基于改進MF-TDMA的臨近空間通信網(wǎng)協(xié)議設計與仿真

吳翔宇，廖育榮，倪淑燕

(中國人民解放軍裝備學院 光電裝備系，北京　101416)

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基于改進MF-TDMA的臨近空間通信網(wǎng)協(xié)議設計與仿真

吳翔宇，廖育榮，倪淑燕

(中國人民解放軍裝備學院 光電裝備系，北京101416)

臨近空間通信系統(tǒng)作為無線通信新的分支面臨著為混合業(yè)務提供支持的問題，為此需要設計一種高效的多址接入?yún)f(xié)議以滿足復雜的通信需求；在多頻時分多址接入(MF-TDMA)協(xié)議的基礎上提出了一種改進協(xié)議，通過對幀時隙進行功能劃分，提出了固定時隙段加動態(tài)時隙段的設計，實現(xiàn)了對不同類型、不同速率業(yè)務的支持；利用OPNET仿真軟件進行了系統(tǒng)建模和協(xié)議性能仿真，仿真結(jié)果驗證了協(xié)議設計的合理性和有效性。

臨近空間通信系統(tǒng)；多頻時分多址；接入?yún)f(xié)議；OPNET仿真

本文引用格式：吳翔宇，廖育榮，倪淑燕.基于改進MF-TDMA的臨近空間通信網(wǎng)協(xié)議設計與仿真[J].兵器裝備工程學報，2016(8):131-136.

臨近空間通信系統(tǒng)是近年來受到廣泛關注的新興通信系統(tǒng)，它以高空通信平臺為核心，配備一定數(shù)量的通信設施，工作在距地面17～22 km處，提供高速率大容量的通信服務[1]，具有費用低、部署快、組網(wǎng)靈活、抗毀性強、全天候工作能力以及區(qū)域性應用優(yōu)勢等諸多優(yōu)點[2]，適用于應急通信及中等規(guī)模的軍事通信。作為無線通信系統(tǒng)新的分支，臨近空間通信系統(tǒng)將多種業(yè)務綜合到一個網(wǎng)絡中，同時支持語音、數(shù)據(jù)、視頻、圖像等業(yè)務的傳輸[3]，具備實現(xiàn)面向綜合業(yè)務的點對多點通信能力。為此需要設計一種高效的多址接入?yún)f(xié)議，在保證服務品質(zhì)(QoS)的同時實現(xiàn)多種業(yè)務的支持。本文在多頻時分多址接入(MF-TDMA)協(xié)議的基礎上提出了一種固定時隙段加動態(tài)時隙段的多址協(xié)議設計，在為用戶提供最低業(yè)務保障的同時通過充分復用動態(tài)時隙實現(xiàn)對高比特率業(yè)務的支持。

1　基于MF-TDMA的上行多址接入?yún)f(xié)議設計

多頻時分多址接入(MF-TDMA)是混合多址技術(shù)的一種，它將FDMA和TDMA相結(jié)合，通過在時間維度和頻率維度上的綜合調(diào)度實現(xiàn)資源的靈活分配[4-5]。MF-TDMA作為寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的主流上行體制，能夠根據(jù)不同類型的終端和不同需求的業(yè)務靈活分配不同速率的載波和時隙資源，從而實現(xiàn)對多用戶、多業(yè)務和多種速率帶寬要求的靈活支持[6]。在寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，MF-TDMA的引入主要是為了解決TDMA體制系統(tǒng)擴容不方便和大、小口徑地球站混合組網(wǎng)能力不足的問題[7]，通過配置帶寬、速率不同的載波來實現(xiàn)不同口徑的地球站的混合接入。

臨近空間通信系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成上與寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)存在一定相似性，在用戶構(gòu)成和業(yè)務類型上也面臨支持多用戶、混合業(yè)務傳輸?shù)膯栴}，因此本文在傳統(tǒng)MF-TDMA協(xié)議基礎之上提出了一種固定時隙段加動態(tài)時隙段的上行MF-TDMA設計。新的協(xié)議具備動態(tài)時隙分配的功能，適用于負載較重、傳輸混合業(yè)務和實現(xiàn)復雜功能的網(wǎng)絡[8]，其幀結(jié)構(gòu)設計如圖1所示。

