一种无中心TDMA卫星通信系统资源动态调度算法

李 鹏，孙 凯，方 华

（南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044）

0 引 言

无中心卫星通信系统是指不需要中央站参与，地球站只依靠卫星的多址连接就可直接进行组网通信的卫星通信系统。通过将主站的集中管理功能转化为各个终端站分散控制，站点与站点之间直接连通，实现全网连接。这种组网方式能在网内主站失效或不设主站的情况下快速独立组网、抗毁能力大大增强，有非常灵活的通信能力，在军事通信、应急通信等场合具有一定的优势。

目前国内外对于无中心卫星通信系统的研究相对较少。国外研究并投入使用的无中心卫星通信系统，典型的如前苏联的SPADE系统，采用SCPC/DAMA的方式，主要针对话音业务。文献[1⁃2]提出了一种基于SCPC⁃TDMA的无中心组网方法，通过事先不确定主站，之后以竞争的方式不断选举出新的主站，其本质依然是通过主站承担集中控制功能。文献[3⁃4]提出一种基于单频TDMA的卫星通信系统自组网方法，适用于双向对称的固定速率业务。然而随着通信需求和业务种类的不断扩大，上述方法已经不能够满足用户对综合业务的需求，本文提出一种基于无中心TDMA卫星通信系统资源动态调度算法，可根据终端站业务的需要动态调整占用的时隙资源，以满足卫星通信中各种复杂多变的业务需求。

1 时隙分组算法

无中心卫星通信系统由于使用场合特殊，现有的研究资料较少。当前常用的时隙分组算法，通过将整个业务时隙均分成主叫时隙组和被叫时隙组，成对配置，建立业务，其系统帧结构如图1所示。

图1 时隙分组算法的系统帧结构

在时隙分组算法中，所有地球站都保持监听主叫时隙组的控制信息，以发起/获知业务请求。地球站发起业务时，主叫站占用主叫时隙组中的业务时隙，然后将占用时隙的控制信息置为“发起业务请求”状态，被叫站在扫描主叫时隙组获知业务请求后，解析请求信息，随后在被叫时隙组中占用相应的时隙，业务流程如图2所示。

图2 时隙分组算法的业务流程图

时隙分组法在进行业务分析时，无论是对称业务还是非对称业务都是成对分配时隙资源，在话音通信等对称业务时有较好的性能，但如果建立的是非对称业务，地球站必须以时隙需求量大的一方为标准占用时隙，造成“占而不用”的现象，浪费了宝贵的卫星资源。另外，时隙分组法无法根据当前业务的改变而调整，即正在通信的业务需要发生改变时（如增加、减少时隙、额外叠加业务等情况），必须中断当前的业务，然后根据业务请求流程再次发起业务，影响业务服务质量。

导致这些问题的根本原因：一是时隙分组算法系统帧中的业务时隙是成对分配的；二是地球站无法动态调整占用的时隙。为解决上述问题，需要重新设计无中心TDMA的系统帧结构，并对地球站建立业务的流程进行改进。

2 系统帧结构

本文的系统帧结构由5个部分组成，分别是参考时隙、测距时隙、公共时隙、业务时隙和保护间隔[5⁃7]，系统帧结构如图3所示。根据业务QoS对时延的限制[5]，通常将系统帧长度设置在50~200 ms，设定每60帧为一超帧，系统帧的具体长度可以根据实际情况适当调整。

图3 本文方法的系统帧结构

2.1 参考时隙

参考时隙的作用是保证无中心卫星通信系统在开启状态下，始终有站点占用参考时隙，并且发送参考信息。在系统开启的初始时刻，默认系统内第一个开机的终端站占用参考时隙（终端站开机以后先监听整个时隙，如果在若干个系统帧的时间内收不到参考信息，则证明本站点是第一个开机的站点），该站点向全网发送参考突发，并同步系统帧号，其他终端站在开机以后立即监听参考时隙，计算并调整自身时间，完成全网时间同步。

2.2 测距时隙

测距时隙的作用是进一步减少地球站、卫星运动带来的空间距离变化造成的时间误差，完成精细全网同步。在经过参考时隙完成全网时间同步以后，站点以ALOHA的方式发送测距突发，并且在接下来的时间内保持接收该测距突发，根据发送测距突发到接收测距突发之间的时间差值计算时间误差，调整自身发送时间。

终端站保持监听参考时隙，在完成全网同步之前处于禁止入网状态，终端站在发送测距突发以后，如果在若干帧内依然没有接收到本站点的测距突发，则需要重新发送测距突发，直到完成全网同步。

