MF-TDMA卫星通信系统网络规划技术研究

沈 玉

(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

卫星通信系统具有通信距离远、通信费用与距离无关、覆盖面积大、不受地理条件限制、通信频带宽、传输容量大及适用多种用户进行多种业务传输等突出特点。随着各用户信息化建设进程的加快，各种应用正朝着以IP为主流平台的网络化方向发展，需要具有可以灵活组网和支持中高速传输能力的新型宽带卫星通信网。MF-TDMA技术体制的卫星通信系统正是在此需求基础上发展起来的。

MF-TDMA卫星通信系统具有灵活组网和大小站兼容等特点，可以结合地面网络技术实现面向节点和用户的综合业务传输与组网需求，目前已成为国内外卫星应用与研究的热点。MF-TDMA技术体制的设计与实现方式非常灵活，存在多种组网应用模式，因此需要对MF-TDMA组网应用模式进行研究，从而使MF-TDMA系统能够发挥最大作用。同时MF-TDMA系统参数配置具有较大的灵活性，存在多种方案，需要网络规划决策支持软件提供参数配置方案，为MF-TDMA系统参数配置提供决策支持，才能充分发挥MF-TDMA卫星通信系统最大效能。

1 MF-TDMA系统组网模式研究

1．1 概述

MF-TDMA也称“多频时分多址技术”，采用FDMA与TDMA相结合的二维多址方式，每个载波容纳一个用户群，每个用户占用帧结构的不同时隙设置，通过载波的跳变实现不同用户群之间的业务互通，构成多个用户群组成的通信网，支持一点对多点传输，特别是能够支持大量中、小地球站灵活组网。MF-TDMA系统可实现卫星资源的动态分配，对IP等数据业务资源利用率高。

MF-TDMA组网应用时，一个主站发送TDMA参考信号并作为全网各站的时间参考基准和一个备份主站用于主站出现故障时接替主站的工作。一般业务站以主站为参考，并按照主站下发的帧计划在分配给本站的时隙内发送突发信息，一般业务站也可配置帧计划产生单元，以便于当主站或备份主站发生不可恢复故障时，方便地将一般业务站配置为主站，从而增强网络的抗毁性。网络结构如图1所示。

图1 MF-TDMA卫星通信系统组网示意图

MF-TDMA系统的主要特点如下:

①支持一点对多点传输，具有灵活的组网能力;

②支持综合业务传输，可与多种地面网络互联互通;

③可支持小型地球站终端的使用;

④便于实现数据广播和数据共享;

⑤可实现卫星资源的动态分配，对IP数据业务资源利用率高。

1．2 MF-TDMA系统典型组网应用模式

MF-TDMA卫星通信系统可以满足用户对中高速灵活组网卫星通信的需求，将卫星通信的多址方式以及广播特性与地面分组交换技术相结合，依据不同的分组标识，识别不同业务、不同目的地从而组成星状网、网状网或混合网。

1．2．1 星型网

星型网用于点到多点、各点之间无业务通信的应用方式，例如测绘/气象等信息的探测与分发、视音频广播回传等。支持话音/传真、视频和IP数据等业务。

此种网络为1个中心站和若干个远端站，构成面向中心的信息采集网或通过中心站中转的星状通信网。业务可星状单跳互通，中心站将信息通过出向传输信道发布出去，由各远端站接收。各远端站再将信息通过入向信道传送到中心站。在网控中心组织下，任意远端站可回传，在一个时间内只允许一个远端站回传。

1．2．2 网状网

网状网使用场合很多，用于点对多点和各点之间有业务联系的应用方式，例如数据网、电话网和Internet接入等。

网状组网应用可分为大站组网应用、小站组网应用和大小站混合组网应用等。大站组网主要是由固定站、中型以上移动站单独或混合组成的中高速综合业务网。小站组网主要是由小型移动站组成的低速综合业务网。大小站混合组网就是固定站、中型以上移动站和小型移动站等混合组成。按照网内工作的站数量、业务类型和业务量的初步估算，配置各站参数。

各站可传输话音、传真、视频和IP数据等用户业务。各站话音、传真和IP数据等业务可网状单跳互通。

1．2．3 全 IP 组网

在星型组网和网状组网应用模式中，均可采用全IP组网方式。地球站可根据用户的使用情况提供2种接入方式:通过路由器帧中继协议接入和通过网桥与IP数据网的接入。

1．2．4 虚拟子网

虚拟子网应用于网内存在业务独立的子网，子网内有通信业务，子网间无通信业务的场合。这种应用方式通过全网统一管理控制。

2 MF-TDMA系统网络规划

MF-TDMA系统组网具有很大的灵活性，对于相同的通信网建设或任务保障要求，存在多种系统配置方案，但不同的方案帧效率不同和对星上资源占用也不同。MF-TDMA系统网络规划［1］是为 MFTDMA卫星通信系统的优化使用提供支持，在保障任务需求和服务质量的前提下，给出帧效率较高、转发器资源利用率较高和地面站型配置合理的系统配置方案。