系統(tǒng)以超幀為基本單位循環(huán)，一個超幀劃分為m個幀，對應m個子載波(F0～Fm-1)，子載波可以根據(jù)網(wǎng)絡內(nèi)用戶具體的數(shù)量、收發(fā)能力、類型等按需設置速率，也可以不對子載波速率進行區(qū)分。在一幀之內(nèi)劃分n個子幀(T0～Tn-1)，每子幀長16 ms，一個時幀長n×16 ms，這樣，m個子載波共n×m個子幀。子幀內(nèi)的時隙劃分分為固定時隙段和動態(tài)時隙段，固定時隙段作為節(jié)點的專有時隙固定分配給用戶，為用戶提供最低業(yè)務保障，實現(xiàn)控制信息、語音業(yè)務和低速率數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸；動態(tài)時隙段則由全網(wǎng)用戶競爭使用，用戶發(fā)送動態(tài)時隙申請，系統(tǒng)按照一定的時隙分配算法為用戶分配動態(tài)時隙，實現(xiàn)對中等數(shù)據(jù)率和高數(shù)據(jù)率綜合業(yè)務的支持。子幀編號按照“載波號_幀號”唯一確定，如F0_T1子幀提供用戶1的接入服務。系統(tǒng)支持的總用戶數(shù)目為n×m-1。以F0載波內(nèi)的n個子幀為例，具體子幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　改進的MF-TDMA幀結(jié)構(gòu)

圖2　子幀時隙劃分

每個子幀分為16個時隙，每時隙長1 ms，按TS-0至TS-15編號。其中，TS-0至TS-4共5個時隙為固定時隙，即用戶專用時隙，保證用戶的時敏業(yè)務、周期性上報數(shù)據(jù)、低速數(shù)據(jù)和信令信息的傳遞。TS-5至TS-15為動態(tài)時隙，按需分配，主要保證高速業(yè)務(圖像業(yè)務、視頻業(yè)務等)的傳遞。考慮臨近空間通信網(wǎng)終端用戶的特殊性以及軍事通信的特殊性(終端需要周期性上報遙測信息或位置信息)，在傳統(tǒng)控制時隙的基礎上將固定時隙段劃分為3類時隙，各類時隙負責實現(xiàn)不同的功能。

第1類為用戶專用控制時隙，占據(jù)TS-0，用于各類控制信息的傳送。包括測距突發(fā)、管理應答、與中心站間的控制信息等。這類信息多為信令信息，數(shù)據(jù)量較小，且為按需發(fā)送，因此分配一個時隙。另外，用戶的動態(tài)時隙申請也在專用控制時隙內(nèi)發(fā)送，每經(jīng)過一個時幀周期，用戶可按需發(fā)送動態(tài)時隙申請。

第2類為用戶周期性上報時隙，占據(jù)TS-1和TS-2，用于各類用戶周期性數(shù)據(jù)到中心站的傳送。對高速移動用戶(如飛機、導彈等)而言，該時隙用于上報周期性遙測數(shù)據(jù)；對其他用戶而言，該時隙用于上報用戶位置變化信息，保證系統(tǒng)對各類用戶狀態(tài)的實時感知。這類信息或為周期性信息，或為時敏信息，相比普通業(yè)務更加重要，因此分配兩個時隙，確保這類信息的高QoS。

第3類為用戶低速業(yè)務時隙，占據(jù)TS-3和TS-4，用于低速業(yè)務(語音、IP數(shù)據(jù)等)的傳遞。用戶通過這兩個低速業(yè)務時隙實現(xiàn)一定數(shù)據(jù)率的低速業(yè)務傳輸。

