MF-TDMA和FDMA傳輸自適應(yīng)體制下的資源分配

許 楠

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

當(dāng)前的衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要分為FDMA和TDMA兩種不同的傳輸體制。

FDMA指的是頻分多址，這種體制將頻帶資源根據(jù)傳輸需求在頻域上劃分為不同帶寬的載波[1]，將載波分配給網(wǎng)內(nèi)的用戶單獨使用，從而實現(xiàn)用戶在不同的頻率上同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，即頻分復(fù)用[2]。而載波與載波之間存在保護(hù)間隔，防止相互間的干擾[3]。

而TDMA指的是時分多址，是將同一頻帶資源上的載波在時域上進(jìn)行等間隔的劃分為幀，每一個幀周期再劃分為等周期的若干個時隙[4]。不同的時隙可以分配給不同的用戶[5]，而實現(xiàn)了多用戶在同頻率上進(jìn)行先后時間順序的數(shù)據(jù)傳輸，而相互獨立無干擾，即時分復(fù)用[6]。而幀與幀、時隙與時隙之間存在保護(hù)間隔[7]。在此基礎(chǔ)上的MF-TDMA，是將TDMA和FDMA相結(jié)合的二維多址方式[8]，由于其具有靈活的接入和交換能力、靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9]、高效的衛(wèi)星資源利用率和網(wǎng)絡(luò)擴展能力，可以較好地滿足中速率節(jié)點間以及以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的用戶間組網(wǎng)通信[10]。

但是FDMA受限于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶數(shù)量[11]，難以與MF-TDMA體制相比；而MF-TDMA則必須有精確的定時和同步信號以保證正常通信[12]，并且時隙之間存在保護(hù)間隔[13]，對于載波的利用效率低于連續(xù)傳輸?shù)腇DMA體制[14]。MF-TDMA和FDMA的混合體制組網(wǎng)，用戶終端能夠自適應(yīng)選擇體制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)兼具二者優(yōu)點，能夠極大地提高通信系統(tǒng)的整體傳輸性能[15]，是當(dāng)前的研究熱點。

而混合體制下的資源分配問題是影響傳輸性能的關(guān)鍵難題之一。本文通過對混合體制的分析，提出了一種自適應(yīng)資源分配算法，能夠根據(jù)用戶的能力和需求，自適應(yīng)地選擇FDMA體制的連續(xù)傳輸，選擇適合MF-TDMA體制下的時分復(fù)用傳輸，在滿足用戶傳輸需求的同時，實現(xiàn)對資源利用的最大化，以提高混合體制的整體傳輸性能。

1 混合體制組網(wǎng)

混合體制組網(wǎng)以MF-TDMA體制為基礎(chǔ)，通過技術(shù)增強使系統(tǒng)兼具FDMA的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)二者共存的一體化系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，2種體制配置公共頻帶資源，完全按需分配。

系統(tǒng)的主站作為控制中心，對用戶的組網(wǎng)控制、定時同步、傳輸體制和資源分配等進(jìn)行統(tǒng)一配置管理[16]。遠(yuǎn)端站在入網(wǎng)后根據(jù)站能力進(jìn)行傳輸體制選擇[17]，在FDMA體制下，由遠(yuǎn)端站發(fā)起建鏈申請及拆鏈申請[18]，而在沒有業(yè)務(wù)傳輸時，遠(yuǎn)端站通過控制信令周期向主站注冊，以保持入網(wǎng)狀態(tài)，注冊周期較長[19]。主站的控制中心接收到建鏈或拆鏈的請求后，進(jìn)行帶寬資源的配置[20]。

圖1 傳輸體制自適應(yīng)示意

而MF-TDMA體制下，遠(yuǎn)端站在每一個幀周期向主站發(fā)送業(yè)務(wù)申請或狀態(tài)信息，實現(xiàn)定時同步以保持入網(wǎng)態(tài)?？刂浦行氖盏竭h(yuǎn)端站的業(yè)務(wù)請求后，在載波的時隙上進(jìn)行分配，最后將資源分配結(jié)果統(tǒng)一下發(fā)全網(wǎng)。

