MF-TDMA衛星通信系統網絡規劃技術研究

沈 玉

(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

衛星通信系統具有通信距離遠、通信費用與距離無關、覆蓋面積大、不受地理條件限制、通信頻帶寬、傳輸容量大及適用多種用戶進行多種業務傳輸等突出特點。隨著各用戶信息化建設進程的加快，各種應用正朝著以IP為主流平臺的網絡化方向發展，需要具有可以靈活組網和支持中高速傳輸能力的新型寬帶衛星通信網。MF-TDMA技術體制的衛星通信系統正是在此需求基礎上發展起來的。

MF-TDMA衛星通信系統具有靈活組網和大小站兼容等特點，可以結合地面網絡技術實現面向節點和用戶的綜合業務傳輸與組網需求，目前已成為國內外衛星應用與研究的熱點。MF-TDMA技術體制的設計與實現方式非常靈活，存在多種組網應用模式，因此需要對MF-TDMA組網應用模式進行研究，從而使MF-TDMA系統能夠發揮最大作用。同時MF-TDMA系統參數配置具有較大的靈活性，存在多種方案，需要網絡規劃決策支持軟件提供參數配置方案，為MF-TDMA系統參數配置提供決策支持，才能充分發揮MF-TDMA衛星通信系統最大效能。

1 MF-TDMA系統組網模式研究

1．1 概述

MF-TDMA也稱“多頻時分多址技術”，采用FDMA與TDMA相結合的二維多址方式，每個載波容納一個用戶群，每個用戶占用幀結構的不同時隙設置，通過載波的跳變實現不同用戶群之間的業務互通，構成多個用戶群組成的通信網，支持一點對多點傳輸，特別是能夠支持大量中、小地球站靈活組網。MF-TDMA系統可實現衛星資源的動態分配，對IP等數據業務資源利用率高。

MF-TDMA組網應用時，一個主站發送TDMA參考信號并作為全網各站的時間參考基準和一個備份主站用于主站出現故障時接替主站的工作。一般業務站以主站為參考，并按照主站下發的幀計劃在分配給本站的時隙內發送突發信息，一般業務站也可配置幀計劃產生單元，以便于當主站或備份主站發生不可恢復故障時，方便地將一般業務站配置為主站，從而增強網絡的抗毀性。網絡結構如圖1所示。

圖1 MF-TDMA衛星通信系統組網示意圖

MF-TDMA系統的主要特點如下:

①支持一點對多點傳輸，具有靈活的組網能力;

②支持綜合業務傳輸，可與多種地面網絡互聯互通;

③可支持小型地球站終端的使用;

④便于實現數據廣播和數據共享;

⑤可實現衛星資源的動態分配，對IP數據業務資源利用率高。

1．2 MF-TDMA系統典型組網應用模式

MF-TDMA衛星通信系統可以滿足用戶對中高速靈活組網衛星通信的需求，將衛星通信的多址方式以及廣播特性與地面分組交換技術相結合，依據不同的分組標識，識別不同業務、不同目的地從而組成星狀網、網狀網或混合網。

1．2．1 星型網

星型網用于點到多點、各點之間無業務通信的應用方式，例如測繪/氣象等信息的探測與分發、視音頻廣播回傳等。支持話音/傳真、視頻和IP數據等業務。

此種網絡為1個中心站和若干個遠端站，構成面向中心的信息采集網或通過中心站中轉的星狀通信網。業務可星狀單跳互通，中心站將信息通過出向傳輸信道發布出去，由各遠端站接收。各遠端站再將信息通過入向信道傳送到中心站。在網控中心組織下，任意遠端站可回傳，在一個時間內只允許一個遠端站回傳。

1．2．2 網狀網

網狀網使用場合很多，用于點對多點和各點之間有業務聯系的應用方式，例如數據網、電話網和Internet接入等。

網狀組網應用可分為大站組網應用、小站組網應用和大小站混合組網應用等。大站組網主要是由固定站、中型以上移動站單獨或混合組成的中高速綜合業務網。小站組網主要是由小型移動站組成的低速綜合業務網。大小站混合組網就是固定站、中型以上移動站和小型移動站等混合組成。按照網內工作的站數量、業務類型和業務量的初步估算，配置各站參數。

各站可傳輸話音、傳真、視頻和IP數據等用戶業務。各站話音、傳真和IP數據等業務可網狀單跳互通。

1．2．3 全 IP 組網

在星型組網和網狀組網應用模式中，均可采用全IP組網方式。地球站可根據用戶的使用情況提供2種接入方式:通過路由器幀中繼協議接入和通過網橋與IP數據網的接入。

1．2．4 虛擬子網

虛擬子網應用于網內存在業務獨立的子網，子網內有通信業務，子網間無通信業務的場合。這種應用方式通過全網統一管理控制。

2 MF-TDMA系統網絡規劃

MF-TDMA系統組網具有很大的靈活性，對于相同的通信網建設或任務保障要求，存在多種系統配置方案，但不同的方案幀效率不同和對星上資源占用也不同。MF-TDMA系統網絡規劃［1］是為 MFTDMA衛星通信系統的優化使用提供支持，在保障任務需求和服務質量的前提下，給出幀效率較高、轉發器資源利用率較高和地面站型配置合理的系統配置方案。