實際上，固定時隙段的個數(shù)、作用等可以根據(jù)網(wǎng)絡的實際情況進行更改，例如將固定時隙段中的一部分作為視頻業(yè)務的預留時隙，當用戶有視頻業(yè)務產(chǎn)生時預留時隙優(yōu)先用來傳輸視頻業(yè)務，以保證視頻業(yè)務穩(wěn)定的周期性[3]等等。

TS-5至TS-15共11個時隙為動態(tài)時隙，用戶通過申請獲得，用于大容量高數(shù)據(jù)率需求的業(yè)務傳輸。系統(tǒng)在每一子幀結(jié)束時按照一定的策略對該子幀內(nèi)收到的動態(tài)時隙申請作出分配，以保證動態(tài)時隙的最大化利用。

在上述劃分中，通過時隙TS-0的設置完成了控制信道的部分功能，除此之外系統(tǒng)之中還應當有一個特殊的控制信道，用作處理用戶的入(退)網(wǎng)申請。入(退)網(wǎng)申請不同于動態(tài)時隙申請，系統(tǒng)對入(退)網(wǎng)申請作出反應，判決接收入網(wǎng)或拒絕入網(wǎng)。這一特殊的信道表現(xiàn)在幀結(jié)構(gòu)中就是一個特殊的幀，稱之為公用接入控制幀。該幀位于F0載波的第一個子幀，其位置如圖1所示(幀結(jié)構(gòu)左下角)。

在公用接入控制幀內(nèi)，用戶發(fā)送入網(wǎng)申請。公用接入控制幀的時隙劃分如圖3所示，其時隙劃分可以按照16個時隙的劃分，也可以劃分出更多的微時隙，理論上當微時隙數(shù)目越多時，用戶入網(wǎng)申請的碰撞概率就越小。入網(wǎng)申請以接入突發(fā)的格式在時隙內(nèi)發(fā)送。系統(tǒng)在接收到接入申請后，查看時隙分配表CAL(Channel Allocation List)，若還有信道資源可供分配，則允許用戶入網(wǎng)，向其分配某幀中的固定時隙段，用戶入網(wǎng)成功，同時為其分配ID、幀號，用戶獲得固定時隙。若查看CAL后發(fā)現(xiàn)當前已沒有信道資源可供分配，則用戶入網(wǎng)請求失敗，在執(zhí)行退避后，將重新發(fā)起申請。用戶在公用接入控制幀內(nèi)的信令交互過程基于ALOHA的方式進行。

圖3　公用接入控制幀時隙劃分示意圖

2　基于OPNET的仿真建模及結(jié)果分析

OPNET是一款功能強大的網(wǎng)絡仿真軟件，它采用分層建模的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡建模和仿真[9-11]。本文利用OPNET仿真軟件建立了臨近空間通信系統(tǒng)模型并對文中提出的上行MF-TDMA協(xié)議性能進行了仿真驗證。主要考察了系統(tǒng)時延、低速業(yè)務和高速業(yè)務的傳輸性能以及協(xié)議中時幀設計及時隙段功能劃分的合理性和有效性。

2.1網(wǎng)絡模型及參數(shù)設置

網(wǎng)絡模型及拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)由中心站節(jié)點、臨近空間平臺節(jié)點(飛艇)和地面用戶節(jié)點組成，網(wǎng)絡覆蓋采用蜂窩網(wǎng)絡，為簡化模型，僅設置7個宏蜂窩，由平臺節(jié)點上的多波束天線產(chǎn)生，蜂窩之間采用空分復用(SDMA)方式。中心站節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)絡管理功能，包括用戶的入、退網(wǎng)控制，載波和時隙的分配等等，臨近空間平臺節(jié)點主要實現(xiàn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能。用戶節(jié)點模擬實際用戶實現(xiàn)信息交互，其編號采用“飛艇號_波束號_節(jié)點號”的方式，例如“a1_b1_node1”表示飛艇a1下第一個波束(小區(qū))覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點1。仿真參數(shù)配置如表1所示。

