沈 玉

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有通信距離遠(yuǎn)、通信費(fèi)用與距離無關(guān)、覆蓋面積大、不受地理?xiàng)l件限制、通信頻帶寬、傳輸容量大及適用多種用戶進(jìn)行多種業(yè)務(wù)傳輸?shù)韧怀鎏攸c(diǎn)。隨著各用戶信息化建設(shè)進(jìn)程的加快，各種應(yīng)用正朝著以IP為主流平臺的網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，需要具有可以靈活組網(wǎng)和支持中高速傳輸能力的新型寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)。MF-TDMA技術(shù)體制的衛(wèi)星通信系統(tǒng)正是在此需求基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有靈活組網(wǎng)和大小站兼容等特點(diǎn)，可以結(jié)合地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)面向節(jié)點(diǎn)和用戶的綜合業(yè)務(wù)傳輸與組網(wǎng)需求，目前已成為國內(nèi)外衛(wèi)星應(yīng)用與研究的熱點(diǎn)。MF-TDMA技術(shù)體制的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方式非常靈活，存在多種組網(wǎng)應(yīng)用模式，因此需要對MF-TDMA組網(wǎng)應(yīng)用模式進(jìn)行研究，從而使MF-TDMA系統(tǒng)能夠發(fā)揮最大作用。同時MF-TDMA系統(tǒng)參數(shù)配置具有較大的靈活性，存在多種方案，需要網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃決策支持軟件提供參數(shù)配置方案，為MF-TDMA系統(tǒng)參數(shù)配置提供決策支持，才能充分發(fā)揮MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)最大效能。

1 MF-TDMA系統(tǒng)組網(wǎng)模式研究

1．1 概述

MF-TDMA也稱“多頻時分多址技術(shù)”，采用FDMA與TDMA相結(jié)合的二維多址方式，每個載波容納一個用戶群，每個用戶占用幀結(jié)構(gòu)的不同時隙設(shè)置，通過載波的跳變實(shí)現(xiàn)不同用戶群之間的業(yè)務(wù)互通，構(gòu)成多個用戶群組成的通信網(wǎng)，支持一點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸，特別是能夠支持大量中、小地球站靈活組網(wǎng)。MF-TDMA系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源的動態(tài)分配，對IP等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源利用率高。

MF-TDMA組網(wǎng)應(yīng)用時，一個主站發(fā)送TDMA參考信號并作為全網(wǎng)各站的時間參考基準(zhǔn)和一個備份主站用于主站出現(xiàn)故障時接替主站的工作。一般業(yè)務(wù)站以主站為參考，并按照主站下發(fā)的幀計劃在分配給本站的時隙內(nèi)發(fā)送突發(fā)信息，一般業(yè)務(wù)站也可配置幀計劃產(chǎn)生單元，以便于當(dāng)主站或備份主站發(fā)生不可恢復(fù)故障時，方便地將一般業(yè)務(wù)站配置為主站，從而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

MF-TDMA系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下:

①支持一點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸，具有靈活的組網(wǎng)能力;

②支持綜合業(yè)務(wù)傳輸，可與多種地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通;

③可支持小型地球站終端的使用;

④便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)廣播和數(shù)據(jù)共享;

⑤可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源的動態(tài)分配，對IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源利用率高。

1．2 MF-TDMA系統(tǒng)典型組網(wǎng)應(yīng)用模式

MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以滿足用戶對中高速靈活組網(wǎng)衛(wèi)星通信的需求，將衛(wèi)星通信的多址方式以及廣播特性與地面分組交換技術(shù)相結(jié)合，依據(jù)不同的分組標(biāo)識，識別不同業(yè)務(wù)、不同目的地從而組成星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)或混合網(wǎng)。

1．2．1 星型網(wǎng)

星型網(wǎng)用于點(diǎn)到多點(diǎn)、各點(diǎn)之間無業(yè)務(wù)通信的應(yīng)用方式，例如測繪/氣象等信息的探測與分發(fā)、視音頻廣播回傳等。支持話音/傳真、視頻和IP數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。

此種網(wǎng)絡(luò)為1個中心站和若干個遠(yuǎn)端站，構(gòu)成面向中心的信息采集網(wǎng)或通過中心站中轉(zhuǎn)的星狀通信網(wǎng)。業(yè)務(wù)可星狀單跳互通，中心站將信息通過出向傳輸信道發(fā)布出去，由各遠(yuǎn)端站接收。各遠(yuǎn)端站再將信息通過入向信道傳送到中心站。在網(wǎng)控中心組織下，任意遠(yuǎn)端站可回傳，在一個時間內(nèi)只允許一個遠(yuǎn)端站回傳。