2.3 公共时隙

公共时隙的作用是发送和监听业务请求，其结构如图4所示。地球站在完成全网同步以后，即正常入网，保持每帧都监听公共时隙。当某站（A站）需要与某站（B站）建立业务时，A站在公共时隙内以ALOHA方式发送通信申请，通信申请包含4个部分：B站的站点ID、A站的站点ID、A站占用的业务时隙序号和给B站预留的业务时隙序号、校验比特。由于发起业务申请等信令具有明显的随机、突发特性，因此适合采用随机争用的ALOHA方式。如果在同一个系统帧中有多个地球站同时争用公共时隙，则会发生碰撞，导致接收方无法通过校验比特，此时地球站随机延迟若干帧以后再次重发，直到通过校验即可。

图4 公共时隙结构

2.4 业务时隙

业务时隙的主要作用就是传递业务信息，其结构如图5所示。每个业务时隙都由5个部分组成，分别是状态比特、业务/信令比特、头校验比特、业务比特和CRC校验比特。

图5 业务时隙结构

状态比特（2 bit）用于标识业务时隙当前的工作状态，业务时隙共有三种状态，分别是占用、预留占用和空状态。地球站检测到状态比特为“占用”标识符时，直接跳过检测下一个时隙；当检测到状态比特为“预留占用”标识符时，除非该地球站有在公共时隙中收到业务请求，才对后续比特进行解释，否则直接跳过检测下一个时隙；当检测到状态比特为“空”标识符时，地球站可占用该时隙。由于存在一些诸如摘、挂机等随路信令需要临时占用业务时隙，因此业务/信令比特（1 bit）用以识别当前业务时隙中承载的是业务数据还是信令数据。头校验比特（3 bit）用于对状态比特、业务/信令比特进行校验，确保准确接收头信息。业务比特用来承载业务数据，为保证数据传输的正确性，在业务比特最后增加CRC校验比特（8 bit）。

3 动态调度算法

3.1 原 理

在无中心TDMA卫星通信系统中，各地球站的站型能力相似，不存在优先级，整个业务的建立分为两个阶段[8⁃13]。在预规划阶段，无论是何种类型的业务，每个地球站都至少占用1个时隙。主叫站会优先占用2个时隙，然后在公共时隙以ALOHA的方式向被叫站发起业务请求。在完成预规划后进入动态调整阶段，地球站根据业务分析生成的业务需求表调整占用的时隙数量，并及时更新业务需求表。成功占用到预期时隙后即在公共时隙向被叫终端站发起业务请求，进而建立业务通信，待业务结束后释放占用的时隙。如果占用时隙失败则在预规划阶段占用的时隙中以信令的方式向对方站点发送业务结束请求，并根据业务需求表释放因本次业务占用的时隙。地球站在成功占用到时隙后，都需要在该时隙中进行导通测试，导通测试通过后才可正式传递业务信息。

3.2 具体实现

预规划阶段：

1）地球站经过参考时隙、测距时隙完成全网同步以后加入网络，保持每帧都监听公共时隙。当地球站（记作A站）需要与地球站（记作B站）建立业务时，A站通过自发自收的方式占用2个时隙（记作时隙X和时隙Y，其中时隙X供自身发送使用，时隙Y给B站预留发送使用），如果占用成功，则立即发送通信请求；否则转入步骤10）。

2）A站在公共时隙以ALOHA方式发起通信请求，随后开始对本次需要建立的业务分析，计算生成业务需求表，并保持监听时隙Y。

3）B站在公共时隙中监听到呼叫本站点ID的业务请求，立即解析该业务请求，占用预留的时隙Y。随后立即在时隙Y中向A站发送导通测试信令（每一帧都发），之后保持监听时隙X。

4）A站保持监听时隙Y，如果在若干帧（2~3帧）的时间内没有收到导通测试信令，就在公共时隙以ALOHA方式重新发起业务请求，重发3次依然没有收到导通测试信令，则认定B站不在网，转入步骤10）；如果收到导通测试信令，A站立即在时隙X中向B站发送生成的业务需求表。

5）B站在时隙X中收到返回的业务需求表，即认为导通测试成功，建立起初步的业务连接。

动态调整阶段：

6）A站根据业务需求表的规划，动态调整占用的时隙数量。更新时隙需求表，并通过自发自收的方式占用新增时隙（包括B站需要新增的发送时隙），如果成功占用，则在公共时隙以ALOHA方式发送给B站（每个超帧计算一次需求更新，以减少对硬件复杂度的要求）；如果自发自收新时隙失败，则在时隙X中以信令的方式向对方站点发送业务结束请求，进入步骤10）。