圖4　網(wǎng)絡模型

仿真參數(shù)值仿真參數(shù)值超幀長/幀長128ms時隙長1ms載波數(shù)/幀數(shù)10單載波速率614kbps單載波子幀數(shù)8載波總速率6.1Mbps子幀總數(shù)80單時隙支持速率4.8kbps時隙數(shù)16系統(tǒng)用戶數(shù)553固定時隙數(shù)5上行體制MF-TDMA動態(tài)時隙數(shù)11下行體制TDM每小區(qū)用戶數(shù)79

仿真過程中系統(tǒng)采用MF-TDMA/TDM體制，利用平臺上的再生式轉(zhuǎn)發(fā)器，下行將上行鏈路的多個窄帶載波合成一個高速TDM寬帶載波，通過TDM，對單載波進行調(diào)制，作為下行鏈路信號轉(zhuǎn)發(fā)給終端。

2.2仿真場景設置及結(jié)果分析

2.2.1接入時延

仿真目的：在單個小區(qū)內(nèi)分別對多個節(jié)點接入的過程進行仿真，統(tǒng)計入網(wǎng)信令接入時延，驗證時幀設計是否能支持高效率的節(jié)點接入過程。

場景設置：設置3個場景，發(fā)起入網(wǎng)申請的節(jié)點數(shù)目分別為10個、79個和100個。統(tǒng)計10個、79個節(jié)點的接入時延以及3個場景的接入時延對比。

仿真結(jié)果：對節(jié)點的接入時延進行統(tǒng)計，接入時延是指上層申請報文從進入節(jié)點MAC層開始，到申請報文離開MAC層發(fā)送到物理信道為止，仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5(a)可以看出，10個節(jié)點入網(wǎng)時，對10個節(jié)點接入時延做平均，結(jié)果在64 ms左右波動。這是因為根據(jù)時幀設計，公共接入控制幀每128 ms來到一次，節(jié)點僅在控制幀到來時發(fā)送接入申請，然而入網(wǎng)申請報文產(chǎn)生時間是隨機的，若此時控制時隙沒有到來，報文將不能發(fā)送。節(jié)點在一個超幀內(nèi)產(chǎn)生的入網(wǎng)申請報文平均排隊等待時間為超幀長度的一半，即64 ms，仿真結(jié)果與分析相符。

圖5(b)顯示的是79個節(jié)點同時入網(wǎng)的時延。仿真結(jié)果顯示，79個節(jié)點平均接入時延與10個節(jié)點接入時延相比并沒有增加。這是因為79個節(jié)點數(shù)目仍然在網(wǎng)絡所支持的固定用戶數(shù)量范圍內(nèi)，飛艇對每一個節(jié)點的入網(wǎng)申請回復都是允許入網(wǎng)，節(jié)點的接入時延不會增加。

圖5(c)是10、79和100個節(jié)點同時入網(wǎng)的接入時延對比圖。結(jié)果顯示，當有100個節(jié)點申請入網(wǎng)時，其接入時延先在較短的一段時間內(nèi)維持在64 ms左右，隨后不斷增大，遠遠超過64 ms的數(shù)量級。這是因為100節(jié)點數(shù)目已經(jīng)超過網(wǎng)絡所支持的用戶數(shù)量，當100個節(jié)點中的79個節(jié)點陸續(xù)入網(wǎng)之后，飛艇下發(fā)拒絕申請包，告知節(jié)點拒絕接受入網(wǎng)申請。對節(jié)點而言，未發(fā)送的入網(wǎng)申請報文將在MAC層積累無法發(fā)送，導致接入時延統(tǒng)計結(jié)果持續(xù)增大。

圖5　接入時延仿真結(jié)果

2.2.2低速數(shù)據(jù)通信

仿真目的：對用戶利用固定業(yè)務時隙進行低速率業(yè)務通信的功能進行驗證。

場景設置：在同一飛艇a1覆蓋范圍內(nèi)，仿真不同小區(qū)的用戶之間數(shù)據(jù)通信業(yè)務，以b1_node1、b6_node9節(jié)點和b3_node4、b6_node10兩對節(jié)點間的雙向通信為例。業(yè)務配置為均值9.6 kbps的低速語音業(yè)務。