1．2．2 網(wǎng)狀網(wǎng)

網(wǎng)狀網(wǎng)使用場合很多，用于點(diǎn)對多點(diǎn)和各點(diǎn)之間有業(yè)務(wù)聯(lián)系的應(yīng)用方式，例如數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話網(wǎng)和Internet接入等。

網(wǎng)狀組網(wǎng)應(yīng)用可分為大站組網(wǎng)應(yīng)用、小站組網(wǎng)應(yīng)用和大小站混合組網(wǎng)應(yīng)用等。大站組網(wǎng)主要是由固定站、中型以上移動站單獨(dú)或混合組成的中高速綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)。小站組網(wǎng)主要是由小型移動站組成的低速綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)。大小站混合組網(wǎng)就是固定站、中型以上移動站和小型移動站等混合組成。按照網(wǎng)內(nèi)工作的站數(shù)量、業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)量的初步估算，配置各站參數(shù)。

各站可傳輸話音、傳真、視頻和IP數(shù)據(jù)等用戶業(yè)務(wù)。各站話音、傳真和IP數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)可網(wǎng)狀單跳互通。

1．2．3 全 IP 組網(wǎng)

在星型組網(wǎng)和網(wǎng)狀組網(wǎng)應(yīng)用模式中，均可采用全I(xiàn)P組網(wǎng)方式。地球站可根據(jù)用戶的使用情況提供2種接入方式:通過路由器幀中繼協(xié)議接入和通過網(wǎng)橋與IP數(shù)據(jù)網(wǎng)的接入。

1．2．4 虛擬子網(wǎng)

虛擬子網(wǎng)應(yīng)用于網(wǎng)內(nèi)存在業(yè)務(wù)獨(dú)立的子網(wǎng)，子網(wǎng)內(nèi)有通信業(yè)務(wù)，子網(wǎng)間無通信業(yè)務(wù)的場合。這種應(yīng)用方式通過全網(wǎng)統(tǒng)一管理控制。

2 MF-TDMA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

MF-TDMA系統(tǒng)組網(wǎng)具有很大的靈活性，對于相同的通信網(wǎng)建設(shè)或任務(wù)保障要求，存在多種系統(tǒng)配置方案，但不同的方案幀效率不同和對星上資源占用也不同。MF-TDMA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃［1］是為 MFTDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)化使用提供支持，在保障任務(wù)需求和服務(wù)質(zhì)量的前提下，給出幀效率較高、轉(zhuǎn)發(fā)器資源利用率較高和地面站型配置合理的系統(tǒng)配置方案。

2．1 規(guī)劃流程

MF-TDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程實(shí)際就是載波規(guī)劃［2］的過程，主要是對站型、載波數(shù)量，載波速率和幀結(jié)構(gòu)等內(nèi)容進(jìn)行規(guī)劃，該過程相當(dāng)復(fù)雜，需要大量的計算。流程主要分為3部分，包括業(yè)務(wù)估算、載波數(shù)量和速率規(guī)劃、衛(wèi)星鏈路預(yù)算和幀結(jié)構(gòu)規(guī)劃。

2．1．1 業(yè)務(wù)估算

輸入用戶需求，包括任務(wù)區(qū)域、地球站類型和數(shù)量、地球站互通關(guān)系、業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)量等信息，進(jìn)行話音、傳真、視頻和數(shù)據(jù)等的業(yè)務(wù)估算，得出全網(wǎng)總信息速率如下(考慮 C%的MF-TDMA系統(tǒng)開銷):

(話音/傳真總信息速率+視頻總信息速率+數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)總信息速率)×(1+C%)。

2．1．2 載波數(shù)量和速率規(guī)劃

利用載波規(guī)劃程序?qū)σ粋€任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃時，首先需要明確任務(wù)中網(wǎng)內(nèi)地球站的數(shù)量、各站之間的連通性、每對存在通信聯(lián)系的站之間的業(yè)務(wù)量以及各個站的天線口徑等。程序規(guī)劃的結(jié)果包括該網(wǎng)使用的載波數(shù)量、各個載波的速率以及幀結(jié)構(gòu)。

