一种MF_TDMA卫星通信系统星状拓扑网络分析

中国电子科技集团公司第五十四研究所 张方明



一种MF_TDMA卫星通信系统星状拓扑网络分析

中国电子科技集团公司第五十四研究所 张方明

【摘要】在分析多频时分多址（MF-TDMA）体制特点基础上，结合新的数字化实现水平和多载波并行解调技术，提出了一种基于多载波并行解调技术构建MF-TDMA 体制星状拓扑网络的方法。首先对多载波整体解调技术进行了介绍，然后设计了MF-TDMA 星状网的组网流程和同步控制方法，最后提出了基于中心转发的业务站互通方法。

【关键词】MF-TDMA；星状拓扑网；同步控制方法

0　引言

MF-TDMA 卫星通信体制具有组网灵活、资源利用率高等优点，支持面向用户和节点的话音、数据及视频等综合业务传输，已成为网络化卫星通信发展的主流。MF-TDMA卫星通信系统组网方式主要可分为网状组网和星状组网两种。网状组网一般适用于站能力相当的站间实现对等组网，当个别站型能力差别较大时，可以通过灵活配置大小站的值守载波速率以实现大小站混合组网，但当大量站型能力都不相同的情况下，载波配置会非常复杂且很难保证各站地球站之间完全的点对点业务互通。而星状组网方式则能很好的克服以上问题，实现大规模组网下的大小站混合组网互通。本文设计了一种基于MF_TDMA体制的星状拓扑网络，并给出了详细的组网流程、同步控制方法及业务互通方法。

1　多载波整体解调技术

在星状拓扑网络中，中心站使用一条高速前向载波实现向小站的突发数据发送，同时，需要在多条返向信道上接收各远端用户终端的上行突发信号。若每条返向信道对应一个解调器，那么当网络规模较大时，中心站的解调器数量将非常可观。多载波整体解调技术是星状网中心站返向信道处理单元关键技术，可实现多路混合信号的分路，完成星状网通信系统中心站同时处理多路突发信号的功能。

多载波整体解调技术涉及通信领域中多路突发信号的分路和整体解调全数字化处理技术。它采用了对多路突发信号的数字化分路、整体解调的信号捕获、时钟同步、载波同步，减少了硬件复杂度，提高了单个解调器的处理能力。

实现多载波解调的关键在于数字化分路，数字化分路实现采用多相阵列FFT法。多相阵列FFT数字分路算法是基于多抽样率变频的数字信号处理技术，其实现结构是从均匀DFT滤波器组数学模型引申出来的。多相阵列FFT算法由多相滤波器组和FFT模块两部分组成。多相滤波器组完成信号匹配以及信号滤波功能，FFT变换实际上完成了载频搬移和卷积滤波两个过程，即将有载频的信号搬移到零频率后再用低通滤波器得到所需信号，由于采样存在偏差需要数字化整体解调来实现突发信号的捕获、时钟同步和载波同步。

目前，多载波整体解调器能够实现最多112路突发信号同时解调，支持符号速率32K-8Msps。

2　星状网帧结构

星状拓扑的帧结构如图1所示，前向载波由中心站发送，远端站接收，返向载波组由远端站发送中心站接收。

前向载波由于没有时隙的竞争问题，突发越长效率越高，因此前向载波的帧结构按照效率最优的原则自动生成，返向载波的帧结构可按照实际应用需求进行配置。

前向载波中设计参考突发，用于中心站向远端站发送网络信息和控制信息，同时用于远端站的接收链路的调整；返向载波组中设计测距突发和申请突发，测距突发用于远端站的发送链路的初始调整，申请突发用于远端站的控制信息上报和发送链路的同步保持。

图1　星状拓扑帧结构

3　星状网同步控制技术

同步控制包括定时控制、频率控制和功率控制。

在星状拓扑卫星通信网络中，根据图1设计的的帧结构，中心站和远端站均没有自发自收闭环调整的能力。所以中心站采用固定定时同步方案，远端站采用中心站辅助定时同步方案。

将中心站的收发时间进行直接关联，不进行调整，中心站按照严格的时间关系进行发送和接收，并将中心站的信号往返时延（ Round Trip Time，RTT） RTTm在参考中下发到远端站。远端站的接收时间通过中心站的参考突发进行调整，完成接收支路的时间同步；远端站根据RTTm和本站的信号往返时延RTTs计算本站的发送时间，在测距时隙发送测距突发，中心站接收该突发后，提取误差信息，并在参考突发中下发，辅助远端站进行发送时间的调整，完成全网的定时同步。如图2所示，远端站在t1时刻发送第N帧突发，在t5时刻接收第N帧突发，中心站在t3时刻进行第N帧突发的发送和接收，即远端站的第N帧突发的发送比接收提前中心站RTTm和远端站RTTs之和。