仿真結(jié)果：仿真結(jié)果如圖6所示。圖6(a)是b1_node1節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)率和b6_node9節(jié)點接收數(shù)據(jù)率；圖6(b)是b1_node1節(jié)點接收數(shù)據(jù)率和b6_node9節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)率?？梢钥闯?，在仿真時間內(nèi)，兩個節(jié)點的發(fā)送、接收數(shù)據(jù)率均維持在9.6 kbps左右，說明不同小區(qū)間的固定用戶能夠通過固定時隙建立有效的低速數(shù)據(jù)鏈路，系統(tǒng)具備低速業(yè)務通信的能力。b3_node4、b6_node10節(jié)點的仿真結(jié)果與此相同。

圖6　固定用戶間低速通信仿真結(jié)果

圖7顯示的是仿真過程中對時隙申請及獲取過程和時隙占用情況的打印。這里僅給出了b1_node1節(jié)點的結(jié)果，b6_node9節(jié)點的時隙申請及占用過程與此相同。

圖7(a)是仿真過程中節(jié)點與ID的對應圖。OPNET在仿真過程中會自動為節(jié)點分配ID號，其對應關系需要在仿真窗口查看。圖7(a)可以看出b1_node1節(jié)點對應的ID分別為3。圖7(b)是仿真開始后各個節(jié)點的入網(wǎng)及時隙申請過程，節(jié)點在每一個公共控制幀到來時發(fā)送入網(wǎng)申請，然后在獲取的固定時隙中的0號時隙發(fā)送動態(tài)時隙申請。公共控制幀每0.128 s到來一次，持續(xù)0.016 s，可以得出公共控制幀的到來時間依次為0.001-0.016 s、0.128-0.144 s、0.256-0.272 s、0.384-0.400 s、0.512-0.528 s往后類推，圖中b1_node1、b3_node4、和b6_node10申請固定時隙的時間均落在公共控制幀到來的時間段之內(nèi)，證明了公共控制幀設計的有效性。

圖7(c)是b1_node1節(jié)點的時隙占用情況，運用OPNET的打印功能顯示。可以看出它獲取了該小區(qū)內(nèi)的F0-T1子幀。打印結(jié)果中的時隙號0～15對應時幀設計中每個子幀的時隙劃分，其中0～4號為固定時隙，5～15號為動態(tài)時隙。打印結(jié)果中每個時隙號冒號后面的數(shù)字表示當前該時隙是由哪個節(jié)點占用的，-1表示未占用?？梢钥闯觯抡孢^程中，b1_node1節(jié)點占用了所獲得子幀中的固定時隙，這與本文第2節(jié)關于時隙功能的設計相吻合。除此之外，節(jié)點還申請了一個動態(tài)時隙，這是由于實際業(yè)務包速率大于9.6 kbps，為了避免信息累積，系統(tǒng)為節(jié)點優(yōu)先分配了同一子幀中的動態(tài)時隙。

圖7　固定用戶間低速通信時隙占用情況打印

2.2.3高速數(shù)據(jù)傳輸

仿真目的：驗證用戶進行高速數(shù)據(jù)傳輸時，申請動態(tài)時隙以實現(xiàn)4 Mbps的傳輸數(shù)據(jù)率。即驗證系統(tǒng)能否支持高速業(yè)務的傳輸。

場景設置：以小區(qū)b1為仿真場景，僅激活b1_node1節(jié)點。仿真開始后節(jié)點b1_node1產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)上傳需求，通過申請并獲得動態(tài)時隙以實現(xiàn)4 Mbps的數(shù)據(jù)率。仿真開始后，對節(jié)點b1_node1的發(fā)送數(shù)據(jù)率進行統(tǒng)計，并打印時隙占用情況表。

