一種MF_TDMA衛星通信系統星狀拓撲網絡分析

中國電子科技集團公司第五十四研究所 張方明

?

一種MF_TDMA衛星通信系統星狀拓撲網絡分析

中國電子科技集團公司第五十四研究所 張方明

【摘要】在分析多頻時分多址（MF-TDMA）體制特點基礎上，結合新的數字化實現水平和多載波并行解調技術，提出了一種基于多載波并行解調技術構建MF-TDMA 體制星狀拓撲網絡的方法。首先對多載波整體解調技術進行了介紹，然后設計了MF-TDMA 星狀網的組網流程和同步控制方法，最后提出了基于中心轉發的業務站互通方法。

【關鍵詞】MF-TDMA；星狀拓撲網；同步控制方法

0　引言

MF-TDMA 衛星通信體制具有組網靈活、資源利用率高等優點，支持面向用戶和節點的話音、數據及視頻等綜合業務傳輸，已成為網絡化衛星通信發展的主流。MF-TDMA衛星通信系統組網方式主要可分為網狀組網和星狀組網兩種。網狀組網一般適用于站能力相當的站間實現對等組網，當個別站型能力差別較大時，可以通過靈活配置大小站的值守載波速率以實現大小站混合組網，但當大量站型能力都不相同的情況下，載波配置會非常復雜且很難保證各站地球站之間完全的點對點業務互通。而星狀組網方式則能很好的克服以上問題，實現大規模組網下的大小站混合組網互通。本文設計了一種基于MF_TDMA體制的星狀拓撲網絡，并給出了詳細的組網流程、同步控制方法及業務互通方法。

1　多載波整體解調技術

在星狀拓撲網絡中，中心站使用一條高速前向載波實現向小站的突發數據發送，同時，需要在多條返向信道上接收各遠端用戶終端的上行突發信號。若每條返向信道對應一個解調器，那么當網絡規模較大時，中心站的解調器數量將非常可觀。多載波整體解調技術是星狀網中心站返向信道處理單元關鍵技術，可實現多路混合信號的分路，完成星狀網通信系統中心站同時處理多路突發信號的功能。

多載波整體解調技術涉及通信領域中多路突發信號的分路和整體解調全數字化處理技術。它采用了對多路突發信號的數字化分路、整體解調的信號捕獲、時鐘同步、載波同步，減少了硬件復雜度，提高了單個解調器的處理能力。

實現多載波解調的關鍵在于數字化分路，數字化分路實現采用多相陣列FFT法。多相陣列FFT數字分路算法是基于多抽樣率變頻的數字信號處理技術，其實現結構是從均勻DFT濾波器組數學模型引申出來的。多相陣列FFT算法由多相濾波器組和FFT模塊兩部分組成。多相濾波器組完成信號匹配以及信號濾波功能，FFT變換實際上完成了載頻搬移和卷積濾波兩個過程，即將有載頻的信號搬移到零頻率后再用低通濾波器得到所需信號，由于采樣存在偏差需要數字化整體解調來實現突發信號的捕獲、時鐘同步和載波同步。

目前，多載波整體解調器能夠實現最多112路突發信號同時解調，支持符號速率32K-8Msps。

2　星狀網幀結構

星狀拓撲的幀結構如圖1所示，前向載波由中心站發送，遠端站接收，返向載波組由遠端站發送中心站接收。

前向載波由于沒有時隙的競爭問題，突發越長效率越高，因此前向載波的幀結構按照效率最優的原則自動生成，返向載波的幀結構可按照實際應用需求進行配置。

前向載波中設計參考突發，用于中心站向遠端站發送網絡信息和控制信息，同時用于遠端站的接收鏈路的調整；返向載波組中設計測距突發和申請突發，測距突發用于遠端站的發送鏈路的初始調整，申請突發用于遠端站的控制信息上報和發送鏈路的同步保持。

圖1　星狀拓撲幀結構

3　星狀網同步控制技術

同步控制包括定時控制、頻率控制和功率控制。

在星狀拓撲衛星通信網絡中，根據圖1設計的的幀結構，中心站和遠端站均沒有自發自收閉環調整的能力。所以中心站采用固定定時同步方案，遠端站采用中心站輔助定時同步方案。

將中心站的收發時間進行直接關聯，不進行調整，中心站按照嚴格的時間關系進行發送和接收，并將中心站的信號往返時延（ Round Trip Time，RTT） RTTm在參考中下發到遠端站。遠端站的接收時間通過中心站的參考突發進行調整，完成接收支路的時間同步；遠端站根據RTTm和本站的信號往返時延RTTs計算本站的發送時間，在測距時隙發送測距突發，中心站接收該突發后，提取誤差信息，并在參考突發中下發，輔助遠端站進行發送時間的調整，完成全網的定時同步。如圖2所示，遠端站在t1時刻發送第N幀突發，在t5時刻接收第N幀突發，中心站在t3時刻進行第N幀突發的發送和接收，即遠端站的第N幀突發的發送比接收提前中心站RTTm和遠端站RTTs之和。

