孫 凱，陸振宇

（南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044）

0 引言

隨著我國“走出去”戰(zhàn)略不斷推進，軍事衛(wèi)星通信的作用和地位也不斷被強化。軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)擁有通信距離遠、覆蓋面積廣、通信容量大的特點，是我軍通信信息系統(tǒng)的重要組成部分[1?5]。目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常采用有中心管理方式，用戶終端（VSAT 站）在入退網(wǎng)以及資源分配流程上都是通過統(tǒng)一的中央管理站進行控制調(diào)度，這種方式可以最大化利用寶貴的衛(wèi)星通信資源，優(yōu)化系統(tǒng)工作流程[6?8]。但是在軍事對抗通信環(huán)境下，作為系統(tǒng)中樞的中央管理站將成為敵對方的重點打擊目標，從而變成了整個系統(tǒng)最為薄弱的環(huán)節(jié)。

為了防止該類情況，提升整個衛(wèi)星系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗毀能力，國內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法開展對于無中心衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究。目前的研究主要分為TDMA 和FDMA 兩類衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。針對TDMA 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)方面，前蘇聯(lián)曾經(jīng)投入使用的SPADE 系統(tǒng)提出業(yè)務(wù)信道為SCPC/DAMA 方式，控制信道采用TDMA 的方式[9]；文獻[10]介紹了一種TDMA 衛(wèi)星通信系統(tǒng)自組網(wǎng)方法。但考慮到TDMA 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)申請通信資源頻繁復(fù)雜，又需要達到全網(wǎng)同步，這嚴重限制了其在無中心網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，因此無中心FDMA 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)簡單可靠的特點被更多學(xué)者所看好[11?13]。針對FDMA 無中心衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)方面，文獻[14]介紹了一種SCPC/FDMA 衛(wèi)星通信系統(tǒng)自組網(wǎng)方法，但考慮的情況比較理想化，沒有考慮到信道檢測出錯、多用戶搶占信道資源發(fā)生碰撞以及在CSC 信道中以ALOHA 爭用的方式發(fā)送通信申請產(chǎn)生丟包等異常情況，并不能直接應(yīng)用于工程實踐中。本文提出一種無中心FDMA 衛(wèi)星通信系統(tǒng)資源控制策略，綜合考慮整個無中心衛(wèi)星通信環(huán)境，提出一種基于C/S 架構(gòu)的半實物仿真驗證方法，Client 端程序幾乎不用修改就可移植到衛(wèi)星終端中與調(diào)制解調(diào)單元配合工作。

1 無中心FDMA 衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 本文模型和FDMA 資源分割方案設(shè)計

本文主要針對中小規(guī)模（用戶節(jié)點數(shù)目為10～50）的特定需求應(yīng)用環(huán)境（特戰(zhàn)/應(yīng)急通信等），在無中央管理站介入，各站點僅知道可用衛(wèi)星帶寬資源的前提下，使網(wǎng)內(nèi)的用戶站能夠?qū)崿F(xiàn)自主入退網(wǎng)和衛(wèi)星資源的按需分配。因為在通信網(wǎng)內(nèi)不設(shè)中心基站，所以各個站點（VSAT 站）的功能和作用均相同，并且呈全網(wǎng)狀連接。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

全網(wǎng)將信道資源分成兩個部分，即CSC 公共信道和業(yè)務(wù)信道。其中，業(yè)務(wù)信道等間隔劃分成多條信道（即帶寬相同），又將這么多條信道分成高端和低端兩個通道組，成一一對應(yīng)關(guān)系[14]，信道劃分如圖2 所示。這樣做的目的是在主叫端占用上一個群組內(nèi)的一條業(yè)務(wù)信道后，就同時給被叫端占用了另一個群組內(nèi)對應(yīng)的一條業(yè)務(wù)信道，當被叫端在CSC 信道中收到主叫端的通信申請時，就可以直接在對應(yīng)的業(yè)務(wù)信道上和主叫端建立通信、傳輸數(shù)據(jù)。CSC信道的作用有兩個：一是各站處于空閑狀態(tài)時保持監(jiān)聽CSC的下行信道，判斷是否有需要和自己建立通信的報文；二是當需要建立通信時，各站在CSC信道上以ALOHA 爭用方式發(fā)送通信請求。業(yè)務(wù)信道的作用是充當各站點成功建立通信后傳輸數(shù)據(jù)的通道。

