陳杰+谷世紅

摘 要 在使用透明轉(zhuǎn)發(fā)器的MF-TDMA（多頻時分多址）衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)，利用頻率跳變收發(fā)、變速率調(diào)制解調(diào)技術(shù)結(jié)合信道資源分時按需分配機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)對全部載波資源的高效利用，極大的擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。但多載波組網(wǎng)的特點(diǎn)也使廣播業(yè)務(wù)所占用的信道資源成倍增加。通過對透明轉(zhuǎn)發(fā)的MF-TDMA體制特點(diǎn)和常見廣播實(shí)現(xiàn)方式的研究，提出了一種基于多解調(diào)器分路解調(diào)的解決方案，有效解決了多載波擴(kuò)容和廣播業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)間的矛盾。

關(guān)鍵詞 MF-TDMA；廣播；信道資源

中圖分類號：TN927 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0027-02

1 MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡介

MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)是在傳統(tǒng)單載波TDMA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了頻率跳變發(fā)送和接收、變速率調(diào)制解調(diào)技術(shù)，從而可以利用一套調(diào)制解調(diào)設(shè)備，使得各地面站可以分時在多個載波進(jìn)行收發(fā)。如圖1所示，除了參考時隙所有站均跳到載波1的頻點(diǎn)速率接收參考外，其他時刻，各站的解調(diào)器職守在某一條載波上，發(fā)往某站的數(shù)據(jù)將在分配的時隙內(nèi)跳到該站的職守載波進(jìn)行發(fā)送，也就“發(fā)跳收不跳”。通過有針對性的將業(yè)務(wù)站分配到不同載波職守，可將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分?jǐn)偟蕉鄠€載波發(fā)送。并結(jié)合TDMA按需分配機(jī)制，將各站對信道資源的共享擴(kuò)展到多條載波上。圖1MF-TDMA系統(tǒng)中，AB站和CD間業(yè)務(wù)分散到了載波2和載波3上，同時，對業(yè)務(wù)量不大的E站，則職守在一條較低速率載波，以減少帶寬使用。

圖1 MF-TDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)示意

MF-TDMA系統(tǒng)提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，實(shí)現(xiàn)了TDMA系統(tǒng)的擴(kuò)容，但也帶來了一些問題。由于各站對所有載波的共享是基于跳頻發(fā)送實(shí)現(xiàn)的，因此在一個站無法在同一時隙內(nèi)在多個載波下發(fā)送。如圖1所示，B站在第n時隙被分配向E站所在的1載波發(fā)送數(shù)據(jù)，那么該時隙B站將能再向2、3載波的n時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。這種原則被稱為MF-TDMA資源分配過程中的“載波間時隙分配躲避原則”。由于這條基本原則的存在，在MF-TDMA系統(tǒng)中，為了達(dá)到廣播的目的，廣播站往往需要重復(fù)占用多個載波的信道資源，大大降低了系統(tǒng)傳輸效率，這對于有著大量多點(diǎn)廣播業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，例如IP通信網(wǎng)、視頻會議網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生了很大影響，限制了系統(tǒng)應(yīng)用。因此，有必要對MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)廣播技術(shù)進(jìn)行研究，解決廣播在多載波應(yīng)用上的效率問題。

2 MF-TDMA系統(tǒng)三種數(shù)據(jù)廣播方式

目前MF-TDMA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)廣播的方式主要有三種：多頻復(fù)制分發(fā)、定時跳頻收發(fā)和星狀組網(wǎng)廣播。這三種方式各自適應(yīng)于MF-TDMA系統(tǒng)某種應(yīng)用環(huán)境，也各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1）多頻復(fù)制分發(fā)。多頻復(fù)制分發(fā)的廣播方式，是通過在多個載波同時申請廣播時隙，廣播發(fā)送站可以在不同載波的不同時隙位置復(fù)制發(fā)送同一突發(fā)數(shù)據(jù)，使各載波的職守站在一個幀周期內(nèi)均能獲取同樣的數(shù)據(jù)，達(dá)到廣播的效果。但是，這種方式在各站間傳輸時延抖動較大，只適合于非實(shí)時性質(zhì)業(yè)務(wù)發(fā)送；且由于發(fā)送站調(diào)制器需要發(fā)送多份數(shù)據(jù)，實(shí)際單站的最大廣播發(fā)送速率為單條載波信息速率/載波數(shù)，在載波數(shù)較多時，大大限制了該種應(yīng)用方式的應(yīng)用。

