夏曉巍

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

適用于高動(dòng)態(tài)平臺(tái)的TDM/FDMA+令牌環(huán)衛(wèi)星混合多址接入?yún)f(xié)議*

夏曉巍**

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

對(duì)衛(wèi)星通信中比較常用的多址接入方式進(jìn)行了比較,提出了一種固定分配與自由分配相結(jié)合的衛(wèi)星混合多址接入?yún)f(xié)議,對(duì)指標(biāo)性能進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,該協(xié)議具有業(yè)務(wù)接入靈活、衛(wèi)星頻帶利用率高、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),適用于高動(dòng)態(tài)平臺(tái)衛(wèi)星通信。研究?jī)?nèi)容對(duì)相關(guān)工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

衛(wèi)星通信;多址接入;高動(dòng)態(tài)平臺(tái);固定分配;自由分配;TDM/FDMA;令牌環(huán)

1 引 言

多址接入技術(shù)是衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)之一,多址接入?yún)f(xié)議的選取直接影響到系統(tǒng)的頻譜利用率、系統(tǒng)容量、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信的服務(wù)質(zhì)量、設(shè)備的復(fù)雜度及成本等[1]。

國(guó)內(nèi)針對(duì)高動(dòng)態(tài)平臺(tái)的衛(wèi)星多址接入?yún)f(xié)議研究文獻(xiàn)幾乎為空白。本文結(jié)合工程實(shí)踐,對(duì)衛(wèi)星通信中比較常用的多址接入方式進(jìn)行了比較、分析,提出了一種固定分配與自由分配相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路,適用于高動(dòng)態(tài)平臺(tái)衛(wèi)星組網(wǎng)通信。在此基礎(chǔ)上介紹了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議及幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)指標(biāo)性能進(jìn)行了分析。

2 衛(wèi)星通信多址接入方式的比較和分析

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷更新和業(yè)務(wù)類型的不斷增多,提出了多種多址接入?yún)f(xié)議,主要可以分為以下幾個(gè)基本類型:固定時(shí)隙分配協(xié)議(FAMA)、按需請(qǐng)求分配協(xié)議(DAMA)、隨機(jī)接入?yún)f(xié)議(RA)和自由接入?yún)f(xié)議(FA)[2]。各種多址接入方式比較如表1所示[2-4]。

表1 多址接入方式比較Table 1 Comparison of multiple access protocols

由于單一的資源分配機(jī)制難以解決同時(shí)滿足多類型業(yè)務(wù)的QoS與充分利用鏈路帶寬之間的矛盾,人們又提出了混合多址接入?yún)f(xié)議?；旌腺Y源分配機(jī)制利用了不同機(jī)制的優(yōu)點(diǎn),目前主要有按需分配和自由分配相結(jié)合的CFDAMA協(xié)議、固定分配和按需分配相結(jié)合的CFDAMA協(xié)議、隨機(jī)接入和按需分配相結(jié)合的CRDAMA協(xié)議,以及其他類型的混合協(xié)議[5-7]。

3 TDM/FDMA+令牌環(huán)接入?yún)f(xié)議設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

高動(dòng)態(tài)平臺(tái)具有突發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不定等特點(diǎn),且用戶數(shù)量多、對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求高。由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可提供的功率和頻帶均受限,直接制約著用戶容量,因此需要合理設(shè)計(jì)衛(wèi)星多址接入?yún)f(xié)議以滿足高動(dòng)態(tài)平臺(tái)大容量、低時(shí)延的需求。

根據(jù)前面衛(wèi)星通信多址接入方式的比較與分析可知,FDMA方式(FAMA)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但系統(tǒng)頻帶利用率低,容量受限;令牌環(huán)方式(FA)業(yè)務(wù)接入靈活,根據(jù)業(yè)務(wù)變化(優(yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)流量等)可自適應(yīng)地動(dòng)態(tài)調(diào)整令牌環(huán)時(shí)序,充分利用時(shí)序資源,可有效保障信息的時(shí)效性。因此本文結(jié)合工程實(shí)踐,將兩種接入方式有效地結(jié)合,設(shè)計(jì)了TDM/FDMA+令牌環(huán)接入?yún)f(xié)議,適用于高動(dòng)態(tài)平臺(tái)。該協(xié)議業(yè)務(wù)接入靈活、時(shí)延小,可有效提高衛(wèi)星頻帶利用率,同時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