2．1 規劃流程

MF-TDMA網絡規劃過程實際就是載波規劃［2］的過程，主要是對站型、載波數量，載波速率和幀結構等內容進行規劃，該過程相當復雜，需要大量的計算。流程主要分為3部分，包括業務估算、載波數量和速率規劃、衛星鏈路預算和幀結構規劃。

2．1．1 業務估算

輸入用戶需求，包括任務區域、地球站類型和數量、地球站互通關系、業務類型和業務量等信息，進行話音、傳真、視頻和數據等的業務估算，得出全網總信息速率如下(考慮 C%的MF-TDMA系統開銷):

(話音/傳真總信息速率+視頻總信息速率+數據業務總信息速率)×(1+C%)。

2．1．2 載波數量和速率規劃

利用載波規劃程序對一個任務進行規劃時，首先需要明確任務中網內地球站的數量、各站之間的連通性、每對存在通信聯系的站之間的業務量以及各個站的天線口徑等。程序規劃的結果包括該網使用的載波數量、各個載波的速率以及幀結構。

當未輸入地球站的天線口徑時，程序將天線口徑作為一種規劃輸出。程序在接收到輸入后，首先判斷子網中各站的天線口徑是否都已確定，以確保在以后進行載波分配和時隙劃分的運算中，每個站都至少有一個明確的天線口徑，并且程序將遍歷所有可能的站型組合，將每種組合都進行載波分配和時隙劃分運行，得出所有可能的結果。

在確定了地球站的天線口徑后，還要判斷這些天線口徑之間是否存在很大差異。當天線口徑差異不大時，則選定一個衛星增益檔和編碼方式的組合，以主站接收的業務量和全網廣播業務量作為載波速率，在其他站之間做鏈路預算。當鏈路預算滿足要求時，只使用主載波;否則，需同時采用主載波和副主載波。在具體確定載波數和地球站的值守載波之前，需先將地球站按天線口徑分組，并在分組內以地球站接收業務量為標準進行降序排序。為了方便進行功率控制，程序會盡量使口徑相同的地球站值守在同一載波上。

確定地球站值守載波的運算方式如下:

①將所有天線口徑相同的地球站值守在同一載波上，載波速率是該載波上的所有接收業務量之和;

②根據載波速率在同一載波地球站上進行鏈路預算;

③如果鏈路預算都符合要求，則該口徑的地球站就值守在同一載波上;否則就將進行載波分裂，也就是使用2條載波，每條載波上只有先前一半數量的地球站，并且值守站接收業務量的總和盡量相近;

④然后各條載波重復以上的過程直到所有站都符合鏈路預算的要求。

以上過程完成后，雖然對各個地球站都分配了載波，但是還可能存在載波數量超過最大可用載波數的情況。如果出現了這種情況，就要進行載波合并，合并的原則是選取口徑相似的地球站，使其值守在同一載波上，這樣可以在某些情況下，滿足鏈路預算要求并減少載波數量。在載波合并后，如果載波數仍不滿足要求，就需要使用新的增益檔和編碼方式重新進行計算。如果載波數滿足了要求，則根據幀長度和幀效率［3］與基本數據時隙長度和基本數據時隙個數的制約關系確定組幀方案。如果成功找到了合適的組幀方案，那么一種合適的載波規劃方案就產生了。為了找出最優的規劃方案，程序需要遍歷所有可能的編碼方式與衛星增益檔的組合，找出所有可能的方案。

另外，如果網絡中地球站數量很少但是站型不一致，可以將所有地球站放在一個載波上，以減少使用的載波數從而節省衛星頻帶資源。

2．1．3 幀結構規劃

幀結構規劃的過程如下:

①根據地球站數量確定基本幀數量;

②確定主載波或副主載波的基本數據時隙數量，計算基本數據時隙長度和容量，確定主載波幀結構;

③根據業務載波和主載波的速率，確定每個業務載波的基本數據時隙數量，計算各個業務載波的基本數據時隙長度和容量。

在確定了主載波和業務載波的幀結構后，進行幀效率計算，看是否滿足幀效率和業務量。不滿足時，可根據業務量差值微調載波速率，并進行鏈路預算。

2．1．4 衛星鏈路預算

鏈路預算是MF-TDMA網規劃很重要的步驟，結合氣象信息，使用給定的衛星轉發器參數，進行鏈路預算，結果應滿足鏈路可用度要求，且功率帶寬占用基本平衡。

衛星鏈路計算公式包括［4］:

(1)上行載噪比(C/T)u 單位dBW/K

式中:EIRPe為地球站有效全向輻射功率(dBW);Lu為上行線路總損耗(dB);(G/T)s為衛星接收系統品質因素(dB/K);Ws為衛星飽和通量密度(dBW/m2);BOi為衛星輸入補償(dB);為接收天線單位有效面積的增益(dB)。

