SCPC單車和MCPC班車（第二回）
——《馬路上的衛(wèi)星》之五

+一席VSAT

“姍姍來遲”的故事發(fā)生在李夫人病逝之后。而在漢武帝還未結(jié)識李夫人之前，則還發(fā)生過一個更加有名的故事，那就是擅長音律的李夫人的哥哥李延年在武帝面前夸贊美人時詠唱了一首樂府詩，從而導引出了另外一句自古至今更加聞名遐邇的成語：

“北方有佳人，絕世而獨立。一顧傾人城，再顧傾人國。寧不知傾城與傾國，佳人難再得。”

——李延年《李延年歌》

不錯，這句成語就是“傾國傾城”，是四大美人所差的另外3個dB。而在這里，我們想要介紹的就是一個曾經(jīng)傾倒過無數(shù)人的帶寬按需分配技術—DAMA。

傾國傾城的“大媽”

上回提到，無論是SCPC中的單車，還是MCPC中的班車，在馬路上行駛的時候都會固定占據(jù)一條專用車道。（參見圖1、圖2）

就像TDMA網(wǎng)絡中所有車輛分時占用車道時，時隙分配有PA、RA和DA那樣，F(xiàn)DMA網(wǎng)絡中也有“這個A”和“那個A”，而其中最簡單和最古老的一種占用方式就是這兩張圖中的PAMA方式。PAMA譯為固定分配多址（Permanent Assigned Multiple Access）或預分配多址（Preliminary Assigned Multiple Access），其原意是指：“經(jīng)預先劃分，每一部車輛都有一條專屬于自己的固定車道?！币簿褪钦f：“每條車道都始終只為某一部車輛所獨享，這部車輛可以隨時在其專用車道上行駛，而不必擔心堵車。而不管這部車輛是否上路，是否在其專用車道上行駛，這條車道是否還有空閑，都不允許其它車輛占用?！?/p>

顯然，這樣像VIP一樣獨享一條專用車道，暢行無阻的感覺一定是很爽的。但同時也會付出很大的代價，那就是如果車道不能為大家所共享，不能在處于空閑狀態(tài)時為其它車輛所用，則其利用率一定就會很低，帶寬浪費也就一定會非常嚴重。（參見圖3）

因此，引入一些技術來提高帶寬利用率就變得十分必要，而最自然的想法無非就是“按需分配”，就是某某人的單車或某某單位的班車需要上路的時候，才會分配車道供其使用；而使用一旦結(jié)束，該車道就會被釋放出來供其它車輛使用。

圖1 SCPC專用車道（PAMA）

圖2 MCPC專用車道（PAMA）

拿SCPC來說，助其一臂之力發(fā)揮這一功效的就是與SCPC形影不離的閨密—DAMA。DAMA的英文全稱為Demand Assigned Multiple Access，中文全譯為“按需分配多址”[1]，簡稱就是按需分配，可是大家一般都愿意直接使用其更為親切的音譯—“大媽”，就是那些特別熱心給大姑娘和小伙子們介紹對象，很喜歡跳廣場舞，有時又有些擾民的中老年婦女。

說起“大媽”，可謂無人不知，無人不曉，在二十幾年前那可是VSAT舞臺上的風云人物。而用傾城傾國來形容“大媽”當年的風采一點兒也不為過。

雖然前面說到SCPC中的單車每次只能運送一人，但這一人一騎卻有個好處，那就是由于每輛單車都差不多大，所以車道的劃分及分配也就可以非常的簡單，只需要預先把整條馬路平均劃分為若干條固定等寬的單車車道就行了，即每輛單車總是在固定寬度的車道上騎行。而每輛單車在到達目的地之后呢，也就人走車空道也空，車道也就隨之被釋放出來了。而熱心的“大媽”呢，也就可以像介紹對象那樣，馬上張羅著把空出來的車道再牽線給新的“單車漢”使用，而不必顧慮是否會對別的車道或別的單車造成影響。

這樣，就可以在只有少量車道的情況下支持大量的單車，從而提高車道的利用率。而這也就是SCPC網(wǎng)絡中的DAMA按需分配，是SCPC網(wǎng)絡用來節(jié)省帶寬的基本原理。而當SCPC和DAMA這兩位閨密在一起搞活動的時候，則常常被連寫在一起為SCPC/DAMA[2]。

