一種FDMA模式衛星地球站的終端分系統研究

奚煒弘

摘要：FDMA是衛星通信中最早使用的一種多址方式。文章對一種基于FDMA模式的衛星地球站的終端分系統進行研究，并著重分析了地球站的構成、終端分系統的模塊劃分以及其中的一些重要通信流程。

關鍵詞：衛星通信；FDMA；地球站

衛星通信是一種利用人造地球衛星作為中繼站來轉發無線電波而進行的兩個或多個地球站之間的通信。它綜合利用了現代通信技術、計算機技術、航天技術和半導體集成電路技術，是當前通信領域發展迅速的方向之一。衛星通信中有著眾多的通信方式，其中的頻分多址（FrequencyDivision Multiple Access，FDMA），是把總帶寬分隔成多個正交的頻道，每個用戶占用一個頻道。FDMA以其信道復用率高，容許復用的路數多，分路方便而成為一種重要的衛星通信方式。

本文主要介紹了基于FDMA模式的衛星通信地球站的組成，并對其中的終端分系統的模塊劃分、功能實現進行重點研究。

1.終端分系統分析

在衛星通信系統中，地面通信終端設備被稱為地球站（Earth Station）。典型的地球站由天線分系統、發射分系統、接收分系統、終端分系統、監控分系統、電源分系統、地面接口及傳輸分系統等組成。

終端分系統的主要功能是實現地面接口線路傳來的各種用戶信令和衛星信道傳輸的基帶信號之間的轉換。根據其功能，主要分成信道處理模塊、監控接口模塊和其他設備接口模塊。

信道處理模塊主要完成與網控中心（Network ControlCenter，NCC）的協議解析以及具體通信業務的具體承載。其主要功能包括：實時接收來自NCC的信道選用通告，實現對控制信道發送頻點的選擇；向NCC發起注冊或注銷申請，實現終端的注冊與注銷；向NCC發起呼叫申請或接收NCC下發的通信檢測，實現信道的鏈路建立、頻點分配、業務類型指定等功能；向NCC發起結束申請或接收NCC下發的結束應答，實現信道的鏈路拆除；實現衛星通信的具體承載，完成數據的傳輸和匹配。

監控接口模塊主要完成與外部監控單元（MonitoringControl Unite，MCU）的協議解析，其主要功能包括上報信道的狀態和參數；接受MCU的參數設置和控制等功能。

其他設備接口模塊主要完成與其他設備（根據終端分系統的實際業務能力，可以是聲碼器、視頻編解碼器等設備）的協議解析，其主要功能包括查詢設備狀態和參數；設置參數和控制等功能。

2.主要通信流程研究

2.1注冊和注銷流程研究

注冊流程如圖1所示。終端分系統啟動后，讀取預置的信道參數，通過讀取到的廣播信道（BDC）頻點來設置BDC信道，等待接收NCc下發的信道選用通告信令。此時將信道狀態為搜索BDC狀態，同時啟動BDC主備切換定時器。當超過切換時間接收不到NCC下發的信道選用通告信令時，將BDC信道的頻點切換為備用BDC頻點，同樣當再次超過切換時間接收不到NCc下發的信道選用通告信令時，BDC信道的頻點切換為主BDC頻點，以此循環下去。

當收到來自NCC下發的信道選用通告后，重置BDC主備切換定時器的時間，通過解析信道選用通告信令，可以獲取NCC下發給終端分系統的主備BDC頻點和控制信道（CUC）頻點，并將其保存，同時發送注冊申請控制信令，將信道狀態設置為正在注冊。當未收到NCC應答時，注冊申請控制信令會重發。

當NCC通過CUC信道接收到終端分系統的注冊申請控制信令，該地球站標記為在線狀態，應答信令通過NCc的BDC信道發出，通過星載轉發器轉發到終端分系統的BDC信道。當終端分系統通過BDC信道接收到應答信令以后，將信道狀態置為信道空閑，此狀態為用戶可進行業務操作狀態，可對用戶提供任何已有服務。如果重發多次后仍收不到應答信令，則將信道狀態設置為注冊失敗。

