一種MF-TDMA衛(wèi)星通信混合拓撲網(wǎng)絡(luò)分析

郝學(xué)坤

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

MF-TDMA衛(wèi)星通信體制具有組網(wǎng)靈活、信道資源顆粒度小且分配靈活等優(yōu)點，支持面向用戶和節(jié)點的話音、數(shù)據(jù)及視頻等綜合業(yè)務(wù)傳輸，能夠基于各類業(yè)務(wù)組建星狀、網(wǎng)狀虛擬網(wǎng)絡(luò)或多個重疊虛擬網(wǎng)，已成為網(wǎng)絡(luò)化衛(wèi)星通信發(fā)展的主流。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大和各種能力地球站種類的增多，單一物理網(wǎng)狀或物理星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)各種復(fù)雜多樣化應(yīng)用需求。由多個獨立的星狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的聯(lián)合衛(wèi)星通信系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)管理、資源調(diào)配、組織應(yīng)用及業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量等多個方面處理復(fù)雜，系統(tǒng)運行管理難度大。提出并設(shè)計了一種基于MFTDMA體制的一體化星狀、網(wǎng)狀混合拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合設(shè)計的幀結(jié)構(gòu)，分析了同步控制、載波與時隙配置以及信道資源管理等關(guān)鍵技術(shù)，并給出了相應(yīng)解決方法。

1 混合網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

星狀、網(wǎng)狀混合網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，由多個星狀和一個網(wǎng)狀構(gòu)成。

圖1 星型網(wǎng)狀混合網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意

網(wǎng)狀網(wǎng)中的任意節(jié)點可兼作另一星狀網(wǎng)絡(luò)的中心，星狀網(wǎng)中的小站可以通過該中心與網(wǎng)狀網(wǎng)中的節(jié)點實現(xiàn)業(yè)務(wù)互通，也可以通過網(wǎng)狀網(wǎng)與另一星狀網(wǎng)中的小站業(yè)務(wù)互通。在星狀、網(wǎng)狀混合拓撲網(wǎng)絡(luò)中，僅配置一個管理控制中心，負責(zé)對網(wǎng)絡(luò)和所有站的管理和控制。整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以看作由網(wǎng)狀節(jié)點組成的核心網(wǎng)和星狀網(wǎng)組成的接入網(wǎng)共同構(gòu)成的一個一體化系統(tǒng)。

該種混合網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)特別適用于由多類能力差異較大的地球站構(gòu)成的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，如2.4 m站、1.8 m站、1.2 m站、0.5 m站和0.3 m站等系統(tǒng)中將2.4 m站、1.8 m站和1.2 m站構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)，0.5 m站、0.3 m站和網(wǎng)狀網(wǎng)中的2.4 m站或1.8 m站構(gòu)成一個或多個星狀網(wǎng)。

2 MF-TDMA混合網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

MF-TDMA混合拓撲網(wǎng)絡(luò)的多載波幀結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，所有載波分為網(wǎng)狀網(wǎng)載波和星狀網(wǎng)載波。星狀網(wǎng)小站僅使用星狀網(wǎng)載波發(fā)送突發(fā)信號，網(wǎng)狀節(jié)點站僅在網(wǎng)狀網(wǎng)載波發(fā)送突發(fā)信號。主站和作為星狀網(wǎng)中心的網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點站在接收分配的網(wǎng)狀載波的同時，可根據(jù)需要接收一個或多個星狀網(wǎng)載波。星狀網(wǎng)小站根據(jù)載波規(guī)劃接收其中的一個網(wǎng)狀網(wǎng)載波。網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點站終端需要配置2個解調(diào)器，而星狀網(wǎng)小站僅需配置一個解調(diào)器。

圖2 幀結(jié)構(gòu)及載波配置示意

將網(wǎng)狀網(wǎng)載波中的一個設(shè)置為主載波，主載波上劃分時隙類型包括參考時隙、申請時隙和數(shù)據(jù)時隙，其他載波上時隙為數(shù)據(jù)時隙。所有地球站都要接收主站在參考時隙內(nèi)發(fā)送的參考突發(fā)信號，用于全網(wǎng)統(tǒng)一定時、信道資源分配和網(wǎng)絡(luò)管理等。網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點站在主載波的申請時隙內(nèi)發(fā)送申請突發(fā)，用于信道資源申請及狀態(tài)上報等。星狀網(wǎng)載波時隙包括申請時隙和數(shù)據(jù)時隙。

2.2 同步控制技術(shù)

同步控制包括定時控制、頻率和功率控制等。在MF-TDMA混合拓撲衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)圖1設(shè)計的的幀結(jié)構(gòu)，全網(wǎng)各站都接收參考突發(fā)信號，因此同步控制可以此為基礎(chǔ)采用集中和分布控制相結(jié)合的方式進行。由全網(wǎng)主站和各星狀網(wǎng)中心站構(gòu)成聯(lián)合控制中心，共同實施對各類地球站的同步控制。全網(wǎng)主站提供統(tǒng)一的時間、頻率和功率基準(zhǔn)，并為各網(wǎng)狀節(jié)點站提供主站輔助的閉環(huán)同步控制。兼作星狀網(wǎng)中心的網(wǎng)狀節(jié)點站為所轄星狀網(wǎng)小站提供中心輔助的閉環(huán)同步控制。主站或各中心輔助的閉環(huán)同步控制方法和流程與傳統(tǒng)MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)相同。