2．1 规划流程

MF-TDMA网络规划过程实际就是载波规划［2］的过程，主要是对站型、载波数量，载波速率和帧结构等内容进行规划，该过程相当复杂，需要大量的计算。流程主要分为3部分，包括业务估算、载波数量和速率规划、卫星链路预算和帧结构规划。

2．1．1 业务估算

输入用户需求，包括任务区域、地球站类型和数量、地球站互通关系、业务类型和业务量等信息，进行话音、传真、视频和数据等的业务估算，得出全网总信息速率如下(考虑 C%的MF-TDMA系统开销):

(话音/传真总信息速率+视频总信息速率+数据业务总信息速率)×(1+C%)。

2．1．2 载波数量和速率规划

利用载波规划程序对一个任务进行规划时，首先需要明确任务中网内地球站的数量、各站之间的连通性、每对存在通信联系的站之间的业务量以及各个站的天线口径等。程序规划的结果包括该网使用的载波数量、各个载波的速率以及帧结构。

当未输入地球站的天线口径时，程序将天线口径作为一种规划输出。程序在接收到输入后，首先判断子网中各站的天线口径是否都已确定，以确保在以后进行载波分配和时隙划分的运算中，每个站都至少有一个明确的天线口径，并且程序将遍历所有可能的站型组合，将每种组合都进行载波分配和时隙划分运行，得出所有可能的结果。

在确定了地球站的天线口径后，还要判断这些天线口径之间是否存在很大差异。当天线口径差异不大时，则选定一个卫星增益档和编码方式的组合，以主站接收的业务量和全网广播业务量作为载波速率，在其他站之间做链路预算。当链路预算满足要求时，只使用主载波;否则，需同时采用主载波和副主载波。在具体确定载波数和地球站的值守载波之前，需先将地球站按天线口径分组，并在分组内以地球站接收业务量为标准进行降序排序。为了方便进行功率控制，程序会尽量使口径相同的地球站值守在同一载波上。

确定地球站值守载波的运算方式如下:

①将所有天线口径相同的地球站值守在同一载波上，载波速率是该载波上的所有接收业务量之和;

②根据载波速率在同一载波地球站上进行链路预算;

③如果链路预算都符合要求，则该口径的地球站就值守在同一载波上;否则就将进行载波分裂，也就是使用2条载波，每条载波上只有先前一半数量的地球站，并且值守站接收业务量的总和尽量相近;

④然后各条载波重复以上的过程直到所有站都符合链路预算的要求。

以上过程完成后，虽然对各个地球站都分配了载波，但是还可能存在载波数量超过最大可用载波数的情况。如果出现了这种情况，就要进行载波合并，合并的原则是选取口径相似的地球站，使其值守在同一载波上，这样可以在某些情况下，满足链路预算要求并减少载波数量。在载波合并后，如果载波数仍不满足要求，就需要使用新的增益档和编码方式重新进行计算。如果载波数满足了要求，则根据帧长度和帧效率［3］与基本数据时隙长度和基本数据时隙个数的制约关系确定组帧方案。如果成功找到了合适的组帧方案，那么一种合适的载波规划方案就产生了。为了找出最优的规划方案，程序需要遍历所有可能的编码方式与卫星增益档的组合，找出所有可能的方案。

另外，如果网络中地球站数量很少但是站型不一致，可以将所有地球站放在一个载波上，以减少使用的载波数从而节省卫星频带资源。

2．1．3 帧结构规划

帧结构规划的过程如下:

①根据地球站数量确定基本帧数量;

②确定主载波或副主载波的基本数据时隙数量，计算基本数据时隙长度和容量，确定主载波帧结构;

③根据业务载波和主载波的速率，确定每个业务载波的基本数据时隙数量，计算各个业务载波的基本数据时隙长度和容量。

在确定了主载波和业务载波的帧结构后，进行帧效率计算，看是否满足帧效率和业务量。不满足时，可根据业务量差值微调载波速率，并进行链路预算。

2．1．4 卫星链路预算

链路预算是MF-TDMA网规划很重要的步骤，结合气象信息，使用给定的卫星转发器参数，进行链路预算，结果应满足链路可用度要求，且功率带宽占用基本平衡。

卫星链路计算公式包括［4］:

(1)上行载噪比(C/T)u 单位dBW/K

式中:EIRPe为地球站有效全向辐射功率(dBW);Lu为上行线路总损耗(dB);(G/T)s为卫星接收系统品质因素(dB/K);Ws为卫星饱和通量密度(dBW/m2);BOi为卫星输入补偿(dB);为接收天线单位有效面积的增益(dB)。