2）定時跳頻分發(fā)。定時跳頻分發(fā)廣播方式是利用頻率跳變發(fā)送和接收技術(shù)，將廣播時隙分配在一個固定載波上，在廣播時隙到來時，廣播發(fā)送站跳到該載波頻點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，同時，各接收站解調(diào)器也跳到該頻點(diǎn)進(jìn)行接收，實(shí)現(xiàn)“一發(fā)多收”的廣播。這種廣播方式最大的好處在于大大提升了單站的廣播能力，避免了因多次發(fā)送同一份數(shù)據(jù)而造成的發(fā)送能力的浪費(fèi)。同時，由于廣播數(shù)據(jù)在同一時刻收發(fā)，各站間的時延抖動較小，比較適合于實(shí)時業(yè)務(wù)的傳輸。但這種廣播發(fā)送方式由于各接收站均要同時跳收，因此需要將同一時隙的多個載波資源同時分配給廣播使用，接收廣播時，點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)無法接收，系統(tǒng)總的載波資源的占用并沒有減少。

3）星狀組網(wǎng)廣播。采用星狀組網(wǎng)廣播的方式，其幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。星狀組網(wǎng)廣播主要應(yīng)用于中心站廣播分發(fā)、遠(yuǎn)端站向中心回傳的星狀應(yīng)用環(huán)境。處于中心地位的廣播站單獨(dú)使用一條前向載波發(fā)送數(shù)據(jù)（如圖2所示載波1），其所有發(fā)送數(shù)據(jù)均為廣播，所有遠(yuǎn)端站通收；其他遠(yuǎn)端小站使用其他TDMA載波（如圖2所示載波2）向中心站進(jìn)行回傳。通過單獨(dú)配置多個解調(diào)器或采用多載波并行解調(diào)技術(shù)，中心站可以同時接收多條返向載波的數(shù)據(jù)；同時，通過提高中心站發(fā)送能力，可令前向載波使用較高速率，實(shí)現(xiàn)高速的廣播分發(fā)；甚至，通過中心站的轉(zhuǎn)發(fā)，遠(yuǎn)端小站還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端站間互通或經(jīng)由中心轉(zhuǎn)發(fā)的二次廣播分發(fā)。

星狀組網(wǎng)廣播由于廣播占用單獨(dú)的前向載波實(shí)現(xiàn)，無須考慮MF-TDMA系統(tǒng)中時隙躲避的問題，因此，具有最高效的信道使用效率。但是，這種組網(wǎng)方式并不適用于多點(diǎn)廣播需求，因?yàn)檫h(yuǎn)端站發(fā)送廣播數(shù)據(jù)時需要同時占用返向和前向載波，用于數(shù)據(jù)發(fā)往中心站和中心站前向轉(zhuǎn)發(fā)，資源開銷大；且傳輸有兩次上星過程，傳輸時延翻倍。因此星狀組網(wǎng)廣播方式僅適應(yīng)于單中心廣播的應(yīng)用環(huán)境。

圖2 三種廣播方式幀結(jié)構(gòu)示意圖

3 廣播載波應(yīng)用方式的實(shí)現(xiàn)

廣播載波應(yīng)用方式的其核心思想是利用MF-TDMA體制中多載波的優(yōu)勢，增加一條專門的廣播載波用于廣播發(fā)送，并在地面終端上增加一路解調(diào)器，專門用于接收該載波廣播數(shù)據(jù)。如圖3所示，為具備雙路解調(diào)的地面終端設(shè)備組成帶廣播載波的MF-TDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)。