如圖4所示，假設所有單位共有10名員工（趙、錢、孫、李、周、吳、鄭、王、馮、陳等）及10部單車，而馬路上則只有6條公用車道。這6條車道可以同時讓6名員工及6部單車在上面騎行，其余幾名員工則只有在這6名員工中有人到達終點，完全騰出車道之后，才可以在“大媽”的安排下上路。

比如開始的時候，趙、錢、孫、李、周、吳等6名“單車漢”分別占用了第1～6條車道騎行，而鄭、王、馮、陳等則處于等候狀態(tài)（圖4上）；待等到錢、孫、李、周等到達目的地，第2～5條車道被完全釋放出來以后，鄭、王、馮、陳等4名“單車漢”才可以通過“大媽”的牽線搭橋占用這4車道出行（圖4下）。

這是SCPC/DAMA帶寬按需分配的一個簡例。顯然，由于使用了較少的車道（信道）來支持較多的單車（SCPC載波），所以就有可能會讓一些想要即刻出行的“單車漢”由于無道可用而不得不等待一段時間之后才能上路，這就會引起交通阻塞，造成一定的阻塞率[3]。所以，實施DAMA的前提是假設這些“單車漢”們并不會同時上路，而是只有部分會同時上路，并且這些“單車漢”們都不太心急，還都能夠排隊等候，接受一定的阻塞率。

圖3 擁堵的公用車道（左一）和空閑的專用車道（左二、右二）

圖4 SCPC/DAMA示意圖（1）

盡管有可能阻塞，“大媽”的功效還是顯而易見的，那就是可以節(jié)省可觀的帶寬。比如在這個例子里，帶寬就節(jié)省了40%。當然，我們還可以用更少的信道來實施DAMA按需分配，比如在圖5中就是只用了3路信道來支持10路業(yè)務時的情景。

在這種情況下，“大媽”節(jié)省的帶寬就更多了，高達70%。但阻塞率也會相應變高，會有更多的用戶業(yè)務（SCPC單車）受阻。而且隨著用戶業(yè)務的增加，阻塞率也就會越來越高。

也許有人會問：“那為什么不讓這些單車一個接一個地同時在同一條車道上順序騎行，那樣豈不會更加節(jié)省帶寬嗎？”見圖6、圖7：

的確，這么做不僅這些單車都可以同時上路，而且還能夠進一步節(jié)省帶寬。不過，這可就不是我們要在這里討論的SCPC這樣的頻分多址技術了，而是TDMA時分多址了。有關詳情，可參閱《馬路上的衛(wèi)星之二 ——一言難盡的TDMA》。

形形色色的“大媽”

圖8所示為SCPC/DAMA衛(wèi)星通信網(wǎng)絡在空間段上的情形。

如圖，在衛(wèi)星上，用戶的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡所占用的帶寬被劃分為CSC公共信令信道和業(yè)務信道兩大部分。其中：

●較寬的那一部分帶寬（圖中右側(cè)）為業(yè)務信道，是“單車漢”們?yōu)t灑的地盤，專門用于傳輸用戶的一個個SCPC載波及一路路SCPC業(yè)務（如64kbps話音或數(shù)據(jù)等）。在早期以話音通信為代表的、真正的SCPC/DAMA衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中，這部分帶寬都會被進一步細分為更多路帶寬相同的子信道（如60kHz），用以傳輸大小一樣的SCPC載波（單車）。

●而較窄的那一部分帶寬（圖中左側(cè)）則被稱作CSC公共信令信道（Common Signaling Channel），是“大媽”們表演的舞臺，專門用來傳輸帶寬申請、帶寬分配和帶寬釋放等信令。即業(yè)務信道中的子信道如何分配，哪些子信道為哪些“單車漢”所占用等，都是由“大媽”們通過CSC信道來進行調(diào)度的。

就像現(xiàn)實生活中有多種多樣、形形色色的大媽一樣，DAMA也有好幾種。而不同的SCPC/DAMA衛(wèi)星通信網(wǎng)絡之間的一個主要差別就體現(xiàn)在CSC公共信令信道那部分帶寬的利用方式上，主要有分散控制型DAMA和集中控制型DAMA兩類。（參見圖9）

