MF-TDMA卫星通信系统信道分配研究

王书杰

【摘要】 随着卫星通信技术的发展，其在各行各业得到了广泛应用，通过不同多址方式的相互结合，产生了具有代表性的跳频时分多址MF-TDMA，本文首先介绍了MF-TDMA卫星通信系统应用时的网络组成，然后对其组网工作原理进行了阐述，最后重点介绍了该系统的信道分配算法，从时隙申请与分配，跳频工作方式的选择两方面进行优化分配，以提高信道的使用效率。

【关键词】 卫星通信 MF-TDMA 信道 时隙

一、引言

卫星通信系统的多址方式有频分多址（FDMA） 、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）等，随着技术的发展，各种不同的多址方式相互结合，形成混合多址调制方式，其中最具有代表性的是跳频时分多址MF-TDMA （Multi-Frequency Time-Division Multiple Address） [1]，此系统很好的将FDMA和TDMA合二为一，从频域和时域二维空间对卫星资源进行分配，首先采用FDMA方式将信道分割成频率不同的若干路载波，然后再在每一路载波上使用TDMA的方式分割成若干时隙，以便用户可以在指定的时隙内使用指定的载波频率进行数据的传送，这就为组网通信带来了极大的便利，很容易组建星状网和网状网，实现一点对多点或多点对多点的组网通信，可广泛应用于军事、气象、电信、教育、人防、交通、广电等行业。

二、系统组成

MF-TDMA卫星通信系统由主站（含备份主站）和分布在各地的若干远端站构成，他们之间通过不同的载波和时隙实现业务、控制等信息的交互。

2.1主站

主要设备包括卫星天线、ODU、TDMA 主控终端、网管。主站负责发送TDMA 时钟参考信号和帧计划，是全网的时钟参考基准和卫星资源分配中心。网管负责整个卫星通信系统运行的集中控制管理，主要完成网络管理、资源分配、流量统计等功能。实际组网应用中可根据实际情况配置两台TDMA主控终端，互为备份，以提高整个卫星通信系统的可靠性。

2.2备份主站

设备配置与主站相同，主要作用是在主站出现故障时承担主站的工作，主备站之间实行自动切换，且在切换过程中系统仍能正常工作。

2.3远端站

远端站主要设备包括卫星天线、ODU、TDMA 业务终端。远端站以主站为参考，按照主站下发的帧计划在所分配的时隙内传送突发信息。当然远端站也可配置帧计划产生单元，以便于当主站和备份主站双双发生故障时，能将该远端站配置为主站，以增强系统的抗毁性。

三、组网工作原理

MF-TDMA卫星通信系统扩大了卫星信道的应用规模，支持同一时刻处理多路载波，支持多路载波间的频率跳变，支持载波速率变化。

在多个载波信道中，有一个称为主载波信道，这个主载波信道由参考突发时隙、测距时隙、申请时隙和数据时隙构成。一个远端站开机进入运行状态后，首先接收主载波信道，解析参考突发，获取帧计划；然后通过测距时隙，进行测距，完成主站与远端站之间的时钟同步；同步后，当时间到达该站突发时隙时传送突发信息。

各站接入的话音、数据、视频综合业务等首先要进行分段、打包处理，处理后获得的分组加入目的站址、数据保护等信息，然后通过申请时隙向主站发送业务时隙请求，主站收到请求后，从时隙池中选择空闲时隙分配给该站，并按照时隙分配表在指定载波和时隙位置上发送。在远端站接收端，进行解调和过滤，若目的站址不是本站则丢弃，若是则进行解封装处理。

MF-TDMA卫星通信系统组网时每个载波可根据站型能力配置载波速率，对业务量大的站点配用高速载波、对业务量小的站点配用低速载波。通过载波跳变频、变速率，不仅提高了系统网络的容量，而且信道分配更加灵活，可实现不同大小站型、多种业务类型的远端站灵活组网。但随着业务量的增多，现有卫星资源就显得捉襟见肘，那么如何来提高现有卫星的资源利用率呢？这时信道资源分配就显得更加重要。

四、MF-TDMA信道分配研究

MF-TDMA 系统的卫星信道资源是根据业务量的大小动态申请、分配的，具有突发性。传统的“FIFO”传输策略将不同类型的业务混杂在一起分享带宽资源，对实时性要求不高的文件传输业务影响不大，但对实时性要求极高的话音和视频等流类型业务来说影响会相当明显，如出现因带宽受限导致的话音或视频传输抖动、断续等现象。因此，业务在MF-TDMA卫星网络中传输使用时，必须设计合理的QoS保证机制，实行合理的信道分配算法。

4.1时隙申请与分配

当远端站与主站时钟同步后，则开始进行业务数据的突发传输。在信道分配集中控制方式下，信道的时隙分配由中心站完成。主站根据远端站的能力及申请的时隙数、服务质量保证等在载波组内为其分配载波和时隙信道。远端站再通过解析分配结果获得时隙的使用权限，在分配的时隙内进行发送突发数据。时隙分配表中包含着每个时隙的使用规划，由若干个分配单元组成，每个分配单元描述了一个时隙的类型和使用者[2]。