以中心站為中心,多個(gè)遠(yuǎn)端站與中心站利用衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通路組成一個(gè)星狀網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。前向鏈路只有1個(gè)載波,中心站以時(shí)分復(fù)用(TDM)方式向遠(yuǎn)端站發(fā)送信息;返向鏈路有多個(gè)載波,用于多個(gè)子網(wǎng)的遠(yuǎn)端站發(fā)送信息。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中每個(gè)遠(yuǎn)端站永久占用一個(gè)衛(wèi)星信道,當(dāng)無(wú)消息發(fā)送時(shí),其他遠(yuǎn)端站也不能使用該信道,這種方式將耗費(fèi)大量的衛(wèi)星頻帶資源,頻帶利用率低。為了提高頻帶利用率,所有衛(wèi)星資源由中心站統(tǒng)一分配;中心站在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用頻分多址(FDMA)方式將信道資源分配給不同的子網(wǎng),同一子網(wǎng)的遠(yuǎn)端站在相同信道內(nèi)采用令牌環(huán)方式組網(wǎng)通信。

圖1 TDM/FDMA+令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of TDM/FDMA+Toking Ring

3.3 協(xié)議描述

中心站查看本地消息發(fā)送緩沖區(qū),結(jié)合消息數(shù)量和優(yōu)先級(jí),分別從每個(gè)子網(wǎng)中選擇一個(gè)遠(yuǎn)端站分配令牌,將各子網(wǎng)中遠(yuǎn)端站的消息打包組幀,消息長(zhǎng)度不超過(guò)打包限制,并在f1頻率上廣播發(fā)送至衛(wèi)星。每幀數(shù)據(jù)之間發(fā)送時(shí)無(wú)需等待,以TDM方式連續(xù)廣播。

為了防止同一子網(wǎng)內(nèi)的遠(yuǎn)端站消息發(fā)送時(shí)發(fā)生碰撞,中心站在發(fā)送數(shù)據(jù)幀中需考慮一定的保護(hù)時(shí)間間隔。由于衛(wèi)星信道全雙工通信,解決了傳統(tǒng)令牌環(huán)方式半雙工通信帶來(lái)的往返空中傳播時(shí)延長(zhǎng)的問(wèn)題。中心站協(xié)議處理算法如圖2所示。

圖2 中心站協(xié)議處理算法Fig.2 Flowchart of protocol processing algorithm for center station

遠(yuǎn)端站接收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的消息后,判斷接收地址,如果為本平臺(tái)地址,則解析消息正文,判斷是否需要應(yīng)答;如果需要應(yīng)答,則根據(jù)消息內(nèi)容從發(fā)送消息隊(duì)列中選擇待發(fā)送的數(shù)據(jù),按照消息優(yōu)先級(jí)將消息打包,消息長(zhǎng)度不超過(guò)打包限制,在本子網(wǎng)發(fā)送的頻率f2～fn上發(fā)送至衛(wèi)星。

以網(wǎng)絡(luò)中有3個(gè)子網(wǎng)為例,各遠(yuǎn)端站編號(hào)分別為子網(wǎng)1(1、2、3)、子網(wǎng)2(4、5、6)、子網(wǎng)3(7、8、9),中心站與遠(yuǎn)端站之間的衛(wèi)星多址接入?yún)f(xié)議運(yùn)行時(shí)序如圖3所示。3.4 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 協(xié)議運(yùn)行時(shí)序示意圖Fig.3 Time sequence diagram

(1)鏈路層幀結(jié)構(gòu)

鏈路層傳輸?shù)南⒂?部分組成:報(bào)頭、CRC校驗(yàn)、消息正文,消息結(jié)構(gòu)如圖4所示,其中報(bào)頭包含發(fā)送地址、接收地址。

圖4 鏈路層消息結(jié)構(gòu)Fig.4 Frame structure of link layer

(2)物理層幀結(jié)構(gòu)

