基于載波動態調整的FDMA系統優化關鍵技術研究

(1.中國電子科技集團公司 第五十四研究所，石家莊 050000; 2.河北科技大學 信息科學與工程學院，石家莊 050000)

0 引言

衛星通信網絡作為天地一體化網絡的骨干部分，是以衛星為主要載體進行信息獲取、傳輸和處理的網絡系統[1]。處于不同軌道和不同類型的衛星通過星際鏈路互連，構成覆蓋全球的空間信息網絡，再通過星地鏈路與地面設施所組成的通信網絡進行互連互通，有效地獲取和傳輸多維信息，并且負責完成資源的統籌處理、任務的分發和管理等一系列任務。隨著寬帶衛星通信系統的快速發展，更高質量的業務需求對寬帶通信系統的通信鏈路傳輸技術提出了更高的要求，如何高效地利用帶寬、有效地傳輸數據成為選擇通信鏈路傳輸技術的重要標準。

目前在衛星通信的體制中，使用最多的是頻分復用(FDMA)和時分復用(time division mltiple access,TDMA)兩種[2]?；贔DMA體制的衛星通信系統盡管具有性能穩定，通信可靠性能高，編碼方式多樣等優點，但是相對TDMA而言，由于其頻分復用的特點，在帶寬資源分配后，數據的傳輸過程中帶寬大小不變，頻點位置不變，從而占用固定的帶寬資源。因此帶寬利用率相對較低，靈活性較差。傳統的TDMA系統在已有的成熟體制下結合FDMA系統優點進行了優化拓展，逐步研制出多頻時分復用系統(multiple frequency time division multiple access,MF-TDMA)，使之在幀效率和性能穩定性上有所提高。隨著IP技術在衛星通信中的應用，每一個遠端站終端業務類型已經不僅僅局限于一路語音視頻，可能包含多個IP數據業務同時接入。因此，業務數據量變化與信道變化會更加頻繁，而FDMA系統在按需分配帶寬時往往是基于最大需求的情況，這樣導致系統在數據傳輸過程中對分配的帶寬資源往往不能充分利用，對帶寬資源的使用效率偏低，而數據傳輸過程中對帶寬進行硬切換又會出現丟包現象，不能從根本上解決帶寬利用率低的問題。因此，需要針對FDMA系統傳輸中對數據量變化進行適應性載波動態調整的關鍵技術研究，以提高FDMA系統的帶寬使用效率。

1 系統結構及原理

FDMA/DAMA體制的衛星通信系統大多針對某些衛星專網應用，由于其性能穩定，傳輸數據量大的特點被廣泛應用于應急衛星通信中[3]。在實際應用中，可能需要按照用戶要求，隨時建立兩個結點之間的鏈路，實現兩個地球站之間的網絡互通。FDMA/DAMA系統主要由中心站(Center Station，CS)、衛星轉發器、若干遠端站(Remote Station，RS)組成[4]。遠端站包括業務調制解調器、網控調制解調器、路由器、接入控制設備及業務終端等通信設備，中心站除包含上述設備外還包括網管系統。系統結構如圖1所示。

圖1 FDMA衛星通信系統組成

在該衛星系統中，信息收發的調制解調器均采用雙發雙收的形式，一路用于傳輸指令信息，另一路用于傳輸業務信息。其中，中心站位于網絡的邏輯中心，在特定的TDM指令信道內通過TDM廣播的形式對整個網絡中遠端站進行帶寬資源分配、鏈路建立、鏈路拆除等控制，并且中心站能夠和網絡中全部的遠端站直接通信[5]。所有遠端站通過Aloha上行信道在固定的帶寬下分時隙地發送建鏈請求、接收信息反饋、數據流量監測、鏈路釋放請求等信息，從而動態建立兩個地球站之間的連接。各地球站之間通信，地球站與中心站之間通信均采用FDMA頻分復用的形式占用固定信道，一旦有業務需要傳輸即通過遠端站上傳資源申請，中心站收到后進行資源分配并下發分配信息，遠端站收到分配信息后自動配置收發參數，發送測試數據進行建鏈，兩端收發同步后將確認信息上傳中心站并開始連續發送數據信息。從而動態建立兩個地球站之間的連接[6]。