圖3 廣播載波廣播方式幀結(jié)構(gòu)示意

廣播發(fā)送端數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，地面終端需根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的目的地址，區(qū)分出該數(shù)據(jù)是否為廣播數(shù)據(jù)。如果為廣播數(shù)據(jù)，則在廣播載波上申請時隙資源完成發(fā)送；反之，則根據(jù)目的站的職守載波申請對應(yīng)載波的時隙資源完成發(fā)送。接收站兩個解調(diào)器分別解調(diào)一般業(yè)務(wù)載波和廣播載波兩路載波信號，并在基帶數(shù)據(jù)出口合路，同時接收。通過以上方法，達(dá)到了以下目的。

1）將廣播統(tǒng)一發(fā)送到廣播載波，相當(dāng)于恢復(fù)了單載波系統(tǒng)的天然廣播特性，大大節(jié)省了信道資源。

2）實(shí)現(xiàn)了廣播數(shù)據(jù)的一發(fā)多收，各站可以實(shí)現(xiàn)廣播數(shù)據(jù)的同時接收，業(yè)務(wù)實(shí)時性能得到較好保障。

3）點(diǎn)對點(diǎn)和廣播數(shù)據(jù)分路解調(diào)，使得廣播數(shù)據(jù)接收和點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)接收可以同時進(jìn)行。

4 應(yīng)用實(shí)例

下面以一個應(yīng)用實(shí)例來對比以上幾種廣播方式在實(shí)現(xiàn)過程中，在資源占用和實(shí)時性方面的情況。某MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)由3個地面站構(gòu)成，可用系統(tǒng)資源為2-3條4Mbps載波，廣播業(yè)務(wù)量為1 Mbps，如果各站均有可能廣播。那么，分別采用四種廣播方式廣播業(yè)務(wù)占用資源對比情況如下。

5 總結(jié)

從以上分析可以看出，三種傳統(tǒng)的MF-TDMA系統(tǒng)廣播方式都具有各自的缺陷和局限性，對實(shí)現(xiàn)廣播業(yè)務(wù)靈活的應(yīng)用產(chǎn)生了較大限制。通過在地面終端中增加解調(diào)器，引入廣播載波的廣播方式，則能夠較好的解決傳統(tǒng)廣播方式固有的問題，大大減小了MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中廣播業(yè)務(wù)占用的信道資源，并使之能與對點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)共存，具有高效、簡潔、實(shí)時性好的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]郝學(xué)坤，孫晨華，李文鐸，MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)體制研究[J].無線電通信技術(shù)，2006，32（5）.

[2]張雪，倪貴強(qiáng)，金鳳林.MF-TDMA信道分配研究[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2010，38（11）.

[3]CELANDRONI N，F(xiàn)ERRO E，JAMES N，F(xiàn)ODA/IBEATDMA：a flexible fade countermeasure system in user oriented networks[J].Journal of Satellite Communications，1992（06）：309-323.

[4]郝學(xué)坤.MF-TDMA衛(wèi)星通信多站型組網(wǎng)體制研究[J].無線電通信技術(shù)，2012，38（1）.

作者簡介

陳杰（1982-），男，重慶人，工程師，研究生，研究方向：衛(wèi)星通信技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。endprint

摘 要 在使用透明轉(zhuǎn)發(fā)器的MF-TDMA（多頻時分多址）衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)，利用頻率跳變收發(fā)、變速率調(diào)制解調(diào)技術(shù)結(jié)合信道資源分時按需分配機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)對全部載波資源的高效利用，極大的擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。但多載波組網(wǎng)的特點(diǎn)也使廣播業(yè)務(wù)所占用的信道資源成倍增加。通過對透明轉(zhuǎn)發(fā)的MF-TDMA體制特點(diǎn)和常見廣播實(shí)現(xiàn)方式的研究，提出了一種基于多解調(diào)器分路解調(diào)的解決方案，有效解決了多載波擴(kuò)容和廣播業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)間的矛盾。