圖2 信道劃分圖

1.2 無中心訪問控制策略設(shè)計

整個無中心通信流程分成建鏈和拆鏈兩個過程，下面分別對這兩個過程進行分析。

1.2.1 建鏈過程

1）信道檢測。各站點入網(wǎng)后，便對所有業(yè)務(wù)信道進行掃描，獲得業(yè)務(wù)信道的忙閑信息。這里有一定的概率發(fā)生檢測出錯的狀況，即把忙碌狀態(tài)的信道檢測成空閑信道，亦或是把空閑信道檢測成忙碌信道。第一種情況會導(dǎo)致在占用信道時用戶產(chǎn)生碰撞；而第二種情況對整個通信流程雖然無較大影響，但是會在一定程度上降低信道資源的利用率。

2）占用信道。當站點需要建立通信時，根據(jù)第一步信道檢測的結(jié)果，獲取信道的忙閑信息，通過自發(fā)自收的方式占用空閑信道。如果能收到該站自發(fā)的相關(guān)數(shù)據(jù)就說明成功占用上一對業(yè)務(wù)信道，如果不能收到就說明在自發(fā)自收的過程中發(fā)生碰撞，考慮兩種情形：第一種是在檢測信道時發(fā)生錯誤，去占用已被占用的信道資源，產(chǎn)生碰撞；第二種是多個用戶搶占同一信道資源相互干擾，需要重新掃描業(yè)務(wù)信道獲取新的信道忙閑信息。

3）通信申請。在成功占用上一對業(yè)務(wù)信道后，主叫端需要在CSC 信道以ALOHA 爭用的方式發(fā)送通信請求。該通信請求包含兩個信息：一是需要與哪一個站建立通信；二是主叫端占用的哪一對業(yè)務(wù)信道，即通道組中相對應(yīng)的頻點信息。因為CSC 信道是公共信道資源，會產(chǎn)生丟包，所以主叫端在發(fā)送通信請求后仍然要保持監(jiān)聽CSC 的下行信道。若等待一段時間后收到了該通信請求，則說明發(fā)送通信申請成功，等待被叫端應(yīng)答；若未收到自己發(fā)的通信請求，就說明丟包需要延時重新發(fā)送通信申請。

4）通信建立。各站點的作用和功能相同，當主叫端監(jiān)聽CSC 的下行信道，收到自己發(fā)的通信申請的信息時，則其他各站點也應(yīng)該都會收到該通信申請，并回復(fù)主叫端是否應(yīng)答。若被叫端回復(fù)應(yīng)答，被叫端會占用主叫端占用的一個頻點傳輸數(shù)據(jù)，成功建立通信。若被叫端不應(yīng)答或是正在和其他站建立通信，主叫端在等待一段時間后仍沒有收到應(yīng)答的信息，就會作通信建立失敗的處理。

1.2.2 拆鏈過程

通信結(jié)束：有兩種情況需要走拆鏈流程。第一種是主叫端通信申請發(fā)送成功，但是未能收到被叫端的應(yīng)答信息；第二種是主叫端和被叫端成功建立通信，傳輸數(shù)據(jù)完畢，通信結(jié)束之后。第一種的處理方式是主叫端放棄對業(yè)務(wù)信道的占用，隨機延時重新建立通信；第二種的處理方式是主叫端和被叫端都放棄對業(yè)務(wù)信道的占用，回歸掃描業(yè)務(wù)信道的空閑狀態(tài)，并且保持監(jiān)聽CSC下行信道。當下次需要建立通信時重復(fù)上述建鏈、拆鏈的過程，可以實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)用戶站的自主入退網(wǎng)。通信流程如圖3 所示。

