應急衛通系統網管信道設計及仿真

班亞明，李斌成，劉永青

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

應急衛通系統網管信道設計及仿真

班亞明，李斌成，劉永青

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

合理的網管信道體制是應急衛星系統實現高效、可靠管理的必不可少的因素。針對應急衛星通信系統的高資源利用率、高傳輸可靠性和高傳輸時效性的需求，在綜合分析網管信道體制與管理信令基礎上，提出了一種多Aloha軟件管理方案。該方案將多Aloha技術融入網管軟件中，通過中心邏輯識別和載波動態切換實現信息高效傳輸與資源合理利用。對改進方案傳輸效果進行了技術分析及仿真，驗證了多Aloha軟件改造技術的合理性和實用性。

衛星通信；網管信道；TDM/Aloha；載波切換；碰撞率

0 引言

衛星通信系統[1]因其覆蓋面積廣、通信距離遠、業務容量大、架設開通快及不易受地面災害影響等特點，在應急通信領域中應用越來越廣。但應急衛通系統逐步擴大的站規模以及呈增加趨勢的任務頻度導致其對設備遠程監控、多衛星頻率資源調配和業務電路運行管理等都提出了更高的要求，因此，如何設計實現一個高效、可靠及易擴展的網管信息傳輸通道成為應急衛星通信系統[1]發展的重要需求。許多文獻中對衛星通信系統的研究都是基于理想的通信環境[2-3]，沒有考慮到應急通信中系統信道環節對衛通網絡管理的影響。這主要表現在應急衛星通信中因網管信道架設復雜、信息傳輸可靠性低導致的衛星網管無法真正實現應急通信。

1 衛通網管信道體制

通過分析研究國內外衛通網管系統可知，網管信道體制[4]主要有：TDM/STDMA體制、TDM/TDMA體制、TDM/ALOHA體制、TDMA體制[5]和地面IP網[6]。

通過分析，各網管信道體制特點如下：

① TDM/STDMA體制：出境載波為一個寬帶連續TDM廣播載波，而入境載波為多個窄帶S-TDMA載波，(且該)窄帶S-TDMA載波為遠端站分時共用，每個S-TDMA載波使用站數固定。該體制在Vipersat系統中使用。

② TDM/TDMA體制：出境載波為一個TDM載波，入境載波是一個TDMA(時隙Aloha)載波，需要通過內置GPS對入境信號精確定時,該體制在Polarsat FlexiDAMA系統中使用。

③ TDM/ALOHA體制：出境載波為一個TDM載波，入境載波是一個或多個Aloha載波，通過合理設計入境載波帶寬及管理站規模實現信息傳輸。該體制在國內電力管控系統中使用。

④ TDMA體制：系統各站分時共用一TDMA載波，要求對TDMA載波帶寬進行精確計算，防止信道擁塞現象，該體制在國內一FDMA系統中應用。

⑤ 地面IP網：依托于地面IP網絡進行傳輸，網管信息需使用網絡協議，且要求各地球站具備接入地面IP網的能力。

應急衛星通信系統因其應對突發災害或事故的需求，故地球站站型多配置為易于移動的車載站或便攜式終端，這就對網管信息傳輸高效性、設備簡易性、組網靈活性提出了更高要求。通過綜合分析，TDM/STDMA體制的S-TDMA載波使用站數受限特性、TDM/TDMA體制的內置GPS定時特性、TDMA體制的載波帶寬與規模關聯特性和地面IP網的需地面接入點特性均不符合應急衛星通信系統網管建設需求，而TDM/Aloha體制網管信道作為獨立控制信息傳輸信道，僅需在移動站配置一路網管信道[7]即可完成與網管中心通信，且站規模擴大后僅需在網管中心增配解調設備，故可在應急衛星通信系統進行適應性擴展應用研究。文獻[8-11]中從不同角度對TDM/Aloha體制進行了應用研究。

2 監控信道應用解析

2.1 Aloha工作原理

所有遠端站在同一衛星頻率fa上向中心站發送控制信息，每個遠端站只在有數據需要發送時才打開載波發射，中心站快速同步、解調捕獲遠端站發送的突發載波，從中獲取來自遠端站的信令信息。

ALOHA信道工作原理[12]如圖1所示。圖1(a)為TDM載波f1和Aloha載波f2發射時空關系：中心站S0始終發射TDM載波f1；遠端站S1、S2、S3在隨機時刻t1、t2、t3發射ALOHA載波，并在數據發送完成后關閉Aloha載波。由于時刻t1、t2、t3的隨機特性，圖中遠端站S1、S2、S3發射載波f2的持續時間可能相互重疊，即會產生沖突爭用。

圖1 Aloha網管信道原理圖

2.2 ALOHA信道網管數據分析

通過對應急衛星通信系統管理需求[14]進行分析可得出，遠端站入境的網管信息包含以下幾類(如表1所示)：① 入網請求；② 資源DAMA請求；③ 站狀態響應信息；④ 設備監控信息；⑤ 設備變化上報信息；⑥ 其他管理類上行信息。