(2)下行载噪比(C/T)d 单位dB/K

式中:EIRPs为卫星有效辐射功率(dBW);BOo为卫星输出补偿(dB);Ld为下行链路总损耗(dB);(G/Te为接收站的品质因数(dB/K)。

(3)交调载噪比:(C/T)IM及其他干扰

通常用实验或计算机模拟的方法［5］来求得载波功率与互调噪声平均功率谱密度之比［C/N0］IM，并用等效噪声温度折算处理(虽然它实际并不是白噪声)，即［C/T］IM=［C/N0］IM－228.6。此外通常给出的数据是对应卫星单载波饱和的，因而对应于实际工作点，载波总功率与互调噪声等效噪声温度之比为:

式中，［CS/T］IM是卫星转发器单载波饱和输出功率与实际工作点上落入所关心频带内的互调噪声等效噪声温度之比的分贝数，它本身是随输入补偿加大而较快地增加的。

除交调外，其他干扰还有邻道干扰、邻星干扰、共信道干扰和交叉极化干扰等，一般说来这些干扰噪声的频谱也不是平坦的，但在实验的基础上可把它们等效成热噪声处理。使用计算中，可参考卫星制造公司给出的有关干扰影响的数据资料。在信道设计时应留有相应余量。

(4)总载噪比［C/T］t

(5)门限载噪比［C/T］th

式中:Eb/N0为每码元能量与噪声功率密度比(dB);IR为信息数据率(包括TDMA开销);M为系统余量;K为玻尔兹曼常数，K=－22.8 dBW/K·Hz。

3 MF-TDMA系统网络规划方案仿真评估

评估［6］是决策学的一个重要分支。评估(或评价)是管理过程中的一个重要活动和节点，是为决策服务的。输入是对象和目的，输出是结论和建议，提供决策者决策，同时作为开展后续工作进行方案“权衡优化”的输入之一。评估是决策的前提。评估的核心是“度量”的过程，决策的核心行为是“选择”的过程。没有评估，就无法决策。

通过对载波规划程序规划［7］出的系统配置方案进行仿真评估，从而验证方案的可行性，找出系统的不足之处并提出改进意见。首先，进行仿真场景的设计［8］;然后对仿真场景加载不同的业务量，进行网络和业务Qos性能的统计和分析;对比仿真结果和理论设计，分析网络规划方案的合理性及是否满足用户的应用需求，以使系统获得最合理的网络资源配置和较高的资源利用率。

4 系统网络规划决策支持软件的实现

4．1 开发环境

操作系统:WindowsXP Professional sp2;语言:JAVA;IDE:Eclipse3.4.2或其他Java集成开发环境及JDK1.6;数据库管理软件:Oracle9i;

中间件:Tao5.6.9;

软件形式:Eclipse RCP插件;

其他第三方插件或者工具能够与上述开发环境兼容。

4．2 系统实现

①预规划［9］:预规划主要实现业务量的估算;

②输入预规划信息后，点击［确定］按钮，生成预规划输出视图;

③TDMA网络载波规划:选择TDMA网络规划视图中的［载波规划输入］菜单项。点击［载波规划］按钮，进行载波规划运算并输出;

④TDMA网络规划评估:在TDMA网络规划视图中选择［规划评估输入］菜单项，选择要进行评估的方案，然后点击［规划评估］按钮。由规划评估结果可以看出总体评估结果分数最高的方案，即为最佳方案。

5 结束语

随着现代通信信息化建设进程的加快，以IP为主流平台的网络化飞速发展，各种应用对中高速灵活组网卫星通信的需求越来越迫切。目前，MF-TDMA网是唯一支持中高速综合业务组网，也支持小系统独立组网应用的网络体系。该网系可方便、灵活地接入IP、FR和ATM等业务，网络抗毁性和网络重构能力强，可充分满足各种应用对综合业务传输与组网的需求。

MF-TDMA技术体制的设计与实现方式非常灵活，存在多种组网应用模式，要想使MF-TDMA系统能够发挥最大作用，就要充分考虑在不同情况下的MF-TDMA组网应用模式，对其进行深入研究。同时MF-TDMA系统参数配置也具有较大的灵活性，对于相同的通信网建设或任务保障要求，存在多种方案，但不同的方案帧效率不同，对星上资源占用也不同，因此需要研究决策支持技术并进行MF-TDMA网络规划。MF-TDMA网络规划就是要在保障任务需求和服务质量的前提下，给出帧效率较高、转发器资源利用率较高和地面站型配置合理的系统配置方案。针对此需求，开发出相应的网络规划软件，为系统提供多种参数配置方案，充分发挥MF-TDMA卫星通信系统最大效能。

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