圖3 通信流程圖

2 具有C/S 架構(gòu)的半實物仿真驗證

2.1 半實物仿真框架

本文實際仿真的實現(xiàn)采用N個用戶站和1 個仲裁者的方式，用戶站的信息統(tǒng)一發(fā)送到仲裁者，仲裁者加入延時模擬信道環(huán)境，判斷是否發(fā)生碰撞并模擬丟包等情況。

程序架構(gòu)采用C/S 架構(gòu)，不同于普通仿真的是，基于C/S 架構(gòu)的半實物仿真設(shè)計，后續(xù)終端的仿真程序框架可以直接替換調(diào)制解調(diào)器就能在硬件上進行驗證[15]。因為通信流程圖對于實際模擬仿真而言還不夠直觀，所以在流程圖的基礎(chǔ)上根據(jù)建鏈、拆鏈過程，設(shè)計C/S 架構(gòu)的框架圖來描述整個通信過程中信息的交互?？蚣軋D主要分為四個模塊，分別是信道資源檢測模塊、占用信道資源模塊、通信請求模塊和結(jié)束通信模塊，如圖4 所示。

圖4 C/S 架構(gòu)的框架圖

Client 端的功能是模擬用戶站。每一個Client 端有三種狀態(tài)：空閑狀態(tài)、主叫狀態(tài)、被叫狀態(tài)。當Client 端處于空閑狀態(tài)時保持監(jiān)聽CSC 信道。當Client 端需要建立通信時，由空閑狀態(tài)切入主叫狀態(tài)，發(fā)送詢問信道是否空閑的包給Server 端，這里詢問的方式是從第一條信道開始依次往下詢問。Client 端若收到信道是忙碌的，則重新發(fā)送詢問下一條信道是否空閑；若收到信道是空閑的，則發(fā)送占用該信道資源數(shù)據(jù)包給Server 端。當Client 端收到發(fā)生碰撞信息時，隨機延時之后重新發(fā)送占用包給Server 端；若Client 端收到未發(fā)生碰撞信息時，說明Client 端成功占用上信道并向Server 端發(fā)送通信請求。在Client 端等待一段時間后仍然沒有收到應(yīng)答時，Client 端會延時重新發(fā)送通信申請，若重發(fā)三次依舊收不到應(yīng)答信息，就視作通信失敗，發(fā)通信結(jié)束包給Server 端。當Client 端在空閑狀態(tài)時收到Server 端轉(zhuǎn)發(fā)的建立通信申請包時，Client 端從空閑狀態(tài)切換到被叫狀態(tài)并回復(fù)對應(yīng)的Client 端（主叫端）是否應(yīng)答。

Server 端的功能是作為仲裁者模擬信道環(huán)境。當收到Client 端的詢問信道是否空閑的包時，Server 端根據(jù)提前配置好的信道忙閑信息回復(fù)Client 端信道是否空閑，同時以一定的概率檢測出錯。當收到Client 端的信道占用包時，若Server 端在上一個模塊出現(xiàn)檢測出錯或者Server 端在較短時間內(nèi)收到多個用戶搶占同一信道資源時，會回復(fù)Client 端發(fā)生碰撞；若未出現(xiàn)上述兩種情況就會回復(fù)未發(fā)生碰撞。當收到Client 端（主叫端）的通信申請包時，Server 端延時后轉(zhuǎn)發(fā)通信請求給另一個Client 端（被叫端）并模擬產(chǎn)生丟包，若Server 端收到被叫端的回復(fù)，會回傳給主叫端。當Server 端接收到通信結(jié)束包時，會轉(zhuǎn)發(fā)給被叫端并釋放掉被占用的信道資源。