表1 入境ALOHA信道信息分類

類型頻度特征類型入網請求隨機，相對集中管理類DAMA請求隨機管理類站狀態響應均勻分布，5s/站管理類監控響應均勻分布，1s監控類監控變化上報隨機監控類其他入境信令隨機管理類

3 監控信道設計

國內外應用TDM/ALOHA體制的衛星通信系統[15]均具有以下特點：出境載波為一個TDM載波，入境載波為一個或多個Aloha載波，每個Aloha載波對應一個網管信道終端，且Aloha載波頻點[16]在建設初期固化。

應急衛星通信系統中的遠端地球站多為移動站或便攜式平臺[17]，且在無任務時多處于關閉狀態，如使用上述TDM/Aloha體制，則遠端站過多時存在多數Aloha載波資源空置或利用率不足的現象，在應急衛星通信資源緊缺的情況下反而造成了資源浪費，故需對TDM/Aloha體制在應急衛星通信系統中的使用做軟件適應性改造。

應急衛星通信多Aloha信道軟件改造主要體現在網管中心與遠端站發送接口模塊。網管系統多Aloha信道改造方案如圖2所示。

圖2 應急通信多Aloha軟件改造

中心多Aloha軟件模塊主要實現以下功能：

① 實時根據入網站數重分/釋放Aloha載波資源；② 以廣播形式下發可用Aloha載波資源。

小站多Aloha軟件模塊主要實現以下功能：

① 接收中心廣播，存儲可用Aloha載波資源狀態；② 接收小站管理信令，根據信令類型選擇Aloha載波并通知發送信道以指定載波頻點進行發送。

4 多ALOHA信道軟件應用時效性分析

4.1 衛通系統環境

方案設計應急衛星通信系統管理規模為500個應急移動站，單移動站管理6個設備，單設備對應1條入境信令，每條入境信令固定按100 B數據量計，信道速率設定為32 kbps。

4.2 管理信息時間分析

4.2.1 1路Aloha信道集中管理時間分析

ALOHA信道按照32 kbps帶寬配置，理論上信道利用率最高為0.18，為減少監控信息對突發管理信息的影響，計算時直接設定監控信息對ALOHA信道的占用率為0.1，忽略其他隨機突發信息對監控信息傳輸影響[18]。

在系統配置1路Aloha信道時，所有站設備的監控信息傳輸到中心站的時間如下：

有效的ALOHA信道速率=32×0.1=3.2 kbps；

監控信息總量=500站×6設備/站×1條/設備× 100 Byte/條 × 8=2 400 kB；

全部設備監控信息傳輸時間Ta=2 400÷3.2=750 s=12.5 min。

根據工程經驗，中心站查詢1個設備的監控狀態需1 s，故輪詢3 000個設備的監控狀態共需50 min。據此估計，應急衛星通信系統對移動站設備管控的實時性在12.5～50 min之間。

4.2.2 2路Aloha信道集中管理時間分析

配置2路Aloha信道，即監控信息獨立使用1路Aloha信道頻點入境，其他隨機突發信息通過另1路Aloha信道頻點入境。其他隨機突發信息相對ALOHA信道帶寬而言數據量較小，網管系統可保證實時性，故僅需對獨立監控信道傳輸進行分析。

獨立監控信道的入境信息發送由網管中心協調，已不存在沖突。考慮中心協調、突發效率、站間保護時間、工程經驗等因素，設定獨立監控ALOHA信道效率以0.3計。

在系統配置2路Aloha信道時，所有站設備的監控信息傳輸到中心站的時間如下：

有效的ALOHA信道速率=32×0.3=9.6 kbps；

監控信息總量=500站×6設備/站×1條/設備×100 Byte/條×8=2 400 kB；

全部設備監控信息傳輸時間

Ta=2 400÷9.6=250 s=4.16 min。

根據工程經驗，中心站查詢1個設備的監控狀態需0.5 s，故輪詢3 000個設備的監控狀態共需25 min。據此估計，網管系統對遠端站設備管控的實時性在4.16～25 min之間。

4.3 應用效果分析

根據分析可得，應急衛通系統應用多Aloha信道軟件改造技術后，監控信息傳輸實時性統計結果如表2所示。

表2 應急衛通系統ALOHA信道應用實時性列表

ALOHA數量被監控設備總量理論時間/min經驗時間/min1路300012．5502路30004．1625

由表2可知，應急衛通系統使用Aloha信道時，按上述設計的網絡規模，配置1路Aloha信道時集中監控信息實時性為50 min，配置2路信道時集中監控信息實時性為25 min，且理論時間均遠小于經驗時間，由此表明多Aloha信道軟件改造方案可為應急衛通系統提供高時效性的網管信息傳輸通道。同時比對1路和2路Aloha信道實時性結果可以看出改造方案通過合理規劃Aloha信道數目有效提高應急衛通系統網管信息傳輸時效,故多Aloha信道傳輸方案能很好地滿足應急衛通系統網管信息傳輸高實時性需求。