當(dāng)未輸入地球站的天線口徑時，程序?qū)⑻炀€口徑作為一種規(guī)劃輸出。程序在接收到輸入后，首先判斷子網(wǎng)中各站的天線口徑是否都已確定，以確保在以后進(jìn)行載波分配和時隙劃分的運(yùn)算中，每個站都至少有一個明確的天線口徑，并且程序?qū)⒈闅v所有可能的站型組合，將每種組合都進(jìn)行載波分配和時隙劃分運(yùn)行，得出所有可能的結(jié)果。

在確定了地球站的天線口徑后，還要判斷這些天線口徑之間是否存在很大差異。當(dāng)天線口徑差異不大時，則選定一個衛(wèi)星增益檔和編碼方式的組合，以主站接收的業(yè)務(wù)量和全網(wǎng)廣播業(yè)務(wù)量作為載波速率，在其他站之間做鏈路預(yù)算。當(dāng)鏈路預(yù)算滿足要求時，只使用主載波;否則，需同時采用主載波和副主載波。在具體確定載波數(shù)和地球站的值守載波之前，需先將地球站按天線口徑分組，并在分組內(nèi)以地球站接收業(yè)務(wù)量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行降序排序。為了方便進(jìn)行功率控制，程序會盡量使口徑相同的地球站值守在同一載波上。

確定地球站值守載波的運(yùn)算方式如下:

①將所有天線口徑相同的地球站值守在同一載波上，載波速率是該載波上的所有接收業(yè)務(wù)量之和;

②根據(jù)載波速率在同一載波地球站上進(jìn)行鏈路預(yù)算;

③如果鏈路預(yù)算都符合要求，則該口徑的地球站就值守在同一載波上;否則就將進(jìn)行載波分裂，也就是使用2條載波，每條載波上只有先前一半數(shù)量的地球站，并且值守站接收業(yè)務(wù)量的總和盡量相近;

④然后各條載波重復(fù)以上的過程直到所有站都符合鏈路預(yù)算的要求。

以上過程完成后，雖然對各個地球站都分配了載波，但是還可能存在載波數(shù)量超過最大可用載波數(shù)的情況。如果出現(xiàn)了這種情況，就要進(jìn)行載波合并，合并的原則是選取口徑相似的地球站，使其值守在同一載波上，這樣可以在某些情況下，滿足鏈路預(yù)算要求并減少載波數(shù)量。在載波合并后，如果載波數(shù)仍不滿足要求，就需要使用新的增益檔和編碼方式重新進(jìn)行計算。如果載波數(shù)滿足了要求，則根據(jù)幀長度和幀效率［3］與基本數(shù)據(jù)時隙長度和基本數(shù)據(jù)時隙個數(shù)的制約關(guān)系確定組幀方案。如果成功找到了合適的組幀方案，那么一種合適的載波規(guī)劃方案就產(chǎn)生了。為了找出最優(yōu)的規(guī)劃方案，程序需要遍歷所有可能的編碼方式與衛(wèi)星增益檔的組合，找出所有可能的方案。

另外，如果網(wǎng)絡(luò)中地球站數(shù)量很少但是站型不一致，可以將所有地球站放在一個載波上，以減少使用的載波數(shù)從而節(jié)省衛(wèi)星頻帶資源。

2．1．3 幀結(jié)構(gòu)規(guī)劃

幀結(jié)構(gòu)規(guī)劃的過程如下:

①根據(jù)地球站數(shù)量確定基本幀數(shù)量;

②確定主載波或副主載波的基本數(shù)據(jù)時隙數(shù)量，計算基本數(shù)據(jù)時隙長度和容量，確定主載波幀結(jié)構(gòu);

③根據(jù)業(yè)務(wù)載波和主載波的速率，確定每個業(yè)務(wù)載波的基本數(shù)據(jù)時隙數(shù)量，計算各個業(yè)務(wù)載波的基本數(shù)據(jù)時隙長度和容量。

在確定了主載波和業(yè)務(wù)載波的幀結(jié)構(gòu)后，進(jìn)行幀效率計算，看是否滿足幀效率和業(yè)務(wù)量。不滿足時，可根據(jù)業(yè)務(wù)量差值微調(diào)載波速率，并進(jìn)行鏈路預(yù)算。