2.3 信道資源管理技術(shù)

混合拓撲網(wǎng)絡(luò)中信道資源根據(jù)載波類型可以分為星狀網(wǎng)反向信道資源、網(wǎng)狀雙向與星狀前向共享的信道資源2部分。按照站間通信的類型不同，可分為星狀網(wǎng)小站與網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點站互通、星狀網(wǎng)小站與另一個星狀網(wǎng)小站互通以及網(wǎng)狀網(wǎng)站間互通等3類。

星狀網(wǎng)小站與網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點站互通時，星狀網(wǎng)小站首先利用星狀網(wǎng)載波將業(yè)務(wù)信息發(fā)送到既是該星狀網(wǎng)中心又是網(wǎng)狀節(jié)點的地球站，然后該站將信息通過網(wǎng)狀網(wǎng)載波發(fā)送到目的網(wǎng)狀節(jié)點站;網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點站發(fā)送而星狀網(wǎng)小站接收時，直接在星狀網(wǎng)小站接收的網(wǎng)狀網(wǎng)載波上發(fā)送突發(fā)信號即可。星狀網(wǎng)小站與另一星狀網(wǎng)小站互通時，星狀網(wǎng)小站首先通過星狀網(wǎng)載波將信息發(fā)送到該星狀網(wǎng)中心站，然后由該星狀網(wǎng)中心站將信息發(fā)送到另一星狀網(wǎng)小站接收的網(wǎng)狀網(wǎng)載波上實現(xiàn)業(yè)務(wù)互通。網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點站間互通方法與傳統(tǒng)MF-TDMA系統(tǒng)相同。

從地球站間各種互通分類可以看出，星狀網(wǎng)小站申請信道資源時涉及星狀網(wǎng)載波和網(wǎng)狀網(wǎng)載波。首先星狀網(wǎng)小站根據(jù)業(yè)務(wù)情況申請相應(yīng)的星狀網(wǎng)載波時隙信道資源，然后由該星狀網(wǎng)中心站根據(jù)該小站的業(yè)務(wù)互通情況再申請相應(yīng)的網(wǎng)狀網(wǎng)載波時隙信道資源。由此可以看出，星狀網(wǎng)小站與其他站通信時涉及2次信道申請過程，任意一次失敗都將建鏈不成功。

根據(jù)上述各站使用信道資源的特點，設(shè)計的混合拓撲網(wǎng)絡(luò)中信道資源分配采用集中控制和分布式控制相結(jié)合的分配方法。信道資源分配單元由一個網(wǎng)狀網(wǎng)載波分配單元和多個星狀網(wǎng)載波分配單元構(gòu)成。網(wǎng)狀網(wǎng)載波分配單元配置在主站，實行集中控制方式;星狀網(wǎng)載波分配單元配置在各星狀網(wǎng)業(yè)務(wù)中心站，實現(xiàn)對所轄載波的分配。

星狀網(wǎng)小站的信道申請和分配過程示意如圖3所示。星狀網(wǎng)小站向星狀網(wǎng)中心站申請星狀網(wǎng)載波的時隙信道資源，中心站查看是否有足夠空閑信道，若沒有信道則直接拒絕，若有信道則在查看業(yè)務(wù)流向后向全網(wǎng)主站申請對端站所處網(wǎng)狀網(wǎng)載波的時隙信道資源。全網(wǎng)主站為其分配信道后，星狀網(wǎng)中心站再為星狀網(wǎng)小站分配時隙信道。由此看出，分配過程由星狀網(wǎng)中心和全網(wǎng)主站共同完成，建鏈時間約4跳衛(wèi)星延時。網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點站間互通時，信道申請過程與傳統(tǒng)MF-TDMA系統(tǒng)相同，建鏈時間約2跳衛(wèi)星延時。

圖3 星狀網(wǎng)小站信道申請和分配過程示意

3 結(jié)束語

星狀、網(wǎng)狀一體的混合拓撲衛(wèi)星網(wǎng)相對于由多個獨立系統(tǒng)聯(lián)合構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，在組織管理、信道資源的有效利用、業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量保證等諸多方面有優(yōu)勢。該文設(shè)計了一個基于MF-TDMA體制的混合網(wǎng)，給出了幀結(jié)構(gòu)、載波配置與使用方法。特別適用于由多種能力站型構(gòu)成的較大規(guī)模衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可以在一個網(wǎng)內(nèi)構(gòu)建核心網(wǎng)和接入網(wǎng)，在充分發(fā)揮各站收發(fā)能力和保證業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量基礎(chǔ)上大大簡化各地球站內(nèi)設(shè)備配置和管理。

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