仿真結(jié)果：仿真結(jié)果如圖8所示。圖8(a)是節(jié)點b1_node1的發(fā)送數(shù)據(jù)率統(tǒng)計圖，仿真開始后第100 s節(jié)點產(chǎn)生大容量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)率為4 Mbps，并維持至仿真結(jié)束，證明系統(tǒng)能夠支持高達4 Mbps的高速業(yè)務傳輸，驗證了系統(tǒng)對高速業(yè)務的支持。

圖8(b)是b1_node1節(jié)點在仿真開始后的接入及動態(tài)時隙申請過程，可以看出節(jié)點在仿真開始100 s后申請動態(tài)時隙，根據(jù)業(yè)務量大小共申請829個動態(tài)時隙，幾乎占據(jù)了時隙資源塊中的全部動態(tài)時隙，動態(tài)時隙的位置從F0-T1開始一直到F9-T5，這與設計和理論分析相符。圖8(c)和(d)是仿真過程中的時隙占用情況打印圖，由于一個小區(qū)內(nèi)存在80個子幀，無法全部打印，在此僅打印了部分占用情況。從圖中可以看出，F(xiàn)0頻率和F3頻率內(nèi)的所有動態(tài)時隙均被ID3號節(jié)點即節(jié)點b1_node1占用，而固定時隙則未占用，證明系統(tǒng)能夠通過分配動態(tài)時隙實現(xiàn)對高速大容量業(yè)務的支持，從而驗證了時幀結(jié)構(gòu)設計和時隙分配合理有效。

圖8　高速數(shù)據(jù)傳輸仿真結(jié)果

3　總結(jié)

臨近空間通信系統(tǒng)作為新興的無線移動通信系統(tǒng)，勢必會受到越來越多的關注和研究。在面向多用戶混合業(yè)務傳輸需求的背景之下，本文提出了一種改進的MF-TDMA協(xié)議，該協(xié)議通過固定時隙段的設計保證了用戶的最低傳輸性能，實現(xiàn)了對低速業(yè)務的支持；通過動態(tài)時隙段的充分復用實現(xiàn)了對高速業(yè)務的支持。不同時隙段的劃分將業(yè)務分離，降低了不同類型業(yè)務的接入碰撞，提高了信道利用率。最后通過OPNET完成了系統(tǒng)建模和協(xié)議性能仿真，仿真結(jié)果表明新的協(xié)議能夠按照設計實現(xiàn)從超幀到幀再到時隙不同層次的功能，系統(tǒng)支持不同類型、不同速率業(yè)務的傳輸，驗證了協(xié)議設計的合理性和有效性。

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(責任編輯楊繼森)

Access Protocol Design and OPNET Simulation of Near Space Communication System Based on MF-TDMA

WU Xiang-yu, LIAO Yu-rong, NI Shu-yan

(Department of Photoelectricity Equipment, Equipment Academy of PLA, Beijing 101416, China)

As a new branch of wireless communication system, near space communication system faced the problem of providing support for multi services, therefore, it is necessary to design an efficient multiple access protocol to meet the complex communication needs. An improved protocol based on multi-frequency division multiple access (MF-TDMA) was proposed, by dividing the time slots in two different parts, the design of fixed slots segment and the dynamic slots segment were proposed, which realizes the protocol well supports of the mixed services of different types and different rates according to different fuctions. OPNET simulation software was used to finish the system modeling and protocol performance simulation, and the simulation results verify the rationality and effectiveness of the protocol design.

near space communication system; MF-TDMA; access protocol; OPNET simulation

2016-02-18；

2016-03-19

吳翔宇(1991—)，男，碩士研究生，主要從事無線通信網(wǎng)絡研究。

10.11809/scbgxb2016.08.030

format:WU Xiang-yu, LIAO Yu-rong, NI Shu-yan.Access Protocol Design and OPNET Simulation of Near Space Communication System Based on MF-TDMA[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):131-136.

TN925.93

A

2096-2304(2016)08-0131-06

【信息科學與控制工程】