TDMA微波系统的一种自动时延调整技术

肖振鹏，郑宜忠，黄桂树

(1.吉林省高速公路管理局，吉林长春 130022;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

较早时期，微波通信又被理解为微波接力通信，即一点对一点的干线接力传输。随着通信技术的发展，通信需求的增加，微波通信技术也有了较大发展，比如实现了点对多点双向通信，即多址通信技术。

微波多址通信技术中，考虑设备成本，使用效率等因素，大多采用时分多址(TDMA)技术，本文从使用和实际设计出发，简要分析了3种常用多址技术的特点，并结合实例，介绍了1种TDMA微波通信的时延调整技术，通过各外围站和中心站在正式通信前的帧定位信息沟通，计算并确定适时传输时延，从而实现自动时延调整。

1 多址技术与TDMA微波通信

简而言之，多址通信技术就是根据信号分割原理，把频率资源以频带、时间、空间和码型等参数，分成相互正交或准正交的子空间，即信道。再把这些信道以适当的方式分配给那些需要通信的各个地点的用户，就实现了多址通信。常见的分配方式有按需分配、预分配和自适应分配等。

基本的多址通信方式有3种:即频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。频分多址技术是以不同的频率信道而实现点对多点的分配，码分多址技术是以不同的代码序列实现多址通信，而时分多址是以不同的时隙分配来实现多址通信。本文介绍的TDMA微波传输系统，就是基于时分多址技术的多址通信系统，是一种实现共享传输介质或网络的通行技术。它把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，通过介质或者网络发送信号。在满足定时和同步的条件下，接收方可以分别在各个时隙中接收到对应的信号而不混扰。时分多址技术的最大优点是频谱利用率高，与频分多址相比，可以有多用户使用同一信道，且用户传输速率变化比较灵活。与码分多址相比，又有技术难度和设备复杂度低的优点，是无线电通信系统中较常用也很实用的多址通信技术。

TDMA微波通信系统，一般由一个中心站和多个外围站组成，各外围站相对中心站距离远近不同，点对3点系统组成如图1所示。

2 时延的计算方法

传输时延是指一个站点从开始发送数据帧到数据帧发送完毕所需要的全部时间，也可说是接收站点接收一个数据帧的全部时间。

信号从发射端经过无线传输到达接收端以后，会有时间上的延迟。引起的原因有以下几种:①由于基带和调制解调的处理过程，会对信息产生一定的延迟，该延迟只与处理电路有关，在确定处理电路后，其数值是固定的;②微波远距离传输，同样会给信号带来延迟，这个延迟会根据传输距离的变化而发生变化。

微波远距离传播时延计算公式:

式中，c为真空光速3×108m/s;

d为无线传输距离。

传输时延调整bit计算公式:

式中，v为微波通信设备传输信号的群路信息速率。

按上述计算方法，假设微波传输距离最大为30 km，则微波双向传播时延为20 ms;传输信号的群路速率为2560 kb/s，则微波传输时延调整bit则达到512 bit。而数字电路处理过程传输时延为10 bit，则总的时延调整bit为522 bit。

3 时延调整

由于点对多点通信系统各外围站与中心站通信距离远近各不相同，系统要求各个外围站根据自己与中心站通信距离的远近，设定向中心站发送信号时刻，从而保证信号能够“准时”的到达中心站。

TDMA模式的点对多点通信，必须采取措施保证各外围站上报数据信号在中心站各个接收时隙中不混扰。现有保证措施有2种:一是在传输时隙中预留距离保护比特，这种方法会增加传输冗余度，增加设备传输带宽;另一种是进行时延调整，通过提前预设时延调整值，减少距离保护比特，提高数据传输效率。上下行帧收发对应关系和时延调整示意图如图2所示。

图2 上下行帧收发对应关系和时延调整示意图

时延调整就是用于抵消收发数字处理的固定时延和远距离通信带来的传输时延。通常的时延调整方法有人工设置和自动调整2种方法。人工设置方法就是人工计算，通过设备监控操作，直接输入时延调整值，外围站根据输入值进行时延调整;自动调整方法为外围站上传管理帧，中心站根据各个外围站上报管理帧起始位置和本地接收管理帧起始位置，自动计算时延调整值，再通过下行管理信息以广播方式发送给各个外围站，外围站根据接收到的时延调整值自动进行时延调整，上报数据信息，从而实现时延自动调整。自动时延调整所带来的好处就是更方便、更快捷、更准确。

4 TDMA帧结构设计

在本设计中，上下行帧结构呈现一一对应关系，这样给帧结构的管理带来了很大的好处。因此，上行帧结构需要依据下行帧结构来进行定位。这要求外围站只有在接收到中心站信号并完成下行帧同步以后，才可以根据给自己分配的时隙，向中心站发送数据。同时考虑管理信道，用于外围站的动态注册和管理信息的下发、上报。

TDMA无线群路帧结构设计如图3所示。

图3 TDMA无线群路帧结构

基本突发帧帧长为 5120 bits，群路速率2560 kHz，突发帧帧频 0.5 kHz。

①CP表示换频关功放及多址保护时隙，共144 bits，持续 56 μs;

②QD表示解调同步时隙，共32 bits;

③BIT表示解调保护时隙，共32 bits;

④H表示下行突发帧帧头，共16 bits;

⑤UH表示上行突发帧帧头，共32 bits;

⑥数据时隙共4096 bits;

⑦FEC为前向纠错的监督位;

⑧Dis表示多址保护时隙;

⑨MN为中心站下发时延调整数值，共48 bits。

5 自动时延调整的设计实现

自动时延调整是通信设备自动、实时地测量出外围站到中心站的通信时延，并根据时延数值自动调整外围站的时延参数。自动时延调整测量得到的是通信信号的实际时延值，因而，也是非常准确的。

首先外围站开机后，根据接收到的中心站帧定位信息上传管理帧，该管理帧进行时延保护，不进行时延调整，利用管理帧帧定位信息，向中心站发送时延定位信号。中心站根据得到的外围站上传管理帧帧定位信号到达刻，与中心站发送帧定位时刻进行比较，通过计数器记出delay的值，即可得到时延调整值，如图4所示。

图4 时延调整值的计算

考虑在信道存在误码时，由于上行帧存在虚警概率，中心站单次测出的时延调整值并不准确，需要多次测量。在信道误码率为pe=1×10-2时，中心站连续测5次，测出外围站的时延值，其中3次相同时的概率为:

此时可以较好地保证时延调整值的正确性。

中心站测量出该外围站的时延数调整值后，将该数值通过管理信道发往外围站;外围站收到时延参数后，按照此参数进行设置，完成初始时延参数设置后，外围站才开始进行正常数据通信。在以后的通信过程中，如果外围站位置发生变化，中心站还必须实时地测量外围站的时延数值变化，并通知外围站。

6 结束语

时延调整作为TDMA微波通信系统必须具备的基本技术，与信道时延保护相比，自动时延调整的实现可以减少信道传输带宽的冗余，提高业务数据的传输效率。

［1］PROAKIS J G.数字通信(第3版)［M］.北京:电子工业出版社，2001.

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