2 系統整體設計方案

該系統結構設計方案是在原有FDMA系統調制解調架構上加入信息交互以及時間控制模塊，使整個系統在同一個時間基準下進行規律變化，以保證各遠端站在載波變化時沒有相互影響。在入網操作時，各遠端站通過指令信道與中心站進行時間信息交互，利用測距技術進行同步并保持。在通信過程中，各遠端站將流量監測數據及狀態通過指令信道發送給中心站進行數據分析，中心站給各遠端站下發配置參數。各遠端站的調制端與解調端在時間控制模塊下進行數據處理通信操作。系統處理模塊如圖2所示。

圖2 系統結構設計方案

在數據信道調制解調中，CPU處理器模塊和組幀模塊之間加入了交互功能，在數據幀需要數據信息的時候，組幀模塊給CPU處理器一個使能信號，CPU處理器在使能信號內將數據包發送給組幀模塊進行組幀，同時CPU處理器模塊具備緩存功能，當數據輸入量增大而傳輸速率來不及變化時，CPU將數據緩存下來并將緩存信息通過信息交互模塊及時上報中心站，在下一個載波變換周期中增大載波速率以提高傳輸能力，緩存的數據量設定在門限值以下，防止數據量過大產生丟包。在指令控制系統中，信息交互模塊接收中心站通過TDM廣播信道下發的測距信息和參數配置信息并分別發送給時間控制模塊和參數配置模塊。時間控制和參數配置模塊分別進行時間參數和載波參數的校正與配置同時生成反饋信息并發送給信息交互模塊中，信息交互模塊通過將反饋信息和CPU狀態信息組幀通過Aloha上行信道發送給中心站，完成一個指令信息的交互。

該系統工作流程方案按照各遠端站發送數據幀的幀頭到達衛星轉發器的時間為基準，保證各遠端站發送每一幀的數據幀的幀頭到達衛星轉發器的時間相同。首先中心站按載波調整周期通過指令信道下發配置參數，各遠端站接收到參數配置后，按照測距結果進行不同的時延處理后發送數據，使得每個遠端站發送的數據幀頭到達衛星轉發器的時間相同，解調端根據指令信道接收的數據以及前幀參數確定接收的參數并進行相應的解調。在指令信息控制下小站一和小站二的數據信道的發送和接收數據的時序圖如圖3所示。

圖3 系統工作流程示意圖

圖中，傳輸時刻τ0為中心站到衛星轉發器的時間距離；τ1為小站一到中心站的時間距離；τ2為小站二到中心站的時間距離；Δτ為小站一到小站二的時間距離差τ1-τ2；τ10為小站一到衛星轉發器的距離；τ20為小站二到衛星轉發器的距離；τ12與τ21為小站一到小站二的距離。該載波變換流程共分為指令信道、執行指令和數據信道3層時刻。首先，中心站下發參數指令為當前載波變換周期的開始，分別經過τ1和τ2時間到達小站一和小站二(小站一距離較遠，τ1>τ2)，小站一接收到參數信息后經過0.5 s后配置參數并開始發送同步信息與數據信息，小站二再經過Δτ后開始配置參數并發送同步信息和數據信息。這樣經過τ10時間小站一與小站二發送的數據同時到達衛星轉發器，并且以后每次進行載波變化時都能保證載波變換的同步性。在數據信道中，小站一和小站二每次配置參數后先發送特定保護時間的同步碼再發送數據幀，使得每次載波變換后在解調端先利用同步碼進行定時載波的恢復，防止有用信息的丟失。解調端再分別經歷τ12和τ21后進行解調參數的配置，并接收新載波的數據。每次變化過程中，中心站下發指令與小站執行指令和發送數據均是在特定的時間周期中進行。在該載波變換模式下，數據傳輸過程中按上述工作流程進行周期性變化傳輸。

3 數據幀結構設計

首先，為了適應周期性變化的特點，數據幀需要設計成固定時長的時幀，即不管載波速率多大，每一幀的幀長在時間上是固定的。結合QoS服務質量和存儲量的限制以及傳輸效率，我們將時幀的幀長設置為1 s 20 ms,其中，包含IP數據的數據幀時長為1 s，用于每次載波同步的同步碼時長為20 ms。其中，數據幀部分包括96比特幀頭，96比特幀尾以及若干數據編碼塊(不同速率對應不同數量的編碼塊，速率越大，編碼塊越多)。幀頭中包括32比特幀頭獨特字和本幀數據參數，幀尾為32比特幀尾獨特字和下幀數據參數。同步碼時長設計為20 ms,根據載波速率最低設置為64 kbps，20 ms內的同步碼數為1 280個，滿足同步需求。系統數據幀結構如圖4所示。