圖5 SCPC/DAMA示意圖（2）

圖6 馬路上的TDMA

圖7 馬路上的MF-TDMA

圖8 SCPC/DAMA的空間段

圖9 分散控制型DAMA（左）和集中控制型DAMA（右）

分散控制型DAMA

圖9左所示為分散控制型DAMA。在分散控制型的DAMA網(wǎng)絡中，所有站點針對信令以純TDMA方式組成一個網(wǎng)狀網(wǎng)，時分共享同一段CSC公共信令信道帶寬，通過衛(wèi)星單跳相互之間直接交換信令。而時分共享信道的方式則一般采用DA（Dedicated Assignment）固定訪問方式，即每個站點都會占用一個預先分配好的固定時隙訪問CSC信道，傳輸帶寬申請、帶寬分配和帶寬釋放等信令。有關TDMA中DA技術的詳細介紹可參閱《馬路上的衛(wèi)星之二——一言難盡的TDMA》。

如果打個比方的話，分散控制型的DAMA就好像是家家戶戶的大媽們聚集在一起，嘰嘰喳喳地彼此之間直接交換相親信息，為單車車道和“單車漢”們直接牽線搭橋一樣。

圖10、圖11分別為分散控制型DAMA的SCPC衛(wèi)星通信網(wǎng)絡在無業(yè)務傳輸和有業(yè)務傳輸時的網(wǎng)絡狀態(tài)示意圖。

如今采用分散控制型DAMA技術的SCPC衛(wèi)星通信網(wǎng)絡已經(jīng)很少見了，而其典型代表則是Intelsat早年間曾經(jīng)推出過的一個名為SPADE[4]的衛(wèi)星通信業(yè)務。有關詳情可參閱呂海寰、蔡劍銘、甘仲民、陳九治、王明忠等著，1988年人民郵電出版社出版的《衛(wèi)星通信系統(tǒng)》，這里就不再詳述了。

集中控制型DAMA

圖9右所示為集中控制型DAMA。在集中控制型的DAMA網(wǎng)絡中，有一個專門負責信令的DAMA控制中心站[5]，該中心站與其它所有站點針對信令以TDM/TDMA方式組成一個星狀網(wǎng)。其中：

●DAMA控制中心站以頻分方式獨占一段固定的出境信道帶寬（Outbound），發(fā)射一個TDM連續(xù)載波將業(yè)務信道中的帶寬分配和釋放等信息廣播發(fā)送給網(wǎng)內(nèi)其它所有站點。

●網(wǎng)內(nèi)其它所有站點則以時分方式共享一段公用的入境信道帶寬（Inbound），發(fā)射TDMA突發(fā)載波將帶寬請求等信息發(fā)送給DAMA控制中心站。而時分共享入境信道的方式，則還有時隙Aloha競爭和DA固定訪問等幾種方式。

圖10 分散控制型SCPC/DAMA網(wǎng)絡－無業(yè)務狀態(tài)

圖11 分散控制型SCPC/DAMA網(wǎng)絡－有業(yè)務狀態(tài)

圖12 集中控制型SCPC/DAMA網(wǎng)絡示意圖

如果打個比方的話，集中控制型的DAMA就好比是有個婚姻介紹所，家家戶戶的大媽把“單車漢”們的相親要求都先發(fā)送到婚介所，然后由婚介所牽線搭橋，統(tǒng)一進行調(diào)配。

圖12所示即為一典型的集中控制型SCPC/DAMA網(wǎng)絡示意圖。

歷史上堪稱真正的SCPC的VSAT系統(tǒng)大多采用集中控制型DAMA技術，而典型代表則是美國休斯公司的TES系統(tǒng)，此外還有NEC日本電氣公司的NEXTAR-VO系統(tǒng)、美國SA科學亞特蘭大公司（現(xiàn)衛(wèi)訊公司）的SkyLinx系統(tǒng)等[6]。

以下簡要介紹一下一個典型的、采用集中控制型DAMA技術的、以話音通信業(yè)務為主的SCPC VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，以及其SCPC話音通信鏈路的建立過程。如圖13所示為該SCPC/DAMA VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡日常無業(yè)務時的狀態(tài)。

