦本站需要，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)此站的業(yè)務(wù)予以優(yōu)先滿足。保證使用方式適用于那些帶寬變化比較大，實(shí)時(shí)性要求不高，而且需要一定帶寬保證的業(yè)務(wù)（如IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）。

3）按需分配使用方式：指按照帶寬的申請(qǐng)量進(jìn)行時(shí)隙的動(dòng)態(tài)分配。

4）自由使用方式：主要為突發(fā)性的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)所提供的時(shí)隙使用方式。

時(shí)隙分配要考慮時(shí)隙利用率、業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量、時(shí)隙分配的公平性等，采用“實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)隙位置相對(duì)固定，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)隙重分配”的原則進(jìn)行計(jì)算。

4.2跳頻工作方式

跳頻工作方式只要包括：發(fā)跳收不跳MF-TDMA、收跳發(fā)不跳MF-TDMA和收發(fā)都跳MF-TDMA三種組網(wǎng)系統(tǒng)，敘述如下：

1）發(fā)跳收不跳MF-TDMA組網(wǎng)系統(tǒng)

目前的MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)大都采用發(fā)跳收不跳方式，發(fā)送載波的時(shí)隙可以在不同頻點(diǎn)上跳變，接收載波固定在不同的頻點(diǎn)上。設(shè)計(jì)時(shí)將所有遠(yuǎn)端站進(jìn)行分組，一組由多個(gè)站構(gòu)成，并為每個(gè)組分配一個(gè)固定的接收載波，稱為值守載波。各站間進(jìn)行通信時(shí)，接收站在值守信道上接收其它站發(fā)送給自己的信息，發(fā)送站將突發(fā)信號(hào)發(fā)送到接收站值守載波上，并根據(jù)所處的值守載波不同而在不同的載波上逐時(shí)隙跳變發(fā)送信號(hào)。

2）收跳發(fā)不跳MF-TDMA組網(wǎng)系統(tǒng)

組網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)同樣將所有地球站進(jìn)行分組，并為每組站分配一個(gè)固定的發(fā)送載波。與其他站通信時(shí)，發(fā)送方在自己固定載波的指定時(shí)隙位置發(fā)送，接收方根據(jù)發(fā)送方的載波不同而逐時(shí)隙跳變接收。

多類站型混合組網(wǎng)通信時(shí)，大口徑站配置的固定發(fā)送載波最高速率取決于所發(fā)送的小口徑站的接收能力，而小口徑站配置的載波最高速率則取決于小口徑站本身的自發(fā)自收能力。與發(fā)跳收不跳組網(wǎng)方式相比，收跳發(fā)不跳系統(tǒng)大口徑站的最高發(fā)送載波速率高于發(fā)跳收不跳系統(tǒng)大口徑站的最高接收載波速率，而小口徑站的發(fā)送和接收載波最高速率相同。因此從多類站型混合組網(wǎng)的系統(tǒng)容量方面比較，收跳發(fā)不跳MF-TDMA系統(tǒng)優(yōu)于發(fā)跳收不跳MF-TDMA系統(tǒng)。

3）收發(fā)都跳MF-TDMA組網(wǎng)系統(tǒng)

此系統(tǒng)各站發(fā)送和接收突發(fā)信號(hào)都可根據(jù)所處載波的不同而跳變。不同于發(fā)跳收不跳和收跳發(fā)不跳系統(tǒng)，各站間不再進(jìn)行分組。站間分配載波和時(shí)隙基于雙方收發(fā)能力進(jìn)行，即根據(jù)其不對(duì)稱傳輸能力而分配不同載波上的時(shí)隙。因此，多類站型混合組網(wǎng)時(shí)，載波速率的配置取決于大口徑站本身收發(fā)能力和小口徑站本身收發(fā)能力。收發(fā)都跳MF-TDMA系統(tǒng)的多類站型組網(wǎng)能力優(yōu)于收跳發(fā)不跳MF-TDMA系統(tǒng)和發(fā)跳收不跳MF-TDMA系統(tǒng)。

3種組網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式在支持多類站型混合組網(wǎng)的能力方面，收發(fā)都跳系統(tǒng)MF-TDMA最強(qiáng)，發(fā)跳收不跳MFTDMA系統(tǒng)最弱。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，發(fā)跳收不跳MFTDMA系統(tǒng)能夠構(gòu)建基于分組交換的網(wǎng)絡(luò)，而收發(fā)都跳MFTDMA系統(tǒng)和收跳發(fā)不跳MF-TDMA系統(tǒng)只能構(gòu)建基于時(shí)隙的電路交換網(wǎng)絡(luò)。另外，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度方面，發(fā)跳收不跳MF-TDMA系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單。基于各自的綜合優(yōu)勢(shì)和實(shí)際的應(yīng)用需求，發(fā)跳收不跳MF-TDMA 系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用并成了發(fā)展主流，但是如何彌補(bǔ)其支持多類站型混合組網(wǎng)能力的不足還值得研究，目前相關(guān)研究人員提出了一種雙值守載波MF-TDMA解決方案來(lái)解決此問題，我們將在以后的應(yīng)用中去檢驗(yàn)。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著各行各業(yè)信息化建設(shè)進(jìn)程的加快，對(duì)中高速靈活組網(wǎng)衛(wèi)星通信的需求越來(lái)越迫切。目前，MF-TDMA網(wǎng)是唯一支持中高速綜合業(yè)務(wù)組網(wǎng)，也支持小系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)體系。

要想使 MF-TDMA系統(tǒng)能夠發(fā)揮最大作用，實(shí)際使用時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行深入研究和規(guī)劃，在保障任務(wù)需求和服務(wù)質(zhì)量的前提下，給出幀效率較高、轉(zhuǎn)發(fā)器資源利用率較高和站型配置合理的系統(tǒng)方案。相比其它體制衛(wèi)星通信系統(tǒng)，MFTDMA 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用前景將非常廣闊。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]郝學(xué)坤，孫晨華，李文鐸.MF—TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)體制研究[J].無(wú)線電通信技術(shù).2006，32（5）.P1-3.

[2]劉麗宏，孫晨華.MF-TDMA系統(tǒng)時(shí)隙分配算法的研究[D].“第23屆全國(guó)通信與信息技術(shù)發(fā)展研討會(huì)”論文集.P313-316。

[3]董啟甲，張軍，張濤，秦勇.高效MF-TDMA系統(tǒng)時(shí)隙分配策略[J].航空學(xué)報(bào).2009年，30（9）.P1718-1726。