具体时隙申请和分配具体过程为：

1）每个远端站根据其业务的特性向主站发送申请信息；

2）主站的时隙分配表生成单元根据收到的每个远端站申请信息进行时隙分配表生成计算，得到时隙分配表后通过参考突发下发至全网各远端站；

3） 每个远端站接收到参考突发后，对时隙分配表进行解析，获得本地球站的数据时隙分配情况；

4）在分配的数据时隙内，各远端站发送业务数据。

由实际工程经验可知，帧中的数据时隙有四种使用方式：预分配使用方式、保证使用方式、按需分配使用方式和自由使用方式[3]：

1）预分配使用方式：指把载波上的某些时隙指定分配给某站发送业务，类型可以是实时的也可以是非实时的，为“不占用也满足”的分配方案，主要用于随时需要带宽保证的业务。

2）保证使用方式：指某站配置了保证时隙，系统必须给以分配保证，为“需要必满足”的分配方案。不同于预分配方式自始至终占用部分时隙，对于具有保证使用时隙的远端站，当业务所占带宽没有达到相应的保证量时，剩余的时隙可以分配给其它站使用，而一旦本站需要，系统将会对此站的业务予以优先满足。保证使用方式适用于那些带宽变化比较大，实时性要求不高，而且需要一定带宽保证的业务（如IP数据业务）。

3）按需分配使用方式：指按照带宽的申请量进行时隙的动态分配。

4）自由使用方式：主要为突发性的非实时业务所提供的时隙使用方式。

时隙分配要考虑时隙利用率、业务服务质量、时隙分配的公平性等，采用“实时业务时隙位置相对固定，非实时业务时隙重分配”的原则进行计算。

4.2跳频工作方式

跳频工作方式只要包括：发跳收不跳MF-TDMA、收跳发不跳MF-TDMA和收发都跳MF-TDMA三种组网系统，叙述如下：

1）发跳收不跳MF-TDMA组网系统

目前的MF-TDMA卫星通信系统大都采用发跳收不跳方式，发送载波的时隙可以在不同频点上跳变，接收载波固定在不同的频点上。设计时将所有远端站进行分组，一组由多个站构成，并为每个组分配一个固定的接收载波，称为值守载波。各站间进行通信时，接收站在值守信道上接收其它站发送给自己的信息，发送站将突发信号发送到接收站值守载波上，并根据所处的值守载波不同而在不同的载波上逐时隙跳变发送信号。

2）收跳发不跳MF-TDMA组网系统

组网设计时同样将所有地球站进行分组，并为每组站分配一个固定的发送载波。与其他站通信时，发送方在自己固定载波的指定时隙位置发送，接收方根据发送方的载波不同而逐时隙跳变接收。

多类站型混合组网通信时，大口径站配置的固定发送载波最高速率取决于所发送的小口径站的接收能力，而小口径站配置的载波最高速率则取决于小口径站本身的自发自收能力。与发跳收不跳组网方式相比，收跳发不跳系统大口径站的最高发送载波速率高于发跳收不跳系统大口径站的最高接收载波速率，而小口径站的发送和接收载波最高速率相同。因此从多类站型混合组网的系统容量方面比较，收跳发不跳MF-TDMA系统优于发跳收不跳MF-TDMA系统。

3）收发都跳MF-TDMA组网系统

此系统各站发送和接收突发信号都可根据所处载波的不同而跳变。不同于发跳收不跳和收跳发不跳系统，各站间不再进行分组。站间分配载波和时隙基于双方收发能力进行，即根据其不对称传输能力而分配不同载波上的时隙。因此，多类站型混合组网时，载波速率的配置取决于大口径站本身收发能力和小口径站本身收发能力。收发都跳MF-TDMA系统的多类站型组网能力优于收跳发不跳MF-TDMA系统和发跳收不跳MF-TDMA系统。

3种组网系统实现方式在支持多类站型混合组网的能力方面，收发都跳系统MF-TDMA最强，发跳收不跳MFTDMA系统最弱。在实际的应用过程中，发跳收不跳MFTDMA系统能够构建基于分组交换的网络，而收发都跳MFTDMA系统和收跳发不跳MF-TDMA系统只能构建基于时隙的电路交换网络。另外，在技术实现复杂度方面，发跳收不跳MF-TDMA系统最为简单。基于各自的综合优势和实际的应用需求，发跳收不跳MF-TDMA 系统得到了广泛应用并成了发展主流，但是如何弥补其支持多类站型混合组网能力的不足还值得研究，目前相关研究人员提出了一种双值守载波MF-TDMA解决方案来解决此问题，我们将在以后的应用中去检验。

五、结束语

随着各行各业信息化建设进程的加快，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。

要想使 MF-TDMA系统能够发挥最大作用，实际使用时必须对其进行深入研究和规划，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站型配置合理的系统方案。相比其它体制卫星通信系统，MFTDMA 卫星通信系统的应用前景将非常广阔。

参 考 文 献

[1]郝学坤，孙晨华，李文铎.MF—TDMA卫星通信系统技术体制研究[J].无线电通信技术.2006，32（5）.P1-3.

[2]刘丽宏，孙晨华.MF-TDMA系统时隙分配算法的研究[D].“第23届全国通信与信息技术发展研讨会”论文集.P313-316。

[3]董启甲，张军，张涛，秦勇.高效MF-TDMA系统时隙分配策略[J].航空学报.2009年，30（9）.P1718-1726。