2.2 仿真模擬驗證軟件詳細設(shè)計

分別建立客戶端和服務(wù)器端兩個模型。

對于客戶端模型，通過對多個客服端設(shè)置不同的本地端口號來模擬不同的用戶站，并對各個客戶端配置相同的本地地址和遠程端口號。因為每個用戶端有三種狀態(tài)：空閑狀態(tài)、主叫狀態(tài)、被叫狀態(tài)，所以在客戶端中加入狀態(tài)機分別用0，1，2 表示這三種狀態(tài)。在客戶端加入業(yè)務(wù)到達時間模型和業(yè)務(wù)通話時長模型，其中業(yè)務(wù)到達時間（即業(yè)務(wù)通話頻率）服從泊松分布，業(yè)務(wù)通話時長服從指數(shù)分布。當用戶站處于空閑狀態(tài)時，啟動業(yè)務(wù)到達時間模型，直到用戶站需要建立通信時關(guān)閉業(yè)務(wù)到達時間模型。當用戶站成功建立通信，需要傳輸數(shù)據(jù)時，啟動業(yè)務(wù)通話時長模型，直到用戶站結(jié)束通信時關(guān)閉業(yè)務(wù)通話時長模型。此時用戶站由主叫狀態(tài)切換到空閑狀態(tài)，并繼續(xù)啟動業(yè)務(wù)到達時間模型。若在空閑狀態(tài)時收到通信請求，則客戶端由空閑狀態(tài)切換到被叫狀態(tài)，并關(guān)閉業(yè)務(wù)到達時間模型直到通信結(jié)束后，再重新打開切回空閑狀態(tài)。

對于服務(wù)器端模型，將本地端口號設(shè)置成客戶端配置的遠程端口號，將服務(wù)器端的本地地址設(shè)置成客戶端配置的本地地址。在仿真過程中的服務(wù)器端記錄總共需要建立通信的次數(shù)、未成功占用上信道的次數(shù)以及未成功建立通信的次數(shù)，計算出不同條件下正常通信過程和加入異常情形的呼通率，并繪制出呼通率與信道數(shù)、用戶數(shù)、業(yè)務(wù)平均到達時間、業(yè)務(wù)平均通話時長四者之間的關(guān)系曲線圖。最終實現(xiàn)無中心FDMA 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)流程的半實物仿真實驗。

3 仿真結(jié)果及分析

衡量該無中心FDMA 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用效果，可以從呼通率這個角度入手，而呼通率又與4 個仿真因素有關(guān)，分別是信道數(shù)、用戶數(shù)、業(yè)務(wù)平均到達時間、業(yè)務(wù)平均通話時長，下面分別分析不同的因素對于呼通率的不同影響。

3.1 信道數(shù)與呼通率關(guān)系

固定用戶數(shù)、業(yè)務(wù)平均到達時間、業(yè)務(wù)平均通話時長，模擬仿真不同信道數(shù)下呼通率的變化情況。取用戶數(shù)為30 個、業(yè)務(wù)模型采用通信網(wǎng)業(yè)務(wù)模型，業(yè)務(wù)平均到達時間為500 s、業(yè)務(wù)平均通話時長為15 s，令信道數(shù)為4，6，8，10，12，14，16，18，20。

由圖5 仿真結(jié)果可知，呼通率隨著信道數(shù)的增加而不斷提高，正常通信過程中當信道數(shù)達到用戶數(shù)的時，呼通率已接近100%，之后再增加用戶數(shù)呼通率保持不變。加入信道檢測出錯概率1%和產(chǎn)生3%的丟包率，在該模型下，呼通率略有下降，產(chǎn)生了2%左右的呼損。在信道資源配置合理時，呼通率會維持在98%左右，達不到理想化的100%呼通率。

圖5 信道數(shù)與呼通率關(guān)系

3.2 用戶數(shù)與呼通率關(guān)系

固定信道數(shù)、業(yè)務(wù)平均到達時間、業(yè)務(wù)平均通話時長，模擬仿真不同用戶數(shù)下呼通率的變化情況。取信道數(shù)為4 個、業(yè)務(wù)模型采用通信網(wǎng)業(yè)務(wù)模型，業(yè)務(wù)平均到達時間為500 s、業(yè)務(wù)平均通話時長為15 s，令用戶數(shù)為4，8，12，16，20，24，28。

