劉風亮，　丁　丹

(1. 裝備學院 裝備采辦系, 北京 101416；　2. 裝備學院 光電裝備系, 北京 101416)

基于中繼衛(wèi)星SMA的用戶網(wǎng)絡接入技術

劉風亮1，丁丹2

(1. 裝備學院 裝備采辦系, 北京 101416；2. 裝備學院 光電裝備系, 北京 101416)

摘要針對中繼衛(wèi)星各類型及大量用戶的接入需求，設計了網(wǎng)絡分級管理架構和動態(tài)/靜態(tài)相結合的多碼-多頻-時分多址(MC-MF-TDMA)資源分配技術。利用網(wǎng)絡分級管理架構，低層子網(wǎng)用戶以自組織的方式通過高層骨干節(jié)點轉接入S頻段多址系統(tǒng)(SMA)波束，以增強網(wǎng)絡的擴展能力，緩解多用戶對SMA資源的過度消耗；利用動態(tài)/靜態(tài)相結合的MC-MF-TDMA資源分配技術，延長時隙長度，提高用戶數(shù)據(jù)速率的靈活性。OPNET仿真表明，網(wǎng)絡結構和資源分配策略合理可行，可為中繼衛(wèi)星實現(xiàn)對陸、海、空、天各類用戶在線管理提供技術支持。

關鍵詞中繼衛(wèi)星；S頻段多址系統(tǒng)；自組織

隨著中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的應用不斷深入，其服務對象范圍日益擴展，所需管理的用戶數(shù)量也與日俱增。傳統(tǒng)按計劃預先分配資源的管理模式將無法滿足各類型及大量用戶的接入需求。因此，本文針對我國第二代中繼星所搭載的S頻段多址(SMA)系統(tǒng)[1]的波束覆蓋特點和應用需求，研究大時空、長時延條件下的空間網(wǎng)絡接入技術，以支持多用戶的按需接入、即時接入和突發(fā)接入，從而實現(xiàn)中繼衛(wèi)星對陸、海、空、天各類用戶的在線服務和管理。

國內(nèi)外關于衛(wèi)星多用戶的網(wǎng)絡接入方法很多，如美國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)[2]采用波束之間空分多址(Space Division Multiple Access，SDMA)+波束之內(nèi)碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)的方式，技術成熟度較高卻不能克服CDMA固有的多址干擾和均衡復雜度問題。又如寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)中常用的多頻-時分多址(Multiple Frequency Time Division Multiple Access， MF-TDMA)[3]技術，采用動態(tài)資源分配方式，靈活性較強但復雜度較高，并且難以避免用戶間的碰撞和接入時延，不滿足中繼衛(wèi)星系統(tǒng)中時敏信息的實時傳輸要求。本文提出一種擴展能力較強的網(wǎng)絡分級管理架構和動態(tài)/靜態(tài)相結合的MC-MF-TDMA資源分配技術，以適應中繼衛(wèi)星系統(tǒng)需求的多樣化和時變性。

1網(wǎng)絡分級管理總體架構

基于中繼衛(wèi)星SMA的空間網(wǎng)絡總體架構由地面站、中繼衛(wèi)星和各類型用戶組成，按照中繼衛(wèi)星SMA的波束覆蓋特點，采用動/靜時隙結合的MC-MF-TDMA多址接入技術，并融入自組織的特性，形成一套網(wǎng)絡拓撲結構預規(guī)劃與自組織[4]結合、接入方式預留與競爭并存的兩級網(wǎng)絡架構，從而使得中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具有按需接入和應急調(diào)整的能力。

總體網(wǎng)絡架構如圖1所示。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)利用數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)設備產(chǎn)生多個波束。衛(wèi)星波束覆蓋方式包括獨立掃描波束和全景覆蓋波束2種，分別如圖1 a)和b)所示。獨立掃描波束的指向可實時動態(tài)調(diào)整，以切換覆蓋區(qū)域或跟蹤運動用戶；全景覆蓋波束則通過靜態(tài)波束交疊組合成全景波束，以實現(xiàn)整個地面可見區(qū)域在時間上和空間上的連續(xù)覆蓋。相比之下，全景覆蓋波束照射范圍更廣，支持的用戶數(shù)更多，具有更廣泛的應用前景，特別適合位置未知和通信時間不確定的用戶提供返向低速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(如潛艇上傳猝發(fā)信息)。然而，全景覆蓋波束卻存在運動用戶穿越波束和波束間干擾的問題。