圖4 數據幀結構示意圖

由于時長固定，幀頭幀尾的字段格式固定，所以不同速率對應每幀中的數據量不同，幀效率也存在差異。對應不同速率的幀效率如圖5所示。從中我們可以發現，符號速率越大，幀效率越高，最高效率接近于98%，遠大于TDMA幀效率。但是，當速率較低時，幀效率較低，所以我們根據普遍需求，將載波速率設置為64 kbps～8 Mbps，步進為32 kbps，這樣在載波速率為64 kbps時最低效率為97.75%。幀效率值仍然較高，滿足工程需要。

圖5 不同速率下幀效率

4 全網時間同步

在上述分析中我們知道，基于載波動態切換的FDMA系統同步變換的前提是使得每一個遠端站在一個時間基準下同步變化以保證變換后到達衛星轉發器的時間相同而不產生相互干擾。由于各地遠端站距離衛星轉發器的距離各不相同，所以信息在信道上的傳輸時延也各不相同，各地球站的本地時間也會存在差異。因此在入網時必須進行全網時間同步，即在有效的誤差范圍內計算出各小站接收發送指令和數據時的時間，從而能夠使所有的遠端站在規定的周期時間內接收和發送指令和數據信息并進行載波參數的調整。全網時間同步過程的核心思想是保證不同遠端站在初始發送信息和變換載波后發送信息的幀頭同步到達衛星轉發器。其主要原理是測距原理，即根據小站入網時和數據傳輸時指令信息的傳輸時延判斷各遠端站位置，從而計算出不同位置的遠端站在載波變換周期內發送數據的時間。遠端站距離與時延示意圖如圖6所示。

圖6 遠端站距離與時延示意圖

首先，我們對傳輸時延進行估計。根據已知靜止軌道衛星的最大傾斜距離dmax=41 127 km,從而得出從地球站到衛星的最大往返時延為：

τmax=2dmax/c=0.274s

(1)

式中，光速c為299 792.5 km/s。

測距流程包括初測距和精測距兩部分。初測距即為根據中心站記錄的遠端站的經緯度信息由公式大致計算出遠端站位置。精測距即通過信號往返時間精確計算遠端站距離，此結果為標準距離。

初測距過程中我們根據衛星轉發器的與地球站的位置關系根據公式估計出地球站的大致位置，從而為精測距提供大致的位置的參數信息。

地球站距衛星轉發器的時間距離λ′為：

λ′=Rn/C

(2)

地球站距衛星轉發器的距離Rn為：

(3)

式中，hs為衛星到地心的距離；re為地球站到地心的距離；θ為地球站緯度；ξ為地球站經度；φ為衛星經度φs與地球站經度φn之差。

精測距過程中通過對接后的指令信道各站收發的指令間隙計算各站距離衛星轉發器的時間，測距流程圖如圖7所示。

圖7 測距流程圖

從圖7中我們可以知道，中心站發送一幀TDM指令幀后，經過衛星轉發器下發到各個地球站，不同位置的地球站經過不同的時間延時接收到指令幀。距離衛星轉發器近的地球站會先接收到TDM指令幀，距離地球站遠的會經過一段時間的延時再接收到指令幀，中心站自發自收TDM指令幀(時間不一定最短)。各遠端站接收到指令幀后，記錄收發時間與幀內數據并組成ALOHA反饋幀，在規定的反饋時隙內發送回中心站，再次經過衛星轉發器后到達中心站，此為一個測距指令幀收發周期。

則上述周期有如下關系：

中心站上行時間與遠端站下行時間相等，即：

UT_C=DT_Rn

(4)

中心站下行時間與遠端站上行時間相等，即：

DT_Cn=UT_Rn

(5)

中心站自發自收一幀TDM幀時間為T0：

T0=2UT_C=ts-t0

(6)

中心站到衛星轉發器的時間距離為λ0：

λ0=UT_C=T0/2=(ts-t0)/2

(7)

遠端站N的一個信令周期為Tn：

Tn=tn-t0=UT_C+DT_Cn+τn+UT_Rn+DT_Rn

(8)