注銷流程如圖2所示。NCC通過CUC信道接收終端分系統的注銷申請控制信令，該地球站標記為離線狀態，應答信令通過NCC的BDc信道發出，通過星載轉發器轉發到終端分系統的BDc信道。終端分系統通過BDC信道接收到應答信令以后，將信道狀態設置為注銷成功，此狀態為用戶只可進行注冊操作狀態，如果重發多次后仍收不到應答信令，則將信道狀態置為注銷失敗。

通過以上研究，可以發現這種基于FDMA模式的衛星地球站的終端分系統擁有完善注冊和注銷流程。通過該流程可以加強網控中心對地球站的管理，包括對地球站的身份合法性進行驗證、對地球站的實時狀態進行顯示等功能。

2.2建鏈和拆鏈流程研究

建鏈的過程采取了動態信道分配（Dynamic ChannelAllocation，DCA）策略。在DcA策略中所有波束都沒有固定分配的信道，由網控中心統一分配。網控中心要根據所采用的成本函數算法計算每條信道在每個波束中使用的成本，當一個呼叫到達時，選擇一條成本最低的信道來分配。

I（x）：到波束x的距離小于共信道復用距離D的所有波束（即波束x的干擾波束）的集合；

△（x）：呼叫到達波束x時刻的可用信道的集合；

FD（k）：根據完全固定分配算法（Fixed A110cationAlgorithm，FCA）預先固定分配給波束后使用的信道合集，或者說是波束k的最優標稱信道集。

建鏈流程如圖3所示。當信道狀態處于信道空閑時，允許MCU發起建鏈。建鏈時通過CUC信道發送建鏈信令，建鏈信令包括對端號碼、業務類型、業務速率等信息，主叫方進入建鏈等待狀態，星載轉發器轉發到NCC的CUC信道上，NCC通過其BDC信道向主叫方發送建鏈等待信令，向被叫方發送通信檢測信令。

被叫方也需要有注冊的過程，且進入信道空閑狀態，否則NCC直接發送拒絕建鏈信令，并給出原因。主叫方進入信道分配狀態，NCC進入等待通信檢測應答狀態。

被叫方在BDC信道上收到通信檢測信令，并且其在信道空閑狀態下，被叫方會在它通過CUC時給出通信檢測應答信令。ycc在cuc信道上收到通信檢測應答信令以后，對通信雙方發送信道分配信令，對通信雙方的頻點進行重新分配。通信終端雙方收到信道分配信令以后，進入業務通信階段。

拆鏈流程如圖4所示。通信需求結束以后，為了資源的反復利用，要對資源進行回收，包括終端資源和星載轉發器資源，特別是星載轉發器資源，因而加入了拆鏈過程。拆鏈可以由通信雙方終端的任何一方發起，MCU發出拆鏈信令以后，向對端發出拆鏈信令，然后切換頻點，向NCC發出拆鏈申請信令，自身狀態切換為拆鏈中，收到拆鏈應答信令或拆鏈申請信令發送超時后，將自身狀態切換為信道空閑。對端收到拆鏈方的拆鏈信令或NCc發出的拆鏈應答信令后，自身狀態切換為信道空閑。

通過以上研究，可以發現這種基于FDMA模式的衛星地球站的終端分系統擁有完善的建鏈和拆鏈流程。DCA策略的應用使所有的信道都由網控中心進行分配，提高了系統的容量，使信道的利用率更高、無需信道預規劃、可以自動適應各種通信業務需求。

3.結語

隨著衛星通信技術的不斷發展，衛星通信系統開始受到人們廣泛的關注和應用。本文對一種FDMA衛星地球站的應用方式進行了研究，包括地球站的構成、終端分系統的功能以及一些主要流程。通過研究可以發現，FDMA方式具有的技術成熟、實現簡單、成本較低、對每個載波采用的基帶信號類型、調制方式、編碼方式、載波信息速率及占用帶寬等均沒有限制等優點，使其成為現在衛星通信的主流通信方式之一。