a) 獨立掃描波束

b) 全景覆蓋波束圖1　基于中繼衛(wèi)星SMA的空間網(wǎng)絡接入總體網(wǎng)絡架構

由于不同用戶的鏈路數(shù)據(jù)速率差別較大，以傳輸語音、報文為主要任務的用戶數(shù)據(jù)速率只須達kbps級即可；而對于需要傳輸高清視頻、圖片的用戶而言，則需要具備Mbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率。因此，同一波束覆蓋范圍內(nèi)的用戶按照動/靜時隙相結合的MC-MF-TDMA方式組成子網(wǎng)，數(shù)據(jù)速率要求較高的用戶可以申請動態(tài)時隙完成高速傳輸。一個子網(wǎng)可承載的最大骨干節(jié)點數(shù)為16個。諸如導彈編隊這樣的同批次用戶可按自組織的方式形成二級子網(wǎng)，并通過骨干節(jié)點接入SMA波束。這樣既可擴展用戶容量，又可避免大量用戶對SMA鏈路資源的過度占用，同時也在一定程度上回避了星地傳輸大時延對二級子網(wǎng)成員的影響。

2關鍵技術及解決方案

2.1時變網(wǎng)絡資源分配技術

動態(tài)/靜態(tài)相結合的MC-MF-TDMA三維幀結構如圖2所示。每個波束用偽碼分出4個碼道，每個碼道的6.2 MHz帶寬分成4個1.5 MHz的子帶(子帶間留有一定的保護間隔)。幀結構中最大時間單位是復幀，最小時間單位則是時隙。1個復幀包含16幀,1幀由8個時隙組成,時隙長度為10 ms。第1個時隙負責接入控制，由4個更小粒度的微時隙拼接而成。微時隙的設置使得在多個用戶同時提出入網(wǎng)申請時，碰撞概率較低。第2個至第4個是靜態(tài)時隙，由特定用戶占用；第5個至第8個為動態(tài)時隙，當某用戶需要傳輸高速數(shù)據(jù)時，申請占用動態(tài)時隙從而獲得足夠的信道資源。系統(tǒng)內(nèi)的一些重要信息占用靜態(tài)時隙進行傳輸，保證可靠性；動態(tài)時隙供部分節(jié)點進行高速數(shù)據(jù)或重要時敏信息傳輸，可由地面站通過指令分配給感興趣的節(jié)點，也可由節(jié)點主動發(fā)起競爭，勝出者占用若干個動態(tài)時隙進行高速數(shù)據(jù)傳輸。

圖2　動態(tài)/靜態(tài)相結合的MC-MF-TDMA三維幀結構

2.2二級子網(wǎng)自組織技術

二級子網(wǎng)內(nèi)的用戶采用TDMA方式進行網(wǎng)絡自組織，每傳1個TDMA數(shù)據(jù)幀，便插入1個“網(wǎng)絡自組織幀”以進行網(wǎng)絡自組織，即每1 280 ms(960 ms +320 ms)進行一次子網(wǎng)重組，如圖3所示。

自組織的方法是所有節(jié)點輪流廣播自組織信息包(Self Organize Packet，SOP)，供網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點收聽。自組織信息包顯示本用戶ID號，以及自己掌握的網(wǎng)絡拓撲情況，包括與哪些用戶聯(lián)通、自身屬性等。

事實上，一個用戶聽到其他用戶的自組織信息包，就表明它們是相互聯(lián)通的。為保證所有用戶都能可靠地建立網(wǎng)絡拓撲信息，自組織信息包需輪流廣播2次。

由圖3可知，二級子網(wǎng)重組時延不超過1.28 s，因為自組織幀間隔即為1.28 s。二級子網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸幀也采用常規(guī)TDMA結構，不再贅述。

圖3　二級子網(wǎng)自組織信息包(SOP)結構圖

3仿真分析

采用OPNET軟件[5]，圍繞本文所設計的網(wǎng)絡總體架構和關鍵技術進行仿真，包括以下2項。

3.1反向鏈路高速數(shù)據(jù)傳輸性能

仿真目的：仿真特定用戶占用不同時隙資源條件下的返向鏈路高速數(shù)據(jù)傳輸性能，驗證動態(tài)時隙申請過程及使用效果。驗證用戶成功申請動態(tài)時隙并獲得所需的數(shù)據(jù)傳輸速率。

仿真條件：用戶占用的動態(tài)時隙數(shù)量分別為1和2。

仿真結果：如圖4～圖6所示。

圖4顯示的是申請動態(tài)時隙數(shù)為1和2時申請失敗和超時次數(shù)的統(tǒng)計對比，是OPNET統(tǒng)計平均化后的結果。判斷的指標一個是時隙申請超時次數(shù)，另一個是時隙申請失敗次數(shù)。仿真圖顯示這2項指標均為零，說明本文所設計的動態(tài)時隙申請方式是合理的。

圖4　動態(tài)時隙申請失敗超時次數(shù)