(2)下行載噪比(C/T)d 單位dB/K

式中:EIRPs為衛星有效輻射功率(dBW);BOo為衛星輸出補償(dB);Ld為下行鏈路總損耗(dB);(G/Te為接收站的品質因數(dB/K)。

(3)交調載噪比:(C/T)IM及其他干擾

通常用實驗或計算機模擬的方法［5］來求得載波功率與互調噪聲平均功率譜密度之比［C/N0］IM，并用等效噪聲溫度折算處理(雖然它實際并不是白噪聲)，即［C/T］IM=［C/N0］IM－228.6。此外通常給出的數據是對應衛星單載波飽和的，因而對應于實際工作點，載波總功率與互調噪聲等效噪聲溫度之比為:

式中，［CS/T］IM是衛星轉發器單載波飽和輸出功率與實際工作點上落入所關心頻帶內的互調噪聲等效噪聲溫度之比的分貝數，它本身是隨輸入補償加大而較快地增加的。

除交調外，其他干擾還有鄰道干擾、鄰星干擾、共信道干擾和交叉極化干擾等，一般說來這些干擾噪聲的頻譜也不是平坦的，但在實驗的基礎上可把它們等效成熱噪聲處理。使用計算中，可參考衛星制造公司給出的有關干擾影響的數據資料。在信道設計時應留有相應余量。

(4)總載噪比［C/T］t

(5)門限載噪比［C/T］th

式中:Eb/N0為每碼元能量與噪聲功率密度比(dB);IR為信息數據率(包括TDMA開銷);M為系統余量;K為玻爾茲曼常數，K=－22.8 dBW/K·Hz。

3 MF-TDMA系統網絡規劃方案仿真評估

評估［6］是決策學的一個重要分支。評估(或評價)是管理過程中的一個重要活動和節點，是為決策服務的。輸入是對象和目的，輸出是結論和建議，提供決策者決策，同時作為開展后續工作進行方案“權衡優化”的輸入之一。評估是決策的前提。評估的核心是“度量”的過程，決策的核心行為是“選擇”的過程。沒有評估，就無法決策。

通過對載波規劃程序規劃［7］出的系統配置方案進行仿真評估，從而驗證方案的可行性，找出系統的不足之處并提出改進意見。首先，進行仿真場景的設計［8］;然后對仿真場景加載不同的業務量，進行網絡和業務Qos性能的統計和分析;對比仿真結果和理論設計，分析網絡規劃方案的合理性及是否滿足用戶的應用需求，以使系統獲得最合理的網絡資源配置和較高的資源利用率。

4 系統網絡規劃決策支持軟件的實現

4．1 開發環境

操作系統:WindowsXP Professional sp2;語言:JAVA;IDE:Eclipse3.4.2或其他Java集成開發環境及JDK1.6;數據庫管理軟件:Oracle9i;

中間件:Tao5.6.9;

軟件形式:Eclipse RCP插件;

其他第三方插件或者工具能夠與上述開發環境兼容。

4．2 系統實現

①預規劃［9］:預規劃主要實現業務量的估算;

②輸入預規劃信息后，點擊［確定］按鈕，生成預規劃輸出視圖;

③TDMA網絡載波規劃:選擇TDMA網絡規劃視圖中的［載波規劃輸入］菜單項。點擊［載波規劃］按鈕，進行載波規劃運算并輸出;

④TDMA網絡規劃評估:在TDMA網絡規劃視圖中選擇［規劃評估輸入］菜單項，選擇要進行評估的方案，然后點擊［規劃評估］按鈕。由規劃評估結果可以看出總體評估結果分數最高的方案，即為最佳方案。

5 結束語

隨著現代通信信息化建設進程的加快，以IP為主流平臺的網絡化飛速發展，各種應用對中高速靈活組網衛星通信的需求越來越迫切。目前，MF-TDMA網是唯一支持中高速綜合業務組網，也支持小系統獨立組網應用的網絡體系。該網系可方便、靈活地接入IP、FR和ATM等業務，網絡抗毀性和網絡重構能力強，可充分滿足各種應用對綜合業務傳輸與組網的需求。

MF-TDMA技術體制的設計與實現方式非常靈活，存在多種組網應用模式，要想使MF-TDMA系統能夠發揮最大作用，就要充分考慮在不同情況下的MF-TDMA組網應用模式，對其進行深入研究。同時MF-TDMA系統參數配置也具有較大的靈活性，對于相同的通信網建設或任務保障要求，存在多種方案，但不同的方案幀效率不同，對星上資源占用也不同，因此需要研究決策支持技術并進行MF-TDMA網絡規劃。MF-TDMA網絡規劃就是要在保障任務需求和服務質量的前提下，給出幀效率較高、轉發器資源利用率較高和地面站型配置合理的系統配置方案。針對此需求，開發出相應的網絡規劃軟件，為系統提供多種參數配置方案，充分發揮MF-TDMA衛星通信系統最大效能。

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