MF-TDMA和FDMA传输自适应体制下的资源分配

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

当前的卫星通信系统主要分为FDMA和TDMA两种不同的传输体制。

FDMA指的是频分多址，这种体制将频带资源根据传输需求在频域上划分为不同带宽的载波[1]，将载波分配给网内的用户单独使用，从而实现用户在不同的频率上同时进行数据的传输，即频分复用[2]。而载波与载波之间存在保护间隔，防止相互间的干扰[3]。

而TDMA指的是时分多址，是将同一频带资源上的载波在时域上进行等间隔的划分为帧，每一个帧周期再划分为等周期的若干个时隙[4]。不同的时隙可以分配给不同的用户[5]，而实现了多用户在同频率上进行先后时间顺序的数据传输，而相互独立无干扰，即时分复用[6]。而帧与帧、时隙与时隙之间存在保护间隔[7]。在此基础上的MF-TDMA，是将TDMA和FDMA相结合的二维多址方式[8]，由于其具有灵活的接入和交换能力、灵活的网络结构[9]、高效的卫星资源利用率和网络扩展能力，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[10]。

但是FDMA受限于网络规模和用户数量[11]，难以与MF-TDMA体制相比；而MF-TDMA则必须有精确的定时和同步信号以保证正常通信[12]，并且时隙之间存在保护间隔[13]，对于载波的利用效率低于连续传输的FDMA体制[14]。MF-TDMA和FDMA的混合体制组网，用户终端能够自适应选择体制进行数据传输，网络兼具二者优点，能够极大地提高通信系统的整体传输性能[15]，是当前的研究热点。

而混合体制下的资源分配问题是影响传输性能的关键难题之一。本文通过对混合体制的分析，提出了一种自适应资源分配算法，能够根据用户的能力和需求，自适应地选择FDMA体制的连续传输，选择适合MF-TDMA体制下的时分复用传输，在满足用户传输需求的同时，实现对资源利用的最大化，以提高混合体制的整体传输性能。

1 混合体制组网

混合体制组网以MF-TDMA体制为基础，通过技术增强使系统兼具FDMA的特点，能够实现二者共存的一体化系统，网络架构如图1所示，2种体制配置公共频带资源，完全按需分配。

系统的主站作为控制中心，对用户的组网控制、定时同步、传输体制和资源分配等进行统一配置管理[16]。远端站在入网后根据站能力进行传输体制选择[17]，在FDMA体制下，由远端站发起建链申请及拆链申请[18]，而在没有业务传输时，远端站通过控制信令周期向主站注册，以保持入网状态，注册周期较长[19]。主站的控制中心接收到建链或拆链的请求后，进行带宽资源的配置[20]。

图1 传输体制自适应示意

而MF-TDMA体制下，远端站在每一个帧周期向主站发送业务申请或状态信息，实现定时同步以保持入网态。控制中心收到远端站的业务请求后，在载波的时隙上进行分配，最后将资源分配结果统一下发全网。

系统可支持全MF-TDMA模式、全FDMA模式，也支持MF-TDMA和FDMA混合模式。

2 自适应资源分配算法

为了提高资源利用率，满足业务通信前提下，尽可能采用动态分配资源机制。

在系统运行过程中，控制中心根据入网终端数量及实际业务量，在频带资源池内动态调整使用载波。在没有远端站入网或网内没有业务传输需求时，仅仅控制载波或少量的业务载波即可维持网络运行。随着入网站数量增加，业务量的增多，控制中心动态从资源池中选用相应速率档位的载波，在业务量减少时释放无用的载波，以达到资源高效利用的目的。

频带资源动态处理方式使得业务需求和载波能力保持一致，既不会浪费信道能力，也可以最大限度满足用户需求。而MF-TDMA体制和FDMA体制的频带资源自适应分配过程在同一资源池内进行，由统一的算法进行载波的自适应配置，分配的流程如图2所示。