2．1．4 衛(wèi)星鏈路預(yù)算

鏈路預(yù)算是MF-TDMA網(wǎng)規(guī)劃很重要的步驟，結(jié)合氣象信息，使用給定的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)，進(jìn)行鏈路預(yù)算，結(jié)果應(yīng)滿足鏈路可用度要求，且功率帶寬占用基本平衡。

衛(wèi)星鏈路計算公式包括［4］:

(1)上行載噪比(C/T)u 單位dBW/K

式中:EIRPe為地球站有效全向輻射功率(dBW);Lu為上行線路總損耗(dB);(G/T)s為衛(wèi)星接收系統(tǒng)品質(zhì)因素(dB/K);Ws為衛(wèi)星飽和通量密度(dBW/m2);BOi為衛(wèi)星輸入補(bǔ)償(dB);為接收天線單位有效面積的增益(dB)。

(2)下行載噪比(C/T)d 單位dB/K

式中:EIRPs為衛(wèi)星有效輻射功率(dBW);BOo為衛(wèi)星輸出補(bǔ)償(dB);Ld為下行鏈路總損耗(dB);(G/Te為接收站的品質(zhì)因數(shù)(dB/K)。

(3)交調(diào)載噪比:(C/T)IM及其他干擾

通常用實(shí)驗(yàn)或計算機(jī)模擬的方法［5］來求得載波功率與互調(diào)噪聲平均功率譜密度之比［C/N0］IM，并用等效噪聲溫度折算處理(雖然它實(shí)際并不是白噪聲)，即［C/T］IM=［C/N0］IM－228.6。此外通常給出的數(shù)據(jù)是對應(yīng)衛(wèi)星單載波飽和的，因而對應(yīng)于實(shí)際工作點(diǎn)，載波總功率與互調(diào)噪聲等效噪聲溫度之比為:

式中，［CS/T］IM是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和輸出功率與實(shí)際工作點(diǎn)上落入所關(guān)心頻帶內(nèi)的互調(diào)噪聲等效噪聲溫度之比的分貝數(shù)，它本身是隨輸入補(bǔ)償加大而較快地增加的。

除交調(diào)外，其他干擾還有鄰道干擾、鄰星干擾、共信道干擾和交叉極化干擾等，一般說來這些干擾噪聲的頻譜也不是平坦的，但在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上可把它們等效成熱噪聲處理。使用計算中，可參考衛(wèi)星制造公司給出的有關(guān)干擾影響的數(shù)據(jù)資料。在信道設(shè)計時應(yīng)留有相應(yīng)余量。

(4)總載噪比［C/T］t

(5)門限載噪比［C/T］th

式中:Eb/N0為每碼元能量與噪聲功率密度比(dB);IR為信息數(shù)據(jù)率(包括TDMA開銷);M為系統(tǒng)余量;K為玻爾茲曼常數(shù)，K=－22.8 dBW/K·Hz。

3 MF-TDMA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案仿真評估

評估［6］是決策學(xué)的一個重要分支。評估(或評價)是管理過程中的一個重要活動和節(jié)點(diǎn)，是為決策服務(wù)的。輸入是對象和目的，輸出是結(jié)論和建議，提供決策者決策，同時作為開展后續(xù)工作進(jìn)行方案“權(quán)衡優(yōu)化”的輸入之一。評估是決策的前提。評估的核心是“度量”的過程，決策的核心行為是“選擇”的過程。沒有評估，就無法決策。

通過對載波規(guī)劃程序規(guī)劃［7］出的系統(tǒng)配置方案進(jìn)行仿真評估，從而驗(yàn)證方案的可行性，找出系統(tǒng)的不足之處并提出改進(jìn)意見。首先，進(jìn)行仿真場景的設(shè)計［8］;然后對仿真場景加載不同的業(yè)務(wù)量，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)Qos性能的統(tǒng)計和分析;對比仿真結(jié)果和理論設(shè)計，分析網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的合理性及是否滿足用戶的應(yīng)用需求，以使系統(tǒng)獲得最合理的網(wǎng)絡(luò)資源配置和較高的資源利用率。

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃決策支持軟件的實(shí)現(xiàn)

4．1 開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng):WindowsXP Professional sp2;語言:JAVA;IDE:Eclipse3.4.2或其他Java集成開發(fā)環(huán)境及JDK1.6;數(shù)據(jù)庫管理軟件:Oracle9i;