關(guān)鍵詞 MF-TDMA；廣播；信道資源

中圖分類號：TN927 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0027-02

1 MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡介

MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)是在傳統(tǒng)單載波TDMA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了頻率跳變發(fā)送和接收、變速率調(diào)制解調(diào)技術(shù)，從而可以利用一套調(diào)制解調(diào)設(shè)備，使得各地面站可以分時在多個載波進(jìn)行收發(fā)。如圖1所示，除了參考時隙所有站均跳到載波1的頻點(diǎn)速率接收參考外，其他時刻，各站的解調(diào)器職守在某一條載波上，發(fā)往某站的數(shù)據(jù)將在分配的時隙內(nèi)跳到該站的職守載波進(jìn)行發(fā)送，也就“發(fā)跳收不跳”。通過有針對性的將業(yè)務(wù)站分配到不同載波職守，可將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分?jǐn)偟蕉鄠€載波發(fā)送。并結(jié)合TDMA按需分配機(jī)制，將各站對信道資源的共享擴(kuò)展到多條載波上。圖1MF-TDMA系統(tǒng)中，AB站和CD間業(yè)務(wù)分散到了載波2和載波3上，同時，對業(yè)務(wù)量不大的E站，則職守在一條較低速率載波，以減少帶寬使用。

圖1 MF-TDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)示意

MF-TDMA系統(tǒng)提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，實(shí)現(xiàn)了TDMA系統(tǒng)的擴(kuò)容，但也帶來了一些問題。由于各站對所有載波的共享是基于跳頻發(fā)送實(shí)現(xiàn)的，因此在一個站無法在同一時隙內(nèi)在多個載波下發(fā)送。如圖1所示，B站在第n時隙被分配向E站所在的1載波發(fā)送數(shù)據(jù)，那么該時隙B站將能再向2、3載波的n時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。這種原則被稱為MF-TDMA資源分配過程中的“載波間時隙分配躲避原則”。由于這條基本原則的存在，在MF-TDMA系統(tǒng)中，為了達(dá)到廣播的目的，廣播站往往需要重復(fù)占用多個載波的信道資源，大大降低了系統(tǒng)傳輸效率，這對于有著大量多點(diǎn)廣播業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，例如IP通信網(wǎng)、視頻會議網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生了很大影響，限制了系統(tǒng)應(yīng)用。因此，有必要對MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)廣播技術(shù)進(jìn)行研究，解決廣播在多載波應(yīng)用上的效率問題。

2 MF-TDMA系統(tǒng)三種數(shù)據(jù)廣播方式

目前MF-TDMA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)廣播的方式主要有三種：多頻復(fù)制分發(fā)、定時跳頻收發(fā)和星狀組網(wǎng)廣播。這三種方式各自適應(yīng)于MF-TDMA系統(tǒng)某種應(yīng)用環(huán)境，也各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1）多頻復(fù)制分發(fā)。多頻復(fù)制分發(fā)的廣播方式，是通過在多個載波同時申請廣播時隙，廣播發(fā)送站可以在不同載波的不同時隙位置復(fù)制發(fā)送同一突發(fā)數(shù)據(jù)，使各載波的職守站在一個幀周期內(nèi)均能獲取同樣的數(shù)據(jù)，達(dá)到廣播的效果。但是，這種方式在各站間傳輸時延抖動較大，只適合于非實(shí)時性質(zhì)業(yè)務(wù)發(fā)送；且由于發(fā)送站調(diào)制器需要發(fā)送多份數(shù)據(jù)，實(shí)際單站的最大廣播發(fā)送速率為單條載波信息速率/載波數(shù)，在載波數(shù)較多時，大大限制了該種應(yīng)用方式的應(yīng)用。

2）定時跳頻分發(fā)。定時跳頻分發(fā)廣播方式是利用頻率跳變發(fā)送和接收技術(shù)，將廣播時隙分配在一個固定載波上，在廣播時隙到來時，廣播發(fā)送站跳到該載波頻點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，同時，各接收站解調(diào)器也跳到該頻點(diǎn)進(jìn)行接收，實(shí)現(xiàn)“一發(fā)多收”的廣播。這種廣播方式最大的好處在于大大提升了單站的廣播能力，避免了因多次發(fā)送同一份數(shù)據(jù)而造成的發(fā)送能力的浪費(fèi)。同時，由于廣播數(shù)據(jù)在同一時刻收發(fā)，各站間的時延抖動較小，比較適合于實(shí)時業(yè)務(wù)的傳輸。但這種廣播發(fā)送方式由于各接收站均要同時跳收，因此需要將同一時隙的多個載波資源同時分配給廣播使用，接收廣播時，點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)無法接收，系統(tǒng)總的載波資源的占用并沒有減少。