由圖6 仿真結(jié)果可知，正常通信過程和加入異常情形后的通信過程，呼通率的大致趨勢都是隨著用戶數(shù)的增加而不斷下降。相比于理想曲線，加入1%信道出錯概率和3% 丟包率的通信過程會多產(chǎn)生2% 左右的呼損。

圖6 用戶數(shù)與呼通率關(guān)系

3.3 業(yè)務(wù)平均到達時間與呼通率關(guān)系

固定信道數(shù)、用戶數(shù)、業(yè)務(wù)通話時長，模擬仿真不同業(yè)務(wù)通話頻率下呼通率的變化情況。取信道數(shù)為10個、用戶數(shù)為30 個、業(yè)務(wù)平均通話時長為15 s，令業(yè)務(wù)平均到達時間為50 s，100 s，150 s，200 s，250 s，300 s，350 s，400 s，450 s，500 s。

由圖7 仿真結(jié)果可知，呼通率隨著業(yè)務(wù)平均到達時間的增加而不斷上升，正常通信過程當業(yè)務(wù)平均到達時間擴大到300 s 時，呼通率已接近100%，達到99.745%，之后再增加業(yè)務(wù)平均到達時間，呼通率幾乎不變。加入信道檢測出錯概率1%和3%丟包率的通信過程，業(yè)務(wù)平均到達時間與呼通率之間的關(guān)系曲線圖與正常通信過程大致相同。當業(yè)務(wù)平均到達時間擴大到一定量時，增長逐步變緩，最終呼通率維持在97.3%左右。

圖7 業(yè)務(wù)平均到達時間與呼通率關(guān)系

3.4 業(yè)務(wù)平均通話時長與呼通率關(guān)系

固定信道數(shù)、用戶數(shù)、業(yè)務(wù)平均到達時間，模擬仿真不同業(yè)務(wù)平均通話時長下呼通率的變化情況。取信道數(shù)為10個、用戶數(shù)為30個、業(yè)務(wù)平均到達時間為500 s，令業(yè)務(wù)平均通話時長為10 s，20 s，30 s，40 s，50 s，60 s，70 s，80 s。

由圖8 仿真結(jié)果可知，呼通率隨著業(yè)務(wù)通話時長的增加而不斷下降，正常通信過程的曲線和加入1%信道檢測出錯概率和3%丟包率后的曲線圖基本一致。加入異常情形的呼通率比正常通信過程的呼通率平均低2%左右。

圖8 業(yè)務(wù)平均通話時長與呼通率關(guān)系

4 結(jié)語

本文針對特殊應(yīng)用環(huán)境下的中小規(guī)模用戶站，開展基于FDMA 的無中心衛(wèi)星通信系統(tǒng)資源控制策略研究。提出具有C/S 架構(gòu)的半實物仿真驗證方法，并設(shè)計仿真模擬驗證軟件。在構(gòu)建的半實物仿真驗證平臺上，仿真出正常通信過程和加入異常情形通信過程的4 組對比曲線圖。其中，呼通率與信道數(shù)、用戶數(shù)、業(yè)務(wù)平均到達時間、業(yè)務(wù)平均通話時長四者之間的曲線變化，符合實際衛(wèi)通情形。加入異常情形的曲線圖與正常通信過程的曲線圖變化趨勢基本保持一致，驗證了本文提出的無中心FDMA 衛(wèi)星通信系統(tǒng)資源控制策略的可行性和正確性。半實物仿真架構(gòu)在設(shè)計之初就依照工程研制的標準進行功能模塊劃分，客戶端采用C++程序可直接移植到衛(wèi)星終端與調(diào)制解調(diào)單元配合工作，目前正在開展基于ARM 處理器和FreeRTOS操作系統(tǒng)的代碼移植工作。