MF-TDMA卫星通信系统信道载波动态调整算法

许 楠

(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

多频时分多址(MF-TDMA)卫星通信系统是一种采用频分和时分相结合的二维多址方式进行组网通信的卫星通信系统[1]，由于其具有灵活的接入和交换能力、灵活的网络结构、高效的卫星资源利用率和网络扩展能力[2]，可以较好地满足中速率节点间以及以数据业务为主的用户间组网通信[3]，在国内外卫星通信中被广泛应用[4]。

MF-TDMA卫星通信系统之所以高效，是因为可在不同速率的载波上灵活进行时隙资源的分配[5]。但是由于载波配置由网络规划决定，当网内的业务量不规则持续变化时，载波速率和数量固定不变[6]，使得远端站的业务需求长期得不到满足或者信道利用率大大降低[7]。

因此，如何动态地根据网内用户数量和业务量变化实时调整系统载波的配置[8]，在满足用户需求的前提下努力提高信道带宽资源的利用率[9]，使整个通信系统能够稳定、高效地进行业务传输，一直是MF-TDMA卫星通信系统中的关键课题[10]。

本文提出一种动态调整载波的算法，能够根据网络的运行状态，实时调整信道内的载波配置情况，使得信道传输能力满足实际需求的同时，不会造成信道内带宽资源的浪费，长期空闲的资源可用于其他网系或任务，极大地提高了系统的整体性能。

1 载波预规划

1.1 分配约束条件

MF-TDMA系统的信道可以抽象理解为一个二维矩阵[11]，其中行表示不同频率的载波，列表示划分的时间周期[12]。载波配置过程可以看作是：在一定的约束条件下，将一段频带资源划分为不同的载波，供网内的终端进行业务数据的发送和接收[13]。约束条件主要有以下3个方面：① 每一个类型的终端站至少对应一个收发载波；② 每一类型的载波数量和规划终端站数量相匹配；③ 不同载波之间存在保护间隔，所有载波带宽资源之和不超过总频带资源。

1.2 分配过程

目前，最常见的载波配置方法是采取预规划的方式。该方法的计算需要在组网工作之前的网络规划时完成。载波预规划的具体流程如图1所示。

图1 载波预规划的流程

首先规划网内所需的终端类型，确定每一类型终端的收发能力；其次分别规划每一类型终端的数量，并预测每一个终端的业务量需求；然后根据已规划的终端能力和业务量，配置生成不同速率的载波；将载波配置和可用的频带资源进行比较，是否能够满足，若不能满足所有载波需求，对所有类型的载波数量进行等比例压缩；最终的载波配置结果下发至网络中进行组网工作，载波的速率、数量都不再进行调整变化。

1.3 算法分析

载波预规划的优点是过程简单、容易实现，网络的运行过程稳定可靠[14]。

缺点是在不同场景下会出现信道的效率低下和用户的业务需求满足率低[15]。在组网初始阶段或正常组网时，远端站终端入网数量远远小于规划时会出现大量载波空闲导致的信道浪费[16]。

当某种类型的终端入网数量或业务量激增时，信道内该速率的载波利用率达到满载荷，依然不能全部满足业务需求。而信道内的其他载波依然空闲，得不到利用[17]。

导致这些现象的根本原因是信道的规划配置和网络运行后时刻变化的业务需求不能保持完全匹配[18]。这是因为载波预规划算法是在网络运行之前，对可能出现的业务需求进行预测，并兼顾到所有的终端站[19]。当网络运行状态和预期规划有所出入时，信道使用和用户体验便不能保证处于最优的状态[20]。

2 载波动态调整算法

2.1 原理

载波动态调整算法所要解决的是MF-TDMA卫星通信系统中，载波配置不能够根据业务量变化而动态调整，从而导致业务需求得不到满足或者信道利用率低的难题。旨在提供一种可灵活适应各种网络环境、高效可靠的信道载波动态调整技术。

载波动态调整算法遵循MF-TDMA卫星通信系统基本资源申请、分配和使用的原则，通过对业务带宽申请的统计和分析，和当前的信道载波容量进行判定，自适应地选择载波扩展、载波回收以及载波保持3种方式中的一种，然后调整远端站和载波的值守关系，以达到载波负载均衡的目的。载波调整完毕后，根据业务申请在配置的载波上进行时隙资源的分配，并下发全网。