圖5　節(jié)點發(fā)送吞吐量

圖5和圖6顯示的分別是獲得1個和2個動態(tài)時隙的條件下，該用戶的數(shù)據(jù)傳輸吞吐量情況。在占用1個動態(tài)時隙的條件下，仿真結果顯示數(shù)據(jù)速率為500 kbps，根據(jù)本文組網(wǎng)機制的設計，數(shù)據(jù)速率理應為500 kbps，仿真結果與理論分析吻合；而在擁有2個動態(tài)時隙的情況下，仿真出的數(shù)據(jù)吞吐量約為1 Mbps，與理論分析也是一致的。因此可得結論：用戶在動態(tài)時隙中回傳高速數(shù)據(jù)的能力滿足實際需求。

圖6　地面站接收吞吐量

3.2二級子網(wǎng)節(jié)點接入網(wǎng)絡功能

仿真目的：驗證二級子網(wǎng)節(jié)點能夠以自組織的方式接入網(wǎng)絡。

仿真條件：采用IP流業(yè)務，速率為3 kbps。假設源節(jié)點無法直接向中繼星發(fā)送數(shù)據(jù)，因此必須按圖3所示的自組織時隙，通過骨干節(jié)點的轉發(fā)，從而接入中繼衛(wèi)星SMA。目的是對二級子網(wǎng)通過多跳方式接入骨干網(wǎng)的能力進行驗證。

仿真結果：如圖7～圖9所示。

圖7　仿真路由跳數(shù)

圖8　仿真端到端時延

圖9　節(jié)點1發(fā)送和中繼星接收節(jié)點1數(shù)據(jù)量對比

圖7顯示的是平均跳數(shù)，圖中一個點代表某一小段時間內(nèi)的平均值。從圖中能夠看出：在大多數(shù)情況下，經(jīng)過2跳，二級子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點即可接入中繼衛(wèi)星SMA；極個別情況下需要3跳。

圖8顯示的是數(shù)據(jù)包從產(chǎn)生到接收的端到端時延統(tǒng)計，時延量與圖7中平均跳數(shù)成明顯的比例關系。平均2跳時， 1.3 s左右的平均時延；平均跳數(shù)為3時，對應平均時延約2.2 s。根據(jù)圖2所示的幀結構設計，2跳對應的時間應約為一個復幀周期，即1.28 s。因此，理論分析與仿真結果是吻合的。

圖9顯示的是節(jié)點與中繼星之間數(shù)據(jù)發(fā)送與接收情況對比，可看出中繼星的數(shù)據(jù)接收量與節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送量基本一致，都在3 kbps左右。這與所設置的IP流速率相符合。

仿真結果說明，二級子網(wǎng)的自組織功能可支持節(jié)點通過多跳的方式接入中繼星，以此來擴充網(wǎng)絡容量并提高節(jié)點在盲區(qū)(SMA波束覆蓋范圍以外的區(qū)域)時的接入概率。

4結 束 語

本文通過將碼分多址、頻分多址與時分多址方式相結合，提高了資源分配的靈活性；并且設計一種多用戶分級接入的網(wǎng)絡架構，增強了網(wǎng)路的擴展能力，從而使得中繼衛(wèi)星系統(tǒng)能夠適應用戶需求的多樣化和時變性。OPNET仿真結果表明，所設計的網(wǎng)絡結構和資源分配策略功能可靠、合理可行，能夠滿足海、陸、空、天各類用戶快速動態(tài)接入和高效業(yè)務保障的需求。

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(編輯：李江濤)

Space Network Access Technology Based on TDRS SMA

LIU Fengliang1，DING Dan2

(1. Department of Equipment Acquisition, Equipment Academy, Beijing 101416, China；2. Department of Optical and Electronic Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractTo meet accessing demand on tracking and data relay satellite of different type of user terminal and a large number of users, the paper designs a layered network management architecture and a MC-MF-TDMA resource distribution technology combining dynamic and static distribution. With the layered network management architecture, the low level sub-network users accesses to SMA in Ad-hoc approach to enhance the expandability of the network and alleviate the excessive consumptions of SMA resources by multiple users; by using MC-MF-TDMA resource distribution technology combining dynamic and static distribution, the paper realizes the extension of slot time and enhances the flexibility of data rate. OPNET simulation shows, the network architecture and resource distribution strategy is reasonable and practicable, able to provide technical support for tracking and data relay satellite in realizing online management of various territorial, marine, space and aerial users.

Keywordstracking and data relay satellite (TDRS); S-band multiple access (SMA); Ad hoc

收稿日期2015-10-16

作者簡介劉風亮(1974-)，男，講師，碩士，主要研究方向為網(wǎng)絡通信技術。ddnjr@163.com

中圖分類號TN914.4

文章編號2095-3828(2016)03-0096-05

文獻標志碼A

DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.03.019