功率控制分為三部分完成，中心站初始功率控制，遠端站功率控制和中心站組網功率控制。

中心站在遠端站入網前，使用前向載波進行自發自收，調整本站的發送電平和接收衰減，完成中心站的初始功率控制，本階段完成后，進行中心站組網功率控制，不再進行自發自收。

遠端站的功率控制通過主站輔助反饋式控制調整方式。遠端站根據接收中心站前向載波上的參考突發，調整本站的接收衰減，完成調整后，在返向載波組上發送測距突發，中心站接收測距突發后，根據接收測距突發狀態，在參考突發中向遠端站反饋其發送電平的調整信息，遠端站根據調整信息進行本站的發送電平的調整。在遠端站入網后，中心站根據其發送申請的狀態，反饋調整信息。

圖2　星狀拓撲定時關系示意圖

中心站在完成組網后，需要根據遠端站在申請中上報的接收參考信噪比調整本站的發送電平。由于遠端站的能力不同，其接收參考信噪比差異較大，統計所有遠端站的申請中上報的收參考信噪比，如果有超過設定數量的遠端站的收參考信噪比低于最低門限值，則增大中心站的發送電平，如果有超過設定數量的遠端站收參考信噪比高于最大門限值，則降低中心站的發送電平，完成中心站的發送功率的調整。其流程如圖3所示：

圖3　星狀拓撲功率控制流程圖

由于星狀拓撲衛星通信網絡的前向鏈路和返向鏈路隔離，所以對前向鏈路和返向鏈路的頻率分別進行控制。前向鏈路以中心站的發送頻率為基準，遠端站根據接收參考突發的狀態調整本站的接收頻偏；返向鏈路以中心站的接收頻率為基準，中心站根據接收遠端站的突發狀態，提取遠端站的發送頻偏，并在參考突發中下發，輔助遠端站進行發送頻偏的校正。

4　中心轉發技術

星狀拓撲衛星通信網絡中遠端站之間沒有直接互通的信道，為解決星狀網下各遠端站間業務數據互通的問題，設計了星狀網綜合業務中心交換與信道分配方法，基于業務流劃分與標記、雙向時隙申請分配、業務流中心轉發三個主要過程，現了星狀網全網業務互通。主要方法和流程如下：

（1）小站根據自身業務量和業務類型申請返向轉發（目的站為小站）與非轉發的（目的站為中心站）的時隙，并分別提出申請；

（2）中心站接收申請并分配時隙。對轉發時隙，中心站同時分配前向信道和返向信道時隙；對小站非轉發時隙僅分配返向信道時隙；對中心站自身業務，僅分配前向信道時隙；

（3）中心站將時隙分配結果通過參考下發到小站；

（4）小站獲得對應時隙后，標記業務數據包的真實目的地址。在屬于自己的時隙內，將業務數據包按返向載波突發長度組成TDMA突發向主站進行發送；

（5）主站并行解調返向載波組內多條TDMA載波，接收各小站數據，并將目的站標記為為其他小站的待轉發的數據，送入待轉發的數據緩存；目的站為自身的送往接口輸出；

（6）中心站在每類業務分配的時隙到來時，將真實源地址標記到數據包內，并分別組包發送對應類別的突發數據。

（7）小站收到主站業務數據后，根據標記的真實源地址識別出該數據為其他小站發送的還是中心站發送的，并按此解析數據完成通信。

5　結束語

該文設計了一個基于MF-TDMA 體制的星狀拓撲衛星網，該網絡基于多載波整體解調技術，實現了中心站的接收能力的提升，在不影響系統返向傳輸總容量的情況下，降低了單條載波的速率，有效降低遠端站站型能力要求。給出了幀結構、同步控制實現方式和遠端站基于中心轉發的互通方式，解決了遠端站能力差異較大時的組網互通問題。特別適用于遠端站站型能力受限的廣播分發系統和數據采集系統。

參考文獻

［1］郝學坤，孫晨華，李文鐸.MF-TDMA衛星通信系統技術體制研究［J］.無線電通信技術，2006，32（5）：1-3.

［2］岳田.多路突發信號數字分路及其FPGA實現技術［J］.信息科技，2013，7.

［3］岳田，李輝，郝學坤.MF-TDMA 信號整體解調及其FPGA 實現技術［C］.∥第23 屆全國通信與信息技術發展研討會論文集，2008：305-309.

［4］LI Jin-yan，KIM Jung-hwan.Data-Aided Synchronization for MF-TDMA Multi-Carrier Demultiplexer/Demodulator［J］.IEEE Trans. Broadcast，2009，55（3）：623-632.

作者簡介：

張方明（1985—），男，通信與信息系統專業碩士研究生，現供職于中國電子科技集團公司第五十四研究所衛星通信與廣播電視專業部，主要從事衛星通信技術研究。