遠端站N到衛星轉發器的時間距離為λn：

λn=DT_Cn=UT_Rn=(tn-t0-τn-2λ0)/2

(9)

式中，t0為中心站發送一幀TDM廣播時刻；tn為中心站接收到第N個地球站回傳相鄰前一幀TDM廣播的ALOHA信號的時間；ts為中心站接收到自發自收的同一幀TDM幀的時刻；τn為第N個遠端站從收到TDM廣播到發出ALOHA信號的時間延時。

中心站計算出各遠端站的時間距離后，排序找出最遠的遠端站與最近的遠端站，時間距離分別為λmax、λmin，分別計算各地球站距離最遠小站的時間距離Δα(λmax-λm)和最近小站的時間距離Δβ(λm-λmin)，每個小站發送時延τm(λ0+λm+2Δα+τ0或λ0+λmax+Δα+τ0)分別記錄,發送時延插入下行指令幀中下發給各遠端站。式中，m=0，1，2，3，…，n；τ0為指令發送間隙。

由于測距同步在該系統中是最為基礎且關鍵的環節，測距結果的好壞直接影響到整個系統的通信狀況。所以，我們采用兩種自相關系數較好的32位控制字分別作為上行測距控制字和下行測距控制字，判決門限為25。兩種控制字的自相關性如圖8與圖9所示。

圖8 控制字一自相關性

圖9 控制字二自相關性

精測距的精度與信令的傳輸速率有關，當信令傳輸速率越大，定位的數據比特碼越窄，定位精度越高。信令速率與測距精度之間的關系如圖10所示，根據精度需要和帶寬資源的高效利用，網管信令速率設置為128 Kbps。

圖10 信令速率與測距精度之間的關系

根據指令信道的傳輸方式需要，我們在QPSK調制，1/2卷積編碼方式下通過在不同的信噪比條件下分別發送100組測距控制字，分別仿真出控制字一與控制字二的搜幀率及誤比特率。結果如圖1所示，在信噪比大于6.8 db時搜幀率達到100%，測距性能較穩定。信令速率與測距精度之間的關系如圖11所示。

圖11 信令速率與測距精度之間的關系

5 實驗結果與分析

根據設計的系統結構方案和工作流程，對現有的調制解調系統進行了相關模塊的改進，搭建出了工程環境模型，在模擬網管(只控頻點和速率)的控制下，對兩臺調制解調器的入網及數據的傳輸進行控制。其中，數據傳輸的調制解調方式采用的QPSK，編碼方式為1/2卷積編碼。兩個調制解調器載波頻點設置在1 200 MHz與1 300 MHz，在兩個頻點上互傳信息并周期變化，載波速率分別設置為128 Kbps和64 Kbps，并與頻點一起做周期變化。通過觀察解調端的星座圖變化，觀察載波動態調整變化過程，判斷鏈路狀態，圖12為某一個周期變化中載波變換前后的星座圖變化。

圖12 載波切換過程中解調端QPSK星座圖

由圖12我們可以看出，載波變化前，解調出的QPSK的星座圖分布在(450,450)和(450，-450)和(-450，450)和(-450，-450)4個點周圍，均能映射出發端數據，符合正常的QPSK星座圖分布；參數配置過程中，在新載波數據發送到收端之前，解調端會存在部分噪聲信號映射在(0,0)附近，并且會存在少量由于測距系統時間誤差導致的部分其他信道的數據映射。當載波參數配置好后，解調端映射出少量同步信號，分布在關于零點對稱的在(450,450)和(-450，-450)周圍；隨后解調端進行定時載波恢復，此時解調端在對頻偏相偏進行估計糾正，相點分布在以零點為圓心，450為半徑的圓周上；最后頻偏相偏糾正好后，相點重新變換回QPSK映射點位，一個載波變換周期結束。

6 結束語

該載波變換技術結合了FDMA穩定性高、和TDMA靈活性強的特點，具有很強的應用前景。目前，FDMA系統在應急通信中應用十分廣泛。根據應急通信的特點，一旦出現突發事件時，會出現大量用戶進行信息交互的情況，很容易出現網絡阻塞，這時網絡帶寬資源就顯得尤其珍貴，高效利用帶寬資源進行實時信息的互通對于處理應急性突發事件，挽救人民生命，保護國家財產安全起到了至關重要的作用。同時載波動態傳輸數據能防止出現信息監聽的現象，有利于重要信息的保密工作。