一種FDMA模式衛(wèi)星地球站的終端分系統(tǒng)研究

奚煒弘

摘要：FDMA是衛(wèi)星通信中最早使用的一種多址方式。文章對(duì)一種基于FDMA模式的衛(wèi)星地球站的終端分系統(tǒng)進(jìn)行研究，并著重分析了地球站的構(gòu)成、終端分系統(tǒng)的模塊劃分以及其中的一些重要通信流程。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；FDMA；地球站

衛(wèi)星通信是一種利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電波而進(jìn)行的兩個(gè)或多個(gè)地球站之間的通信。它綜合利用了現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、航天技術(shù)和半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，是當(dāng)前通信領(lǐng)域發(fā)展迅速的方向之一。衛(wèi)星通信中有著眾多的通信方式，其中的頻分多址（FrequencyDivision Multiple Access，F(xiàn)DMA），是把總帶寬分隔成多個(gè)正交的頻道，每個(gè)用戶占用一個(gè)頻道。FDMA以其信道復(fù)用率高，容許復(fù)用的路數(shù)多，分路方便而成為一種重要的衛(wèi)星通信方式。

本文主要介紹了基于FDMA模式的衛(wèi)星通信地球站的組成，并對(duì)其中的終端分系統(tǒng)的模塊劃分、功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1.終端分系統(tǒng)分析

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，地面通信終端設(shè)備被稱為地球站（Earth Station）。典型的地球站由天線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、終端分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、地面接口及傳輸分系統(tǒng)等組成。

終端分系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)地面接口線路傳來(lái)的各種用戶信令和衛(wèi)星信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)之間的轉(zhuǎn)換。根據(jù)其功能，主要分成信道處理模塊、監(jiān)控接口模塊和其他設(shè)備接口模塊。

信道處理模塊主要完成與網(wǎng)控中心（Network ControlCenter，NCC）的協(xié)議解析以及具體通信業(yè)務(wù)的具體承載。其主要功能包括：實(shí)時(shí)接收來(lái)自NCC的信道選用通告，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信道發(fā)送頻點(diǎn)的選擇；向NCC發(fā)起注冊(cè)或注銷申請(qǐng)，實(shí)現(xiàn)終端的注冊(cè)與注銷；向NCC發(fā)起呼叫申請(qǐng)或接收NCC下發(fā)的通信檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)信道的鏈路建立、頻點(diǎn)分配、業(yè)務(wù)類型指定等功能；向NCC發(fā)起結(jié)束申請(qǐng)或接收NCC下發(fā)的結(jié)束應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)信道的鏈路拆除；實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信的具體承載，完成數(shù)據(jù)的傳輸和匹配。

監(jiān)控接口模塊主要完成與外部監(jiān)控單元（MonitoringControl Unite，MCU）的協(xié)議解析，其主要功能包括上報(bào)信道的狀態(tài)和參數(shù)；接受MCU的參數(shù)設(shè)置和控制等功能。

其他設(shè)備接口模塊主要完成與其他設(shè)備（根據(jù)終端分系統(tǒng)的實(shí)際業(yè)務(wù)能力，可以是聲碼器、視頻編解碼器等設(shè)備）的協(xié)議解析，其主要功能包括查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)和參數(shù)；設(shè)置參數(shù)和控制等功能。

2.主要通信流程研究

2.1注冊(cè)和注銷流程研究

注冊(cè)流程如圖1所示。終端分系統(tǒng)啟動(dòng)后，讀取預(yù)置的信道參數(shù)，通過(guò)讀取到的廣播信道（BDC）頻點(diǎn)來(lái)設(shè)置BDC信道，等待接收NCc下發(fā)的信道選用通告信令。此時(shí)將信道狀態(tài)為搜索BDC狀態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)BDC主備切換定時(shí)器。當(dāng)超過(guò)切換時(shí)間接收不到NCC下發(fā)的信道選用通告信令時(shí)，將BDC信道的頻點(diǎn)切換為備用BDC頻點(diǎn)，同樣當(dāng)再次超過(guò)切換時(shí)間接收不到NCc下發(fā)的信道選用通告信令時(shí)，BDC信道的頻點(diǎn)切換為主BDC頻點(diǎn)，以此循環(huán)下去。

當(dāng)收到來(lái)自NCC下發(fā)的信道選用通告后，重置BDC主備切換定時(shí)器的時(shí)間，通過(guò)解析信道選用通告信令，可以獲取NCC下發(fā)給終端分系統(tǒng)的主備BDC頻點(diǎn)和控制信道（CUC）頻點(diǎn)，并將其保存，同時(shí)發(fā)送注冊(cè)申請(qǐng)控制信令，將信道狀態(tài)設(shè)置為正在注冊(cè)。當(dāng)未收到NCC應(yīng)答時(shí)，注冊(cè)申請(qǐng)控制信令會(huì)重發(fā)。

當(dāng)NCC通過(guò)CUC信道接收到終端分系統(tǒng)的注冊(cè)申請(qǐng)控制信令，該地球站標(biāo)記為在線狀態(tài)，應(yīng)答信令通過(guò)NCc的BDC信道發(fā)出，通過(guò)星載轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)到終端分系統(tǒng)的BDC信道。當(dāng)終端分系統(tǒng)通過(guò)BDC信道接收到應(yīng)答信令以后，將信道狀態(tài)置為信道空閑，此狀態(tài)為用戶可進(jìn)行業(yè)務(wù)操作狀態(tài)，可對(duì)用戶提供任何已有服務(wù)。如果重發(fā)多次后仍收不到應(yīng)答信令，則將信道狀態(tài)設(shè)置為注冊(cè)失敗。