系統(tǒng)可支持全MF-TDMA模式、全FDMA模式，也支持MF-TDMA和FDMA混合模式。

2 自適應(yīng)資源分配算法

為了提高資源利用率，滿足業(yè)務(wù)通信前提下，盡可能采用動態(tài)分配資源機制。

在系統(tǒng)運行過程中，控制中心根據(jù)入網(wǎng)終端數(shù)量及實際業(yè)務(wù)量，在頻帶資源池內(nèi)動態(tài)調(diào)整使用載波。在沒有遠(yuǎn)端站入網(wǎng)或網(wǎng)內(nèi)沒有業(yè)務(wù)傳輸需求時，僅僅控制載波或少量的業(yè)務(wù)載波即可維持網(wǎng)絡(luò)運行。隨著入網(wǎng)站數(shù)量增加，業(yè)務(wù)量的增多，控制中心動態(tài)從資源池中選用相應(yīng)速率檔位的載波，在業(yè)務(wù)量減少時釋放無用的載波，以達(dá)到資源高效利用的目的。

頻帶資源動態(tài)處理方式使得業(yè)務(wù)需求和載波能力保持一致，既不會浪費信道能力，也可以最大限度滿足用戶需求。而MF-TDMA體制和FDMA體制的頻帶資源自適應(yīng)分配過程在同一資源池內(nèi)進(jìn)行，由統(tǒng)一的算法進(jìn)行載波的自適應(yīng)配置，分配的流程如圖2所示。

圖2 頻帶資源配置流程

算法的具體步驟如下：

① 資源分配單元接收網(wǎng)內(nèi)一個幀周期內(nèi)所有遠(yuǎn)端站的業(yè)務(wù)請求，根據(jù)體制進(jìn)行分類處理；

② 如果是MF-TDMA體制下的遠(yuǎn)端站，業(yè)務(wù)申請內(nèi)容為所需的業(yè)務(wù)發(fā)送速率，分配單元將速率進(jìn)行分類整合，與信道內(nèi)的載波發(fā)送能力進(jìn)行比較，進(jìn)行載波的調(diào)整；

③ 如果是FDMA體制下的遠(yuǎn)端站，業(yè)務(wù)申請為建鏈請求或拆鏈請求，直接在資源池內(nèi)進(jìn)行載波的調(diào)整；

④ 載波調(diào)整完畢后，在MF-TDMA體制的載波上，根據(jù)遠(yuǎn)端站的速率請求，進(jìn)行時隙資源的分配；

⑤ 將分配完畢的載波與時隙結(jié)果下發(fā)全網(wǎng)，所有遠(yuǎn)端站嚴(yán)格按照分配結(jié)果執(zhí)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；

⑥ 這一幀周期的資源分配結(jié)束，等待下一個周期，重復(fù)步驟①。

在頻帶資源池內(nèi)統(tǒng)一進(jìn)行載波的調(diào)整時，為了防止MF-TDMA或FDMA體制的載波大量占據(jù)資源，影響另一體制下的數(shù)據(jù)傳輸，需在頻帶資源池內(nèi)進(jìn)行預(yù)規(guī)劃，分別劃定一定量的頻帶資源為2種體制專享，剩余的資源供二者自由競爭使用，保證2種體制的均衡。

3 算法性能分析

系統(tǒng)的控制中心同時支持MF-TDMA和FDMA兩種體制下的頻帶資源分配使用，分別從2方面進(jìn)行分析。

FDMA衛(wèi)星通信為點對點通信，且FDMA載波在生成后，無法實時修改，導(dǎo)致FDMA載波的利用率較低，基于此，為FDMA劃分資源池，系統(tǒng)根據(jù)實際需求，規(guī)劃幾檔FDMA載波速率，遠(yuǎn)端站在有業(yè)務(wù)需求時，根據(jù)業(yè)務(wù)需求自適應(yīng)選擇合適的FDMA載波。通信結(jié)束后，釋放FDMA載波，達(dá)到資源的最大利用率。