3）星狀組網(wǎng)廣播。采用星狀組網(wǎng)廣播的方式，其幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。星狀組網(wǎng)廣播主要應(yīng)用于中心站廣播分發(fā)、遠(yuǎn)端站向中心回傳的星狀應(yīng)用環(huán)境。處于中心地位的廣播站單獨(dú)使用一條前向載波發(fā)送數(shù)據(jù)（如圖2所示載波1），其所有發(fā)送數(shù)據(jù)均為廣播，所有遠(yuǎn)端站通收；其他遠(yuǎn)端小站使用其他TDMA載波（如圖2所示載波2）向中心站進(jìn)行回傳。通過單獨(dú)配置多個解調(diào)器或采用多載波并行解調(diào)技術(shù)，中心站可以同時接收多條返向載波的數(shù)據(jù)；同時，通過提高中心站發(fā)送能力，可令前向載波使用較高速率，實(shí)現(xiàn)高速的廣播分發(fā)；甚至，通過中心站的轉(zhuǎn)發(fā)，遠(yuǎn)端小站還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端站間互通或經(jīng)由中心轉(zhuǎn)發(fā)的二次廣播分發(fā)。

星狀組網(wǎng)廣播由于廣播占用單獨(dú)的前向載波實(shí)現(xiàn)，無須考慮MF-TDMA系統(tǒng)中時隙躲避的問題，因此，具有最高效的信道使用效率。但是，這種組網(wǎng)方式并不適用于多點(diǎn)廣播需求，因?yàn)檫h(yuǎn)端站發(fā)送廣播數(shù)據(jù)時需要同時占用返向和前向載波，用于數(shù)據(jù)發(fā)往中心站和中心站前向轉(zhuǎn)發(fā)，資源開銷大；且傳輸有兩次上星過程，傳輸時延翻倍。因此星狀組網(wǎng)廣播方式僅適應(yīng)于單中心廣播的應(yīng)用環(huán)境。

圖2 三種廣播方式幀結(jié)構(gòu)示意圖

3 廣播載波應(yīng)用方式的實(shí)現(xiàn)

廣播載波應(yīng)用方式的其核心思想是利用MF-TDMA體制中多載波的優(yōu)勢，增加一條專門的廣播載波用于廣播發(fā)送，并在地面終端上增加一路解調(diào)器，專門用于接收該載波廣播數(shù)據(jù)。如圖3所示，為具備雙路解調(diào)的地面終端設(shè)備組成帶廣播載波的MF-TDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)。

圖3 廣播載波廣播方式幀結(jié)構(gòu)示意

廣播發(fā)送端數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，地面終端需根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的目的地址，區(qū)分出該數(shù)據(jù)是否為廣播數(shù)據(jù)。如果為廣播數(shù)據(jù)，則在廣播載波上申請時隙資源完成發(fā)送；反之，則根據(jù)目的站的職守載波申請對應(yīng)載波的時隙資源完成發(fā)送。接收站兩個解調(diào)器分別解調(diào)一般業(yè)務(wù)載波和廣播載波兩路載波信號，并在基帶數(shù)據(jù)出口合路，同時接收。通過以上方法，達(dá)到了以下目的。

1）將廣播統(tǒng)一發(fā)送到廣播載波，相當(dāng)于恢復(fù)了單載波系統(tǒng)的天然廣播特性，大大節(jié)省了信道資源。

2）實(shí)現(xiàn)了廣播數(shù)據(jù)的一發(fā)多收，各站可以實(shí)現(xiàn)廣播數(shù)據(jù)的同時接收，業(yè)務(wù)實(shí)時性能得到較好保障。

3）點(diǎn)對點(diǎn)和廣播數(shù)據(jù)分路解調(diào)，使得廣播數(shù)據(jù)接收和點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)接收可以同時進(jìn)行。