如圖所示，該VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡為集中控制型的SCPC/DAMA網(wǎng)絡，其信令基于TDM/TDMA體制。這種網(wǎng)絡在空間段上的情形已在前文中有所介紹，而在地面段上則分有一個中心站和若干個VSAT遠端站。其中：

●每個VSAT遠端站除了配有用來傳輸話音業(yè)務的SCPC Modem外，還配有一個專用的CSC信令Modem。CSC Modem的調(diào)制部分為TDMA調(diào)制器，解調(diào)部分為TDM解調(diào)器。

●中心站為DAMA控制中心，配有一個TDM調(diào)制器、一個TDMA解調(diào)器[7]，以及DAMA控制設備（如工作站、服務器、計算機等），負責處理網(wǎng)絡中的帶寬的申請、分配和釋放等。

這樣在平時，中心站就在以廣播的方式向所有VSAT遠端站連續(xù)地發(fā)射一個TDM載波，將帶寬分配等信令傳達給所有VSAT遠端站，由所有VSAT遠端站同時接收；而所有VSAT遠端站則以突發(fā)的方式向中心站斷續(xù)地發(fā)射TDMA載波，將帶寬申請和釋放等信令傳送給DAMA控制中心。

圖13 SCPC/DAMA網(wǎng)絡無業(yè)務狀態(tài)

圖14 VSAT遠端站申請帶寬

圖14 VSAT遠端站申請帶寬

而SCPC話音通信鏈路的建立過程則如以圖14所示：

假設VSAT-A中的A1話機欲與VSAT-B中的B1話機通話。則VSAT-A通過CSC公共信令信道中的入境信道發(fā)射一個TDMA突發(fā)，將請求發(fā)送給中心站。如圖15。

中心站在接收到VSAT-A發(fā)送過來的請求后，先需要查詢一下衛(wèi)星上的業(yè)務信道是否還有空閑（信道-1和信道-2），對端站的話機（B1）是否處于占線等情況。如果確定沒有問題，中心站即會經(jīng)CSC出境信道發(fā)射TDM載波向全網(wǎng)進行廣播，通知所有站點：業(yè)務信道中的信道-1和信道-2將被分別分配給VSAT-A（話機A1 Modem）和VSAT-B（話機B1 Modem）。如圖16。

VSAT-A和VSAT-B的CSC信令Modem都一直在接收中心站的TDM廣播，故在接收到中心站的帶寬分配指令后，即會將話機A1 Modem和話機B1 Modem的頻率分別調(diào)節(jié)到業(yè)務信道中的f1和f2頻點上，然后相互發(fā)射SCPC載波，通過信道-1和信道-2建立雙向的話音通信。

同理還可建立其它話機之間的SCPC通信鏈路。如圖17所示即為VSAT-A中的A2話機和VSAT-C中的C1話機之間建立SCPC話音通信鏈路示意圖。

話音通信結(jié)束后，這些SCPC話音Modem所占用的信道及帶寬又會被放掉，以供其它站點和其它話機使用。

分散控制型DAMA和集中控制型DAMA比較

簡單比較這兩種DAMA技術不難發(fā)現(xiàn)：

●集中控制型DAMA中的信令過程至少需要經(jīng)歷雙跳，如果采用時隙Aloha技術的話，則還有可能因為碰撞的緣故而經(jīng)歷多跳，所以SCPC鏈路的建立速度就要慢一些，不利于開展實時性要求較高的業(yè)務；而分散控制型DAMA中的信令過程則只有單跳，所以SCPC鏈路的建立速度很快，有利于開展實時性要求較高的業(yè)務。

圖15 中心站分配帶寬

圖16 VSAT-A（話機A1）和VSAT-B（話機B1）之間建立SCPC話音通信鏈路

●集中控制型的DAMA網(wǎng)絡基于有主站處理，其信令處理等絕大部分功能都交給了一個DAMA控制中心站，所以對其它站點的要求就降低了；而分散控制型的DAMA網(wǎng)絡則基于無主站（Hubless）處理，其每個站點都必須能夠自行決斷，都必須能夠像主站一樣進行DAMA處理，所以要求每個站點都需要具備很強的處理能力。