5 Aloha信道應用碰撞率仿真

5.1 仿真設計

應急衛星通信網中小站分時競爭使用ALOHA入境載波，小站發出的ALOHA突發信號可能會發生碰撞，造成網管信令丟失。為了模擬實際應用中多站多Aloha信道情況的碰撞率，分別設計下屬網管站數為128和256，Aloha信道數為1、2、3和4路，在上述場景下分別進行互通率仿真[19]。應急衛星通信系統Aloha信道仿真環境[20]為網管中心和移動站網絡節點構成的星狀網，如圖3所示。

圖3 ALOHA信道傳輸系統網絡級模型

5.2 128站Aloha信道隨機突發特性仿真

在Aloha信道帶寬32 kbps、網管信令幀長200 Byte、系統規模128個站的前提條件下，對不同申請間隔下Aloha信道互通率進行系統仿真，仿真結果如圖4所示。

圖4 128站規模互通率仿真

仿真結果表明，在系統規模為128且配置1個Aloha信道時，單站每23 s申請一次，則Aloha信道不碰撞的概率可達90%以上；若配置2路以上的Aloha信道，單站每12 s左右申請1次，則Aloha信道不碰撞概率可達90%以上。

5.3 256站Aloha信道隨機突發特性仿真

在Aloha信道帶寬32 kbps、網管信令幀長度200 Byte、系統規模256個站的前提條件下，對不同申請間隔下Aloha信道互通率進行系統仿真，仿真結果如圖5所示。

圖5 256站數目互通率仿真

仿真結果表明，在系統規模為256且配置一個Aloha信道時，單站每45 s申請一次，則Aloha信道不碰撞的概率可達90%以上；若配置2路以上的Aloha信道，單站每23 s左右申請1次，則Aloha信道不碰撞概率可達90%以上。

5.4 仿真結果分析

發送時間對互通率的影響：結合站規模為128及256時的仿真圖表可以看出，在Aloha信道數目固定的前提下，信道互通率與控制信令發送時間間隔成正比例關系，通過增大信令發送時間間隔可令信道互通率達到90%以上。

Aloha信道個數對互通率的影響：結合站規模為128及256時的仿真圖表可以看出，在設置同樣的控制信令發送時間間隔前提下，時間間隔設置越小，信道數對互通率的影響越明顯且呈正比例關系，在高時效性需求明顯的應急通信環境，合理增加Aloha信道個數是解決信道互通率的有效手段。

由以上分析可知，通過控制信令發送時間及擴展Aloha信道數，可實現信令的低碰撞率可靠傳輸，故多Aloha信道軟件改造方案可滿足應急衛星通信系統高可靠性網管信息傳輸需求。

6 結束語

網管信令傳輸是應急衛通網管系統高效管理的一個重要前提，本文綜合分析了當前衛星通信系統中網管信道體制，提出并設計了更適合于應急衛星通信系統的多Aloha信道軟件改造方案，并結合數據分析及仿真實驗進行驗證。信息傳輸實時性數據及仿真互通率結果表明，可擴展的多Aloha信道軟件改造方案在提高衛星資源利用率的同時可有效滿足應急衛通系統高可靠性、高實時性的系統管理需求[9]，在其他衛星通信系統中，也值得進行針對性的策略研究。

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Design and Simulation of Network Management Channel for Emergency Satellite Communication System

BAN Ya-ming，LI Bin-cheng，LIU Yong-qing

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Reasonable network management channel system is an essential factor for the emergency satellite system to achieve efficient and reliable management.Aiming at the high resource utilization，high transmission reliability and high transmission timeliness requirement of emergency satellite communication system，a multi-aloha software management scheme is proposed based on the comprehensive analysis of network management channel and management signaling.The scheme incorporates multi-aloha technology into network management software，and achieves efficient transmission of information and rational use of resources through the central logic identification and carrier dynamic switching.The technical analysis and simulation experiments are carried out to verfy the validity and practicability of the multi-aloha software reformation technology.

satellite communication；network channel；TDM/Aloha；carrier switching；collision rate

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.09

班亞明，李斌成，劉永青.應急衛通系統網管信道設計及仿真[J].無線電通信技術,2017,43(3)：38-42.

[BAN Yaming，LI Bincheng，LIU Yongqing.Design and Simulation of Network Management Channel for Emergency Satellite Communication System [J].Radio Communications Technology，2017,43(3):38-42.]

2017-01-26

國家部委基金資助項目

班亞明(1984—)，男，工程師，主要研究方向：衛星通信與信息傳輸技術。李斌成(1974—)，男，高級工程師，主要研究方向：衛星通信與信息傳輸技術。

TN927

A

1003-3114(2017)03-38-5