前向鏈路采用連續(xù)廣播模式,幀結(jié)構(gòu)由幀同步段和數(shù)據(jù)段組成,如圖5所示。

圖5 前向鏈路幀結(jié)構(gòu)Fig.5 Frame structure of forward link

根據(jù)返向信息速率不同,設(shè)計(jì)兩種幀結(jié)構(gòu)。以典型速率3.2 kb/s、6.4 kb/s、12.8 kb/s、25.6 kb/s為例,幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 前向鏈路幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Table 2 Design of forward link frame

返向鏈路采用突發(fā)傳輸模式,每次數(shù)據(jù)傳輸均需重新捕獲衛(wèi)星信號(hào),幀結(jié)構(gòu)由載波同步段、幀同步段和數(shù)據(jù)段組成,如圖6所示。

圖6 返向鏈路幀結(jié)構(gòu)Fig.6 Frame structure of return link

4 性能指標(biāo)分析

(1)信道利用率

前向鏈路采用連續(xù)廣播模式,信道利用率為100%;

返向鏈路采用突發(fā)傳輸模式,信道利用率根據(jù)返向信息速率而不同。圖7描述了3.2 kb/s、6.4 kb/s、12.8 kb/s、25.6 kb/s速率下,采用不同幀結(jié)構(gòu)的返向鏈路信道利用率?？梢?jiàn)隨著速率的增大,衛(wèi)星信道利用率提高,當(dāng)速率為25.6 kb/s時(shí),信道利用率約為97%。

圖7 返向鏈路信道利用率Fig.7 Channel utilization of return link

(2)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)周期

網(wǎng)絡(luò)循環(huán)周期指中心站向子網(wǎng)內(nèi)第1個(gè)遠(yuǎn)端站發(fā)送詢問(wèn)消息開始,至接收到最后1個(gè)遠(yuǎn)端站應(yīng)答消息的時(shí)間。以一個(gè)子網(wǎng)18個(gè)遠(yuǎn)端站為例,圖8描述了3.2 kb/s、6.4 kb/s、12.8 kb/s、25.6 kb/s速率下,采用不同幀結(jié)構(gòu)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時(shí)間,滿足系統(tǒng)時(shí)延指標(biāo)要求。

圖8 網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時(shí)間Fig.8 Network recycle time

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)踐,針對(duì)高動(dòng)態(tài)平臺(tái)衛(wèi)星通信設(shè)計(jì)了一種固定分配與自由分配相結(jié)合的TDM/ FDMA+令牌環(huán)混合接入?yún)f(xié)議,具有業(yè)務(wù)接入靈活、時(shí)延小、衛(wèi)星頻帶利用率高、用戶容量大等特點(diǎn),試驗(yàn)結(jié)果表明該協(xié)議運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,適用于高動(dòng)態(tài)平臺(tái)衛(wèi)星通信,對(duì)于相關(guān)工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

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XIA Xiao-wei was born in Tonghua,Jilin Province,in 1980.She is now an engineer.Her research concerns datalink and satellite communication.

Email:21160717@qq.com

A TDM/FDMA+Token Ring Hybrid Satellite Multiple Access Protocol for High Dynamic Platforms

XIA Xiao-wei
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Basic multiple access techniques in satellite communication are compared.A hybrid satellite multiple access protocol based on Fix Allocation Multiple Access(FAMA)and Free Allocation(FA)is designed for satellite communication system,and specifications and performance are analyzed.Test result shows the proposed protocol is featured by easy accessing,efficient bandwidth utilization and it is applicable for high dynamic mobile platform satellite communication.The research in this papaer has reference value for engineering applications.

mobile satellite communication;multiple access;high dynamic platform;fix allocation;free allocation;TDM/FDMA;toking ring

date:2013-04-07;Revised date:2013-08-05

**通訊作者:21160717@qq.com Corresponding author:21160717@qq.com

TN927

A

1001-893X(2013)10-1343-04

夏曉巍(1980—),女,吉林通化人,工程師,主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)鏈及衛(wèi)星通信。

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.10.017

2013-04-07;

2013-08-05