●在集中控制型的DAMA網(wǎng)絡中，有主站這樣的一個單一故障點，所以網(wǎng)絡的可靠性要差一些；而在分散控制型的DAMA網(wǎng)絡中，各站的地位相同，可以很輕松地設置多主站或異地備份主站，所以網(wǎng)絡的可靠性要好一些[8]。

另外，在集中控制型的DAMA網(wǎng)絡里，TDM/TDMA公共信令信道的TDMA入境信道中又可進一步細分有時隙Aloha競爭和DA固定訪問兩種方式，其中：

●時隙Aloha競爭方式能夠支持更多的站數(shù)，且常應用于稀路由VSAT網(wǎng)絡。

●而DA固定訪問則一般用于支持站數(shù)較少，但業(yè)務量卻較重或較為恒定的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡。

有關集中控制型DAMA 和分散控制型DAMA在衛(wèi)星訪問技術上的差別，以及TDMA中時隙Aloha和DA技術之間的差別，可參閱《馬路上的衛(wèi)星之二 ——一言難盡的TDMA》，及《馬路上的衛(wèi)星之四——純TDMA與TDM/TDMA網(wǎng)絡比較》。

至于DAMA技術運用在MCPC網(wǎng)絡中的情形，則將在下一回中繼續(xù)進行介紹。

補記

衛(wèi)星通信和移動通信都屬于無線通信，所以有很多相通之處。而有些介紹移動通信技術的書籍曾經(jīng)拿唱歌作比喻，來形容SCPC和TDMA之間的差別，也是蠻形象的，這里不妨借來一用[9]。

在第一代移動通信（1G）中，無線頻譜被等分為許多路帶寬為200kHz 的頻率信道，而每一部大哥大在打出電話時都會單獨地占用其中的一路信道（即200kHz帶寬）。這就好比在春晚的舞臺上，一首歌曲只由一名歌手來獨唱一樣，是SCPC單路單載波。

而在第二代移動通信中，原來1G中的每路200kHz頻率信道又在時間上被進一步劃分，分為8個時隙給8部手機打電話用。這就好比原來的一首歌曲，現(xiàn)在由8名歌手一人一句輪流唱，是TDMA時分多址。如此一來：“一首歌曲多人唱，一路信道多機用。不僅容量翻翻增，帶寬亦可倍倍省?！盨ATNET

附錄-1 英文縮略語及中譯文注釋一覽表

注釋

[1]DAMA（Demand Assigned Multiple Access）譯為按需分配多址。雖然在字面上也有“多址”二字，但筆者以為其意義實際上與FDMA、TDMA和CDMA中的多址還是不一樣的，不應該被視作一種可與FDMA、TDMA和CDMA相提并論的多址技術。

[2]早期的SCPC/DAMA網(wǎng)絡多用于話音通信，其中的SCPC載波都是等速的，占用的帶寬也都是等寬的。

[3]在通信網(wǎng)絡中被稱作呼損和呼損率，具體詳情可參閱電話網(wǎng)絡中有關話務量、呼損率及電路數(shù)之間關系的技術文件。

[4]SPADE的英文全稱為Single Channel Per Carrier PCM Multiple Access Demand Assignment Equipment，譯為單路單載波脈沖編碼調(diào)制多址按需分配設備。

[5]中心站亦稱主站，分有業(yè)務主站（Hub）、網(wǎng)絡控制中心（NCC）、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)（NMS）等多種類型主站，此處專指網(wǎng)絡控制主站。

[6]有些自稱或貌似SCPC的VSAT系統(tǒng)實為MCPC，與這里真正的SCPC系統(tǒng)還是有本質(zhì)上的差別，在DAMA的控制和操作上也有很大不同。具體情況將安排在下一回中進行介紹。

[7]DAMA 控制中心站也可配備多個TDMA解調(diào)器，以對應CSC公共信令信道中的多路TDMA入境信道（即MF-TDMA），并解調(diào)多路TDMA載波。

[8]有關單一故障點對于網(wǎng)絡可靠性的影響，可參閱《馬路上的衛(wèi)星之四——純TDMA與TDM/TDMA網(wǎng)絡比較》。

[9]參見《大話移動通信》，丁奇、陽楨等著，人民郵電出版社2011年版。