4 應(yīng)用實(shí)例

下面以一個應(yīng)用實(shí)例來對比以上幾種廣播方式在實(shí)現(xiàn)過程中，在資源占用和實(shí)時性方面的情況。某MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)由3個地面站構(gòu)成，可用系統(tǒng)資源為2-3條4Mbps載波，廣播業(yè)務(wù)量為1 Mbps，如果各站均有可能廣播。那么，分別采用四種廣播方式廣播業(yè)務(wù)占用資源對比情況如下。

5 總結(jié)

從以上分析可以看出，三種傳統(tǒng)的MF-TDMA系統(tǒng)廣播方式都具有各自的缺陷和局限性，對實(shí)現(xiàn)廣播業(yè)務(wù)靈活的應(yīng)用產(chǎn)生了較大限制。通過在地面終端中增加解調(diào)器，引入廣播載波的廣播方式，則能夠較好的解決傳統(tǒng)廣播方式固有的問題，大大減小了MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中廣播業(yè)務(wù)占用的信道資源，并使之能與對點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)共存，具有高效、簡潔、實(shí)時性好的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]郝學(xué)坤，孫晨華，李文鐸，MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)體制研究[J].無線電通信技術(shù)，2006，32（5）.

[2]張雪，倪貴強(qiáng)，金鳳林.MF-TDMA信道分配研究[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2010，38（11）.

[3]CELANDRONI N，F(xiàn)ERRO E，JAMES N，F(xiàn)ODA/IBEATDMA：a flexible fade countermeasure system in user oriented networks[J].Journal of Satellite Communications，1992（06）：309-323.

[4]郝學(xué)坤.MF-TDMA衛(wèi)星通信多站型組網(wǎng)體制研究[J].無線電通信技術(shù)，2012，38（1）.

作者簡介

陳杰（1982-），男，重慶人，工程師，研究生，研究方向：衛(wèi)星通信技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。endprint

摘 要 在使用透明轉(zhuǎn)發(fā)器的MF-TDMA（多頻時分多址）衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)，利用頻率跳變收發(fā)、變速率調(diào)制解調(diào)技術(shù)結(jié)合信道資源分時按需分配機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)對全部載波資源的高效利用，極大的擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。但多載波組網(wǎng)的特點(diǎn)也使廣播業(yè)務(wù)所占用的信道資源成倍增加。通過對透明轉(zhuǎn)發(fā)的MF-TDMA體制特點(diǎn)和常見廣播實(shí)現(xiàn)方式的研究，提出了一種基于多解調(diào)器分路解調(diào)的解決方案，有效解決了多載波擴(kuò)容和廣播業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)間的矛盾。

關(guān)鍵詞 MF-TDMA；廣播；信道資源

中圖分類號：TN927 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0027-02

1 MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡介

MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)是在傳統(tǒng)單載波TDMA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了頻率跳變發(fā)送和接收、變速率調(diào)制解調(diào)技術(shù)，從而可以利用一套調(diào)制解調(diào)設(shè)備，使得各地面站可以分時在多個載波進(jìn)行收發(fā)。如圖1所示，除了參考時隙所有站均跳到載波1的頻點(diǎn)速率接收參考外，其他時刻，各站的解調(diào)器職守在某一條載波上，發(fā)往某站的數(shù)據(jù)將在分配的時隙內(nèi)跳到該站的職守載波進(jìn)行發(fā)送，也就“發(fā)跳收不跳”。通過有針對性的將業(yè)務(wù)站分配到不同載波職守，可將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分?jǐn)偟蕉鄠€載波發(fā)送。并結(jié)合TDMA按需分配機(jī)制，將各站對信道資源的共享擴(kuò)展到多條載波上。圖1MF-TDMA系統(tǒng)中，AB站和CD間業(yè)務(wù)分散到了載波2和載波3上，同時，對業(yè)務(wù)量不大的E站，則職守在一條較低速率載波，以減少帶寬使用。