注銷流程如圖2所示。NCC通過(guò)CUC信道接收終端分系統(tǒng)的注銷申請(qǐng)控制信令，該地球站標(biāo)記為離線狀態(tài)，應(yīng)答信令通過(guò)NCC的BDc信道發(fā)出，通過(guò)星載轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)到終端分系統(tǒng)的BDc信道。終端分系統(tǒng)通過(guò)BDC信道接收到應(yīng)答信令以后，將信道狀態(tài)設(shè)置為注銷成功，此狀態(tài)為用戶只可進(jìn)行注冊(cè)操作狀態(tài)，如果重發(fā)多次后仍收不到應(yīng)答信令，則將信道狀態(tài)置為注銷失敗。

通過(guò)以上研究，可以發(fā)現(xiàn)這種基于FDMA模式的衛(wèi)星地球站的終端分系統(tǒng)擁有完善注冊(cè)和注銷流程。通過(guò)該流程可以加強(qiáng)網(wǎng)控中心對(duì)地球站的管理，包括對(duì)地球站的身份合法性進(jìn)行驗(yàn)證、對(duì)地球站的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行顯示等功能。

2.2建鏈和拆鏈流程研究

建鏈的過(guò)程采取了動(dòng)態(tài)信道分配（Dynamic ChannelAllocation，DCA）策略。在DcA策略中所有波束都沒(méi)有固定分配的信道，由網(wǎng)控中心統(tǒng)一分配。網(wǎng)控中心要根據(jù)所采用的成本函數(shù)算法計(jì)算每條信道在每個(gè)波束中使用的成本，當(dāng)一個(gè)呼叫到達(dá)時(shí)，選擇一條成本最低的信道來(lái)分配。

I（x）：到波束x的距離小于共信道復(fù)用距離D的所有波束（即波束x的干擾波束）的集合；

△（x）：呼叫到達(dá)波束x時(shí)刻的可用信道的集合；

FD（k）：根據(jù)完全固定分配算法（Fixed A110cationAlgorithm，F(xiàn)CA）預(yù)先固定分配給波束后使用的信道合集，或者說(shuō)是波束k的最優(yōu)標(biāo)稱信道集。

建鏈流程如圖3所示。當(dāng)信道狀態(tài)處于信道空閑時(shí)，允許MCU發(fā)起建鏈。建鏈時(shí)通過(guò)CUC信道發(fā)送建鏈信令，建鏈信令包括對(duì)端號(hào)碼、業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)速率等信息，主叫方進(jìn)入建鏈等待狀態(tài)，星載轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)到NCC的CUC信道上，NCC通過(guò)其BDC信道向主叫方發(fā)送建鏈等待信令，向被叫方發(fā)送通信檢測(cè)信令。

被叫方也需要有注冊(cè)的過(guò)程，且進(jìn)入信道空閑狀態(tài)，否則NCC直接發(fā)送拒絕建鏈信令，并給出原因。主叫方進(jìn)入信道分配狀態(tài)，NCC進(jìn)入等待通信檢測(cè)應(yīng)答狀態(tài)。

被叫方在BDC信道上收到通信檢測(cè)信令，并且其在信道空閑狀態(tài)下，被叫方會(huì)在它通過(guò)CUC時(shí)給出通信檢測(cè)應(yīng)答信令。ycc在cuc信道上收到通信檢測(cè)應(yīng)答信令以后，對(duì)通信雙方發(fā)送信道分配信令，對(duì)通信雙方的頻點(diǎn)進(jìn)行重新分配。通信終端雙方收到信道分配信令以后，進(jìn)入業(yè)務(wù)通信階段。

拆鏈流程如圖4所示。通信需求結(jié)束以后，為了資源的反復(fù)利用，要對(duì)資源進(jìn)行回收，包括終端資源和星載轉(zhuǎn)發(fā)器資源，特別是星載轉(zhuǎn)發(fā)器資源，因而加入了拆鏈過(guò)程。拆鏈可以由通信雙方終端的任何一方發(fā)起，MCU發(fā)出拆鏈信令以后，向?qū)Χ税l(fā)出拆鏈信令，然后切換頻點(diǎn)，向NCC發(fā)出拆鏈申請(qǐng)信令，自身狀態(tài)切換為拆鏈中，收到拆鏈應(yīng)答信令或拆鏈申請(qǐng)信令發(fā)送超時(shí)后，將自身狀態(tài)切換為信道空閑。對(duì)端收到拆鏈方的拆鏈信令或NCc發(fā)出的拆鏈應(yīng)答信令后，自身狀態(tài)切換為信道空閑。

通過(guò)以上研究，可以發(fā)現(xiàn)這種基于FDMA模式的衛(wèi)星地球站的終端分系統(tǒng)擁有完善的建鏈和拆鏈流程。DCA策略的應(yīng)用使所有的信道都由網(wǎng)控中心進(jìn)行分配，提高了系統(tǒng)的容量，使信道的利用率更高、無(wú)需信道預(yù)規(guī)劃、可以自動(dòng)適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)需求。

3.結(jié)語(yǔ)

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)開始受到人們廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。本文對(duì)一種FDMA衛(wèi)星地球站的應(yīng)用方式進(jìn)行了研究，包括地球站的構(gòu)成、終端分系統(tǒng)的功能以及一些主要流程。通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DMA方式具有的技術(shù)成熟、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本較低、對(duì)每個(gè)載波采用的基帶信號(hào)類型、調(diào)制方式、編碼方式、載波信息速率及占用帶寬等均沒(méi)有限制等優(yōu)點(diǎn)，使其成為現(xiàn)在衛(wèi)星通信的主流通信方式之一。