經(jīng)過頻帶資源自適應(yīng)處理后，F(xiàn)DMA可以在有限的資源內(nèi)支持更多的遠(yuǎn)端站使用，提高了頻帶資源的利用率。

而MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)為組網(wǎng)通信，傳統(tǒng)的MF-TDMA系統(tǒng)的載波固定，無法實時修改頻帶資源，在網(wǎng)內(nèi)業(yè)務(wù)量小時會造成資源的極大浪費；而業(yè)務(wù)量增大后，業(yè)務(wù)需求又得不到完全滿足。

因此在資源池內(nèi)動態(tài)配置TDMA載波，并針對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的站能力配置相應(yīng)的速率檔，根據(jù)終端站的業(yè)務(wù)需求，在資源池內(nèi)劃分出合適的載波。

控制中心同時監(jiān)控著MF-TDMA和FDMA兩種體制下的終端站狀態(tài)和業(yè)務(wù)需求，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及業(yè)務(wù)量的動態(tài)變化，實時調(diào)整網(wǎng)內(nèi)的載波使用狀態(tài)，并將資源池使用狀態(tài)上報運控中心。運控中心通過資源池利用情況的變化，可以動態(tài)規(guī)劃衛(wèi)星資源在不同衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的使用，提高衛(wèi)星資源的總體利用率。

4 仿真結(jié)果

仿真的具體條件設(shè)定如下：

① 網(wǎng)絡(luò)的終端站規(guī)模為1 500；

② 頻帶資源池大小為100 MHz；

③ 終端站的發(fā)送業(yè)務(wù)分為2類：64 ksps和8 Msps，2種速率隨機發(fā)送；

④ 終端入網(wǎng)后，根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)送需求在頻帶資源池內(nèi)自適應(yīng)占用資源；

⑤ FDMA體制下用戶獨占單條載波，數(shù)據(jù)發(fā)送概率為50%；

⑥ MF-TDMA體制下單條載波內(nèi)分為10個時隙進(jìn)行時分復(fù)用，傳輸?shù)耐话l(fā)開銷為20%；

⑦ TD/FD體制下，速率為64 ksps的業(yè)務(wù)選擇FDMA體制，速率為8 Msps的業(yè)務(wù)選擇MF-TDMA體制。

3條曲線分別表示網(wǎng)絡(luò)運行過程中，3種不同體制對用戶的通信業(yè)務(wù)呼叫接通率的變化情況如圖3所示。

圖3 通信業(yè)務(wù)呼通率的比較

由仿真結(jié)果可以看到，在網(wǎng)絡(luò)運行過程中FDMA體制由于采取獨享載波的策略，因此容納的用戶通信數(shù)量有限，呼通率驟降。而MF-TDMA采取時分復(fù)用方式，大量用戶可同時入網(wǎng)通信；TD/FA混合體制遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于FDMA，但由于64 ksps載波的獨享策略，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模非常大時，呼通率會低于MF-TDMA。

3條曲線是3中體制下的用戶實際的數(shù)據(jù)傳輸情況，如圖4所示。

圖4 信道內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸量的比較

由仿真結(jié)果可以看到，F(xiàn)DMA體制下由于設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)送概率為50%，實際傳輸量較低，對信道浪費極大。而TD/FD體制下高速率載波采取時分復(fù)用方式，傳輸量不僅遠(yuǎn)大于FDMA體制，也高于MF-TDMA體制。

通過對比可知，TD/FD體制下的自適應(yīng)算法能夠在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化的過程中，自適應(yīng)的調(diào)整業(yè)務(wù)傳輸方式，最大限度滿足用戶通信需求的同時，保證了對信道資源的高效穩(wěn)定利用。

5 結(jié)束語

針對FDMA和MF-TDMA體制的混合組網(wǎng)，對混合體制下的自適應(yīng)傳輸進(jìn)行了研究。突破了傳統(tǒng)的單一分配方式，提出了自適應(yīng)資源分配算法，解決了混合組網(wǎng)下對公共頻帶資源的利用問題，并進(jìn)行了仿真分析。從仿真結(jié)果可以看出，本文提出的自適應(yīng)資源分配算法很好地解決了業(yè)務(wù)接入和傳輸效能的均衡問題，對FDMA和MF-TDMA體制混合組網(wǎng)的工程實現(xiàn)具有一定的指導(dǎo)意義。