该方法的本质是对网络内的不断变化业务流量进行实时监控。资源分配单元通过监测网内每一个终端、每一个业务的变化进行统计和分析，并对业务量的增减进行一定的预测，掌握了一段时间内的业务量的变化趋势，以此来对信道的载波配置进行适应性的修改，最大程度地保持信道能力和业务的一致性。

该方法需要在网络运行过程中时刻进行计算和调整，运算开销较预规划方法较大，并且载波调整的频率不能过于频繁，否则会影响网内的正常通信。

2.2 具体实现

具体的实现步骤如下：

① 在接收到所有远端站的业务时隙申请信息后，按照远端站的发送能力和业务目的站的接收能力，对申请信息进行分类统计。

② 对系统的信道容量进行评估，统计网内不同速率的载波数量和每条载波的带宽资源。

③ 根据网内的载波配置情况和远端站的带宽申请，比较信道内不同速率载波的容量是否远超出远端站的业务带宽需求。如果当前的载波速率和数量配置远超出所有远端站的带宽需求，则转入步骤④；否则转入步骤⑤。

④ 计算信道容量超出远端站需求的带宽大小，转换为载波的速率和数量，根据速率和数量进行载波的回收。回收的过程中，优先选取带宽利用率较低的载波进行回收，并且对回收载波上正在通信的业务向其他在载波上进行无抖动移植，保证用户通信的服务质量。

⑤ 根据网内的载波配置情况和远端站的带宽申请，比较信道内不同速率载波的容量能否满足远端站的业务带宽需求。如果当前的载波速率和数量配置能够满足所有远端站的带宽需求，则转入步骤⑦；否则转入步骤⑥。

⑥ 计算远端站超出信道容量的带宽大小，转换为载波的速率和数量，根据速率和数量进行载波的扩展。

⑦ 根据远端站的实际业务需求和载波数量，对远端站对载波的值守情况进行调整，保证所有载波上的业务均衡。

⑧ 根据所有远端站的业务带宽申请，在配置完毕的载波上进行时隙资源的分配，将载波配置结果和载波时隙分配结果通过参考突发下发到每一个远端站。

⑨ 远端站接收到载波配置和时隙分配信息后，在规划的时间和频点上进行突发数据的发送和接收。

载波动态调整算法的具体流程如图2所示。

图2 载波动态调整算法流程

3 仿真优化

针对MF-TDMA系统，对载波预规划的过程和动态调整算法进行模拟和仿真。仿真的具体条件设定如下：

① 网络的终端站规模为1 000；

② 频带资源池为100 MHz；

③ 终端站根据收发能力分为8类；

④ 与终端站能力对应，载波类型按速率也分为8档，分别为64 ksps，128 ksps，256 ksps，512 ksps，1 Msps，2 Msps，4 Msps，8 Msps；

⑤ 终端站的开机入网时间服从泊松分布；

⑥ 终端站入网后的业务需求服从随机分布，范围为[0，N]，N为终端发送能力上限。

3.1 预规划

预规划算法的网络运行状态如图3所示。图3中的2条曲线分别表示网络运行过程的不同阶段，系统的信道利用率和用户的业务满足率变化情况。

图3 预规划算法的网络运行状态

由仿真结果可知，在网络运行的不同阶段，信道利用情况和用户业务需求满足情况会随着入网用户数量和业务需求的变化而变化。

在组网的初始阶段，网内的入网用户较少，而信道大量资源处于空闲状态，因此用户的业务满足率处于100%，而信道利用率很低。

随着入网用户的增多和业务量的增长，信道利用率逐步增加，直到所有的资源全部被占用，利用率达到100%；而用户的业务满足率逐渐下降。

3.2 载波动态调整算法

载波动态调整算法的网络运行状态如图4所示。

由仿真结果可知，无论是网络运行的初始阶段还是稳定运行阶段，信道的利用率始终稳定保持在较高的水平。而用户的业务满足率也保持在较高水平，直到用户数量和业务量超出信道能力上限后，业务满足率开始逐步下降。

图4 载波动态调整算法的网络运行状态

通过对比可知，载波动态调整算法能够在网络状态变化的过程中，自适应地调整信道的容量，始终保持信道与用户需求的一致，保证了MF-TDMA通信系统的高效和稳定。

4 结束语

通过对MF-TDMA系统频带资源的载波预规划算法进行分析，提出了载波动态调整算法。通过实时监测网内业务量，根据业务量变化趋势，在频带资源池内动态调整载波的配置情况，满足用户业务需求的同时提高了信道利用率。通过仿真分析，表明本文方法可以有效地保证MF-TDMA系统内信道的载波配置和用户需求变化的一致性。