圖1 MF-TDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)示意

MF-TDMA系統(tǒng)提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，實(shí)現(xiàn)了TDMA系統(tǒng)的擴(kuò)容，但也帶來了一些問題。由于各站對所有載波的共享是基于跳頻發(fā)送實(shí)現(xiàn)的，因此在一個站無法在同一時隙內(nèi)在多個載波下發(fā)送。如圖1所示，B站在第n時隙被分配向E站所在的1載波發(fā)送數(shù)據(jù)，那么該時隙B站將能再向2、3載波的n時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。這種原則被稱為MF-TDMA資源分配過程中的“載波間時隙分配躲避原則”。由于這條基本原則的存在，在MF-TDMA系統(tǒng)中，為了達(dá)到廣播的目的，廣播站往往需要重復(fù)占用多個載波的信道資源，大大降低了系統(tǒng)傳輸效率，這對于有著大量多點(diǎn)廣播業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，例如IP通信網(wǎng)、視頻會議網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生了很大影響，限制了系統(tǒng)應(yīng)用。因此，有必要對MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)廣播技術(shù)進(jìn)行研究，解決廣播在多載波應(yīng)用上的效率問題。

2 MF-TDMA系統(tǒng)三種數(shù)據(jù)廣播方式

目前MF-TDMA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)廣播的方式主要有三種：多頻復(fù)制分發(fā)、定時跳頻收發(fā)和星狀組網(wǎng)廣播。這三種方式各自適應(yīng)于MF-TDMA系統(tǒng)某種應(yīng)用環(huán)境，也各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1）多頻復(fù)制分發(fā)。多頻復(fù)制分發(fā)的廣播方式，是通過在多個載波同時申請廣播時隙，廣播發(fā)送站可以在不同載波的不同時隙位置復(fù)制發(fā)送同一突發(fā)數(shù)據(jù)，使各載波的職守站在一個幀周期內(nèi)均能獲取同樣的數(shù)據(jù)，達(dá)到廣播的效果。但是，這種方式在各站間傳輸時延抖動較大，只適合于非實(shí)時性質(zhì)業(yè)務(wù)發(fā)送；且由于發(fā)送站調(diào)制器需要發(fā)送多份數(shù)據(jù)，實(shí)際單站的最大廣播發(fā)送速率為單條載波信息速率/載波數(shù)，在載波數(shù)較多時，大大限制了該種應(yīng)用方式的應(yīng)用。

2）定時跳頻分發(fā)。定時跳頻分發(fā)廣播方式是利用頻率跳變發(fā)送和接收技術(shù)，將廣播時隙分配在一個固定載波上，在廣播時隙到來時，廣播發(fā)送站跳到該載波頻點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，同時，各接收站解調(diào)器也跳到該頻點(diǎn)進(jìn)行接收，實(shí)現(xiàn)“一發(fā)多收”的廣播。這種廣播方式最大的好處在于大大提升了單站的廣播能力，避免了因多次發(fā)送同一份數(shù)據(jù)而造成的發(fā)送能力的浪費(fèi)。同時，由于廣播數(shù)據(jù)在同一時刻收發(fā)，各站間的時延抖動較小，比較適合于實(shí)時業(yè)務(wù)的傳輸。但這種廣播發(fā)送方式由于各接收站均要同時跳收，因此需要將同一時隙的多個載波資源同時分配給廣播使用，接收廣播時，點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)無法接收，系統(tǒng)總的載波資源的占用并沒有減少。

3）星狀組網(wǎng)廣播。采用星狀組網(wǎng)廣播的方式，其幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。星狀組網(wǎng)廣播主要應(yīng)用于中心站廣播分發(fā)、遠(yuǎn)端站向中心回傳的星狀應(yīng)用環(huán)境。處于中心地位的廣播站單獨(dú)使用一條前向載波發(fā)送數(shù)據(jù)（如圖2所示載波1），其所有發(fā)送數(shù)據(jù)均為廣播，所有遠(yuǎn)端站通收；其他遠(yuǎn)端小站使用其他TDMA載波（如圖2所示載波2）向中心站進(jìn)行回傳。通過單獨(dú)配置多個解調(diào)器或采用多載波并行解調(diào)技術(shù)，中心站可以同時接收多條返向載波的數(shù)據(jù)；同時，通過提高中心站發(fā)送能力，可令前向載波使用較高速率，實(shí)現(xiàn)高速的廣播分發(fā)；甚至，通過中心站的轉(zhuǎn)發(fā)，遠(yuǎn)端小站還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端站間互通或經(jīng)由中心轉(zhuǎn)發(fā)的二次廣播分發(fā)。