中間件:Tao5.6.9;

軟件形式:Eclipse RCP插件;

其他第三方插件或者工具能夠與上述開發(fā)環(huán)境兼容。

4．2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

①預(yù)規(guī)劃［9］:預(yù)規(guī)劃主要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)量的估算;

②輸入預(yù)規(guī)劃信息后，點(diǎn)擊［確定］按鈕，生成預(yù)規(guī)劃輸出視圖;

③TDMA網(wǎng)絡(luò)載波規(guī)劃:選擇TDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃視圖中的［載波規(guī)劃輸入］菜單項(xiàng)。點(diǎn)擊［載波規(guī)劃］按鈕，進(jìn)行載波規(guī)劃運(yùn)算并輸出;

④TDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃評估:在TDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃視圖中選擇［規(guī)劃評估輸入］菜單項(xiàng)，選擇要進(jìn)行評估的方案，然后點(diǎn)擊［規(guī)劃評估］按鈕。由規(guī)劃評估結(jié)果可以看出總體評估結(jié)果分?jǐn)?shù)最高的方案，即為最佳方案。

5 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代通信信息化建設(shè)進(jìn)程的加快，以IP為主流平臺的網(wǎng)絡(luò)化飛速發(fā)展，各種應(yīng)用對中高速靈活組網(wǎng)衛(wèi)星通信的需求越來越迫切。目前，MF-TDMA網(wǎng)是唯一支持中高速綜合業(yè)務(wù)組網(wǎng)，也支持小系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)體系。該網(wǎng)系可方便、靈活地接入IP、FR和ATM等業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)抗毀性和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)能力強(qiáng)，可充分滿足各種應(yīng)用對綜合業(yè)務(wù)傳輸與組網(wǎng)的需求。

MF-TDMA技術(shù)體制的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方式非常靈活，存在多種組網(wǎng)應(yīng)用模式，要想使MF-TDMA系統(tǒng)能夠發(fā)揮最大作用，就要充分考慮在不同情況下的MF-TDMA組網(wǎng)應(yīng)用模式，對其進(jìn)行深入研究。同時MF-TDMA系統(tǒng)參數(shù)配置也具有較大的靈活性，對于相同的通信網(wǎng)建設(shè)或任務(wù)保障要求，存在多種方案，但不同的方案幀效率不同，對星上資源占用也不同，因此需要研究決策支持技術(shù)并進(jìn)行MF-TDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。MF-TDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃就是要在保障任務(wù)需求和服務(wù)質(zhì)量的前提下，給出幀效率較高、轉(zhuǎn)發(fā)器資源利用率較高和地面站型配置合理的系統(tǒng)配置方案。針對此需求，開發(fā)出相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件，為系統(tǒng)提供多種參數(shù)配置方案，充分發(fā)揮MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)最大效能。

［1］ 李志猛，徐培德．基于SEA的效能評價系統(tǒng)設(shè)計［J］．計算機(jī)仿真，2004，2(21)：138 －140．

［2］ 李建軍，徐培德，羅雪山．基于WEB的衛(wèi)星工程項(xiàng)目綜合管理決策支持系統(tǒng)的研究［J］．計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004，9(21)：24 －26．

［3］ 肖慧鑫，王靜濱，崔首東，等．AHP-Fuzzy法評估C4 ISR系統(tǒng)作戰(zhàn)效能中的應(yīng)用［J］．火力與指揮控制，2006，12(31)：105 －111．

［4］ STEVEN M K．統(tǒng)計信號處理基礎(chǔ)：檢測與估計理論［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2003．

［5］ 姚俊，馬松輝．Simulnk建模與仿真．西安：西安電子科技大學(xué)，2002．

［6］ 張嶸，甘精偉，尹航．多傳感器信息融合系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估研究［J］．無線電工程，2008，3(38)：31 －33．

［7］ 韓衛(wèi)占．基于FAHP的機(jī)動通信網(wǎng)管理系統(tǒng)效能評估研究［J］．無線電通信技術(shù)，2004，1(30)：49 －52．

［8］ LAW A，KELTON W．Simulation Modeling and Analysis(Third Edition)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2000．

［9］ LIU Yi-song．COLE T，SKELLERN D，et al．Modeling and Analysis of QPSK/TDMA Burst Mode Link Analyzer by Computer Simulation［J］．IEEE Transcations on Communications，1998，2：27 －39．