图2 频带资源配置流程

算法的具体步骤如下：

① 资源分配单元接收网内一个帧周期内所有远端站的业务请求，根据体制进行分类处理；

② 如果是MF-TDMA体制下的远端站，业务申请内容为所需的业务发送速率，分配单元将速率进行分类整合，与信道内的载波发送能力进行比较，进行载波的调整；

③ 如果是FDMA体制下的远端站，业务申请为建链请求或拆链请求，直接在资源池内进行载波的调整；

④ 载波调整完毕后，在MF-TDMA体制的载波上，根据远端站的速率请求，进行时隙资源的分配；

⑤ 将分配完毕的载波与时隙结果下发全网，所有远端站严格按照分配结果执行数据的发送与接收；

⑥ 这一帧周期的资源分配结束，等待下一个周期，重复步骤①。

在频带资源池内统一进行载波的调整时，为了防止MF-TDMA或FDMA体制的载波大量占据资源，影响另一体制下的数据传输，需在频带资源池内进行预规划，分别划定一定量的频带资源为2种体制专享，剩余的资源供二者自由竞争使用，保证2种体制的均衡。

3 算法性能分析

系统的控制中心同时支持MF-TDMA和FDMA两种体制下的频带资源分配使用，分别从2方面进行分析。

FDMA卫星通信为点对点通信，且FDMA载波在生成后，无法实时修改，导致FDMA载波的利用率较低，基于此，为FDMA划分资源池，系统根据实际需求，规划几档FDMA载波速率，远端站在有业务需求时，根据业务需求自适应选择合适的FDMA载波。通信结束后，释放FDMA载波，达到资源的最大利用率。

经过频带资源自适应处理后，FDMA可以在有限的资源内支持更多的远端站使用，提高了频带资源的利用率。

而MF-TDMA卫星通信系统为组网通信，传统的MF-TDMA系统的载波固定，无法实时修改频带资源，在网内业务量小时会造成资源的极大浪费；而业务量增大后，业务需求又得不到完全满足。

因此在资源池内动态配置TDMA载波，并针对网络内的站能力配置相应的速率档，根据终端站的业务需求，在资源池内划分出合适的载波。

控制中心同时监控着MF-TDMA和FDMA两种体制下的终端站状态和业务需求，可根据网络规模及业务量的动态变化，实时调整网内的载波使用状态，并将资源池使用状态上报运控中心。运控中心通过资源池利用情况的变化，可以动态规划卫星资源在不同卫星网络的使用，提高卫星资源的总体利用率。

4 仿真结果

仿真的具体条件设定如下：

① 网络的终端站规模为1 500；

② 频带资源池大小为100 MHz；

③ 终端站的发送业务分为2类：64 ksps和8 Msps，2种速率随机发送；

④ 终端入网后，根据业务发送需求在频带资源池内自适应占用资源；

⑤ FDMA体制下用户独占单条载波，数据发送概率为50%；

⑥ MF-TDMA体制下单条载波内分为10个时隙进行时分复用，传输的突发开销为20%；

⑦ TD/FD体制下，速率为64 ksps的业务选择FDMA体制，速率为8 Msps的业务选择MF-TDMA体制。

3条曲线分别表示网络运行过程中，3种不同体制对用户的通信业务呼叫接通率的变化情况如图3所示。

图3 通信业务呼通率的比较

由仿真结果可以看到，在网络运行过程中FDMA体制由于采取独享载波的策略，因此容纳的用户通信数量有限，呼通率骤降。而MF-TDMA采取时分复用方式，大量用户可同时入网通信；TD/FA混合体制远远优于FDMA，但由于64 ksps载波的独享策略，在网络规模非常大时，呼通率会低于MF-TDMA。

3条曲线是3中体制下的用户实际的数据传输情况，如图4所示。

图4 信道内数据传输量的比较

由仿真结果可以看到，FDMA体制下由于设定数据发送概率为50%，实际传输量较低，对信道浪费极大。而TD/FD体制下高速率载波采取时分复用方式，传输量不仅远大于FDMA体制，也高于MF-TDMA体制。

通过对比可知，TD/FD体制下的自适应算法能够在网络状态变化的过程中，自适应的调整业务传输方式，最大限度满足用户通信需求的同时，保证了对信道资源的高效稳定利用。

5 结束语

针对FDMA和MF-TDMA体制的混合组网，对混合体制下的自适应传输进行了研究。突破了传统的单一分配方式，提出了自适应资源分配算法，解决了混合组网下对公共频带资源的利用问题，并进行了仿真分析。从仿真结果可以看出，本文提出的自适应资源分配算法很好地解决了业务接入和传输效能的均衡问题，对FDMA和MF-TDMA体制混合组网的工程实现具有一定的指导意义。