星狀組網(wǎng)廣播由于廣播占用單獨(dú)的前向載波實(shí)現(xiàn)，無須考慮MF-TDMA系統(tǒng)中時隙躲避的問題，因此，具有最高效的信道使用效率。但是，這種組網(wǎng)方式并不適用于多點(diǎn)廣播需求，因?yàn)檫h(yuǎn)端站發(fā)送廣播數(shù)據(jù)時需要同時占用返向和前向載波，用于數(shù)據(jù)發(fā)往中心站和中心站前向轉(zhuǎn)發(fā)，資源開銷大；且傳輸有兩次上星過程，傳輸時延翻倍。因此星狀組網(wǎng)廣播方式僅適應(yīng)于單中心廣播的應(yīng)用環(huán)境。

圖2 三種廣播方式幀結(jié)構(gòu)示意圖

3 廣播載波應(yīng)用方式的實(shí)現(xiàn)

廣播載波應(yīng)用方式的其核心思想是利用MF-TDMA體制中多載波的優(yōu)勢，增加一條專門的廣播載波用于廣播發(fā)送，并在地面終端上增加一路解調(diào)器，專門用于接收該載波廣播數(shù)據(jù)。如圖3所示，為具備雙路解調(diào)的地面終端設(shè)備組成帶廣播載波的MF-TDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)。

圖3 廣播載波廣播方式幀結(jié)構(gòu)示意

廣播發(fā)送端數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，地面終端需根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的目的地址，區(qū)分出該數(shù)據(jù)是否為廣播數(shù)據(jù)。如果為廣播數(shù)據(jù)，則在廣播載波上申請時隙資源完成發(fā)送；反之，則根據(jù)目的站的職守載波申請對應(yīng)載波的時隙資源完成發(fā)送。接收站兩個解調(diào)器分別解調(diào)一般業(yè)務(wù)載波和廣播載波兩路載波信號，并在基帶數(shù)據(jù)出口合路，同時接收。通過以上方法，達(dá)到了以下目的。

1）將廣播統(tǒng)一發(fā)送到廣播載波，相當(dāng)于恢復(fù)了單載波系統(tǒng)的天然廣播特性，大大節(jié)省了信道資源。

2）實(shí)現(xiàn)了廣播數(shù)據(jù)的一發(fā)多收，各站可以實(shí)現(xiàn)廣播數(shù)據(jù)的同時接收，業(yè)務(wù)實(shí)時性能得到較好保障。

3）點(diǎn)對點(diǎn)和廣播數(shù)據(jù)分路解調(diào)，使得廣播數(shù)據(jù)接收和點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)接收可以同時進(jìn)行。

4 應(yīng)用實(shí)例

下面以一個應(yīng)用實(shí)例來對比以上幾種廣播方式在實(shí)現(xiàn)過程中，在資源占用和實(shí)時性方面的情況。某MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)由3個地面站構(gòu)成，可用系統(tǒng)資源為2-3條4Mbps載波，廣播業(yè)務(wù)量為1 Mbps，如果各站均有可能廣播。那么，分別采用四種廣播方式廣播業(yè)務(wù)占用資源對比情況如下。

5 總結(jié)

從以上分析可以看出，三種傳統(tǒng)的MF-TDMA系統(tǒng)廣播方式都具有各自的缺陷和局限性，對實(shí)現(xiàn)廣播業(yè)務(wù)靈活的應(yīng)用產(chǎn)生了較大限制。通過在地面終端中增加解調(diào)器，引入廣播載波的廣播方式，則能夠較好的解決傳統(tǒng)廣播方式固有的問題，大大減小了MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中廣播業(yè)務(wù)占用的信道資源，并使之能與對點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)共存，具有高效、簡潔、實(shí)時性好的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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