功率控制分为三部分完成，中心站初始功率控制，远端站功率控制和中心站组网功率控制。

中心站在远端站入网前，使用前向载波进行自发自收，调整本站的发送电平和接收衰减，完成中心站的初始功率控制，本阶段完成后，进行中心站组网功率控制，不再进行自发自收。

远端站的功率控制通过主站辅助反馈式控制调整方式。远端站根据接收中心站前向载波上的参考突发，调整本站的接收衰减，完成调整后，在返向载波组上发送测距突发，中心站接收测距突发后，根据接收测距突发状态，在参考突发中向远端站反馈其发送电平的调整信息，远端站根据调整信息进行本站的发送电平的调整。在远端站入网后，中心站根据其发送申请的状态，反馈调整信息。

图2　星状拓扑定时关系示意图

中心站在完成组网后，需要根据远端站在申请中上报的接收参考信噪比调整本站的发送电平。由于远端站的能力不同，其接收参考信噪比差异较大，统计所有远端站的申请中上报的收参考信噪比，如果有超过设定数量的远端站的收参考信噪比低于最低门限值，则增大中心站的发送电平，如果有超过设定数量的远端站收参考信噪比高于最大门限值，则降低中心站的发送电平，完成中心站的发送功率的调整。其流程如图3所示：

图3　星状拓扑功率控制流程图

由于星状拓扑卫星通信网络的前向链路和返向链路隔离，所以对前向链路和返向链路的频率分别进行控制。前向链路以中心站的发送频率为基准，远端站根据接收参考突发的状态调整本站的接收频偏；返向链路以中心站的接收频率为基准，中心站根据接收远端站的突发状态，提取远端站的发送频偏，并在参考突发中下发，辅助远端站进行发送频偏的校正。

4　中心转发技术

星状拓扑卫星通信网络中远端站之间没有直接互通的信道，为解决星状网下各远端站间业务数据互通的问题，设计了星状网综合业务中心交换与信道分配方法，基于业务流划分与标记、双向时隙申请分配、业务流中心转发三个主要过程，现了星状网全网业务互通。主要方法和流程如下：

（1）小站根据自身业务量和业务类型申请返向转发（目的站为小站）与非转发的（目的站为中心站）的时隙，并分别提出申请；

（2）中心站接收申请并分配时隙。对转发时隙，中心站同时分配前向信道和返向信道时隙；对小站非转发时隙仅分配返向信道时隙；对中心站自身业务，仅分配前向信道时隙；

（3）中心站将时隙分配结果通过参考下发到小站；

（4）小站获得对应时隙后，标记业务数据包的真实目的地址。在属于自己的时隙内，将业务数据包按返向载波突发长度组成TDMA突发向主站进行发送；

（5）主站并行解调返向载波组内多条TDMA载波，接收各小站数据，并将目的站标记为为其他小站的待转发的数据，送入待转发的数据缓存；目的站为自身的送往接口输出；

（6）中心站在每类业务分配的时隙到来时，将真实源地址标记到数据包内，并分别组包发送对应类别的突发数据。

（7）小站收到主站业务数据后，根据标记的真实源地址识别出该数据为其他小站发送的还是中心站发送的，并按此解析数据完成通信。

5　结束语

该文设计了一个基于MF-TDMA 体制的星状拓扑卫星网，该网络基于多载波整体解调技术，实现了中心站的接收能力的提升，在不影响系统返向传输总容量的情况下，降低了单条载波的速率，有效降低远端站站型能力要求。给出了帧结构、同步控制实现方式和远端站基于中心转发的互通方式，解决了远端站能力差异较大时的组网互通问题。特别适用于远端站站型能力受限的广播分发系统和数据采集系统。

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）：1-3.

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［3］岳田，李辉，郝学坤.MF-TDMA 信号整体解调及其FPGA 实现技术［C］.∥第23 届全国通信与信息技术发展研讨会论文集，2008：305-309.

［4］LI Jin-yan，KIM Jung-hwan.Data-Aided Synchronization for MF-TDMA Multi-Carrier Demultiplexer/Demodulator［J］.IEEE Trans. Broadcast，2009，55（3）：623-632.

作者简介：

张方明（1985—），男，通信与信息系统专业硕士研究生，现供职于中国电子科技集团公司第五十四研究所卫星通信与广播电视专业部，主要从事卫星通信技术研究。