7）B站在公共时隙收到时隙需求表后，立即解析并在时隙Y以信令的方式返回，准备好新时隙应答。

8）A站在时隙Y收到B站应答之后，在新时隙发送、接收业务数据。

9）B站根据业务类型及数据缓冲区大小，也可以动态调整时隙需求，过程同步骤6）。

10）业务结束，释放因本次业务占用的时隙。

动态调度算法的具体实现流程如图6所示。

图6 动态调度算法的业务流程图

4 实验结果与分析

在无中心TDMA卫星通信系统中，终端站数量通常不会很多，在此设定终端站个数上限为50个，所有终端站都在网，在相同的业务模型下对时隙分组法和资源动态调度算法进行模拟仿真。

设定系统帧的帧长T为100 ms，载波速率V为2 Mb/s，整个系统帧均分成50个时隙。将其中的1个时隙用作保护间隔，即每个保护间隔时长约为40μs；参考时隙、测距时隙、公共时隙各占用1个时隙；剩余的46个时隙用作业务时隙，分别记为时隙1，时隙2，…，时隙46，每个业务时隙可传输。每个业务时隙的等效速率为v==40 Kb/s；终端站的业务平均强度B服从均值为1.5的泊松分布：

业务平均速率需求Y分别服从泊松分布和固定速率分布，终端站占用时隙个数n为：；终端站发起的业务总次数为s，则第i个终端站的业务匹配度

终端站单次业务的业务匹配度；整个系统的业务匹配度为：

记录整个系统内所有站点的业务情况，计算系统的业务呼通率为：

4.1 不同地球站数目条件下业务匹配度、呼通率性能比较

业务平均速率需求Y服从均值为200 Kb/s的泊松分布，地球站个数分别为16，18，20，22，24，26，28，30，对时隙分组算法和动态调度算法进行仿真实验，实验结果如图7所示。

图7 业务匹配度和业务呼通率结果图

随着地球站个数的不断增加，系统的业务呼通率不断降低，但是系统的业务匹配度基本保持不变，采用时隙分组算法和动态调度算法的系统业务匹配度分别为78.6%和89.6%，动态调度算法有大约11%的提升。在确保系统的业务呼通率在85%以上的情况下，采用动态调度算法的系统可以比时隙分组算法多容纳2~3个地球站，增加负载上限。

4.2 业务平均速率需求服从不同固定速率分布时业务匹配度、呼通率性能比较

地球站固定为20个，业务平均速率需求Y满足固定速率分布，固定速率分布分别取值120 Kb/s，160 Kb/s，200 Kb/s，240 Kb/s，280 Kb/s，320 Kb/s，360 Kb/s，对时隙分组算法和动态调度算法进行仿真实验，实验结果如图8所示。在事先规定了无中心TDMA卫星通信系统业务速率的情况下，采用动态调度算法的系统业务匹配度能达到100%的理想峰值，采用时隙分组法的系统业务匹配度起初变化幅度较大，但是随着地球站对时隙资源的需求不断增大时，趋势逐渐平缓并最终大致稳定在79.3%，在固定速率分布下动态调度算法比时隙分组算法有大约20%的提升。随着业务平均速率需求的不断增大，系统的业务呼通率不断下降，但是采用动态调度算法的系统明显优于采用时隙分组算法，且趋势不断扩大。

图8 业务匹配度和业务呼通率结果图（一）

4.3 业务平均速率需求服从不同速率的泊松分布时业务匹配度、呼通率性能比较

地球站固定为20个，业务平均速率需求Y服从均值分别为120 Kb/s，160 Kb/s，200 Kb/s，240 Kb/s，280 Kb/s，320 Kb/s，360 Kb/s的泊松分布，对时隙分组算法和动态调度算法进行仿真实验，实验结果如图9所示。随着业务速率需求的不断增大，采用时隙分组算法和动态调度算法的系统业务匹配度分别约为76.7%和88.9%，动态调度算法提高了约12%。采用动态调度算法的系统在业务呼通率上依旧明显优于时隙分组法，且趋势逐渐增大。

图9 业务匹配度和业务呼通率结果图（二）

5 结 语

本文针对当前无中心TDMA卫星通信系统只可用于双向对称的固定速率业务的问题，提出一种资源动态调度算法。地球站通过自发自收占用时隙资源，在公共时隙发起业务请求建立业务，地球站根据业务需求表动态调整占用的时隙。通过仿真分析表明，本文方法可以有效提高无中心TDMA卫星通信系统的业务匹配度，缓解地球站“占而不用”的问题，同时可增加系统的负载容限，提升系统的业务呼通率，满足卫星通信业务动态变化的需要。