班亞明，李斌成，劉永青

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

應(yīng)急衛(wèi)通系統(tǒng)網(wǎng)管信道設(shè)計(jì)及仿真

班亞明，李斌成，劉永青

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

合理的網(wǎng)管信道體制是應(yīng)急衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效、可靠管理的必不可少的因素。針對(duì)應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)的高資源利用率、高傳輸可靠性和高傳輸時(shí)效性的需求，在綜合分析網(wǎng)管信道體制與管理信令基礎(chǔ)上，提出了一種多Aloha軟件管理方案。該方案將多Aloha技術(shù)融入網(wǎng)管軟件中，通過(guò)中心邏輯識(shí)別和載波動(dòng)態(tài)切換實(shí)現(xiàn)信息高效傳輸與資源合理利用。對(duì)改進(jìn)方案?jìng)鬏斝ЧM(jìn)行了技術(shù)分析及仿真，驗(yàn)證了多Aloha軟件改造技術(shù)的合理性和實(shí)用性。

衛(wèi)星通信；網(wǎng)管信道；TDM/Aloha；載波切換；碰撞率

0 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)[1]因其覆蓋面積廣、通信距離遠(yuǎn)、業(yè)務(wù)容量大、架設(shè)開(kāi)通快及不易受地面災(zāi)害影響等特點(diǎn)，在應(yīng)急通信領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣。但應(yīng)急衛(wèi)通系統(tǒng)逐步擴(kuò)大的站規(guī)模以及呈增加趨勢(shì)的任務(wù)頻度導(dǎo)致其對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、多衛(wèi)星頻率資源調(diào)配和業(yè)務(wù)電路運(yùn)行管理等都提出了更高的要求，因此，如何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效、可靠及易擴(kuò)展的網(wǎng)管信息傳輸通道成為應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)[1]發(fā)展的重要需求。許多文獻(xiàn)中對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究都是基于理想的通信環(huán)境[2-3]，沒(méi)有考慮到應(yīng)急通信中系統(tǒng)信道環(huán)節(jié)對(duì)衛(wèi)通網(wǎng)絡(luò)管理的影響。這主要表現(xiàn)在應(yīng)急衛(wèi)星通信中因網(wǎng)管信道架設(shè)復(fù)雜、信息傳輸可靠性低導(dǎo)致的衛(wèi)星網(wǎng)管無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信。

1 衛(wèi)通網(wǎng)管信道體制

通過(guò)分析研究國(guó)內(nèi)外衛(wèi)通網(wǎng)管系統(tǒng)可知，網(wǎng)管信道體制[4]主要有：TDM/STDMA體制、TDM/TDMA體制、TDM/ALOHA體制、TDMA體制[5]和地面IP網(wǎng)[6]。

通過(guò)分析，各網(wǎng)管信道體制特點(diǎn)如下：

① TDM/STDMA體制：出境載波為一個(gè)寬帶連續(xù)TDM廣播載波，而入境載波為多個(gè)窄帶S-TDMA載波，(且該)窄帶S-TDMA載波為遠(yuǎn)端站分時(shí)共用，每個(gè)S-TDMA載波使用站數(shù)固定。該體制在Vipersat系統(tǒng)中使用。

② TDM/TDMA體制：出境載波為一個(gè)TDM載波，入境載波是一個(gè)TDMA(時(shí)隙Aloha)載波，需要通過(guò)內(nèi)置GPS對(duì)入境信號(hào)精確定時(shí),該體制在Polarsat FlexiDAMA系統(tǒng)中使用。

③ TDM/ALOHA體制：出境載波為一個(gè)TDM載波，入境載波是一個(gè)或多個(gè)Aloha載波，通過(guò)合理設(shè)計(jì)入境載波帶寬及管理站規(guī)模實(shí)現(xiàn)信息傳輸。該體制在國(guó)內(nèi)電力管控系統(tǒng)中使用。

④ TDMA體制：系統(tǒng)各站分時(shí)共用一TDMA載波，要求對(duì)TDMA載波帶寬進(jìn)行精確計(jì)算，防止信道擁塞現(xiàn)象，該體制在國(guó)內(nèi)一FDMA系統(tǒng)中應(yīng)用。

⑤ 地面IP網(wǎng)：依托于地面IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，網(wǎng)管信息需使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，且要求各地球站具備接入地面IP網(wǎng)的能力。

應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)因其應(yīng)對(duì)突發(fā)災(zāi)害或事故的需求，故地球站站型多配置為易于移動(dòng)的車載站或便攜式終端，這就對(duì)網(wǎng)管信息傳輸高效性、設(shè)備簡(jiǎn)易性、組網(wǎng)靈活性提出了更高要求。通過(guò)綜合分析，TDM/STDMA體制的S-TDMA載波使用站數(shù)受限特性、TDM/TDMA體制的內(nèi)置GPS定時(shí)特性、TDMA體制的載波帶寬與規(guī)模關(guān)聯(lián)特性和地面IP網(wǎng)的需地面接入點(diǎn)特性均不符合應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)管建設(shè)需求，而TDM/Aloha體制網(wǎng)管信道作為獨(dú)立控制信息傳輸信道，僅需在移動(dòng)站配置一路網(wǎng)管信道[7]即可完成與網(wǎng)管中心通信，且站規(guī)模擴(kuò)大后僅需在網(wǎng)管中心增配解調(diào)設(shè)備，故可在應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性擴(kuò)展應(yīng)用研究。文獻(xiàn)[8-11]中從不同角度對(duì)TDM/Aloha體制進(jìn)行了應(yīng)用研究。

2 監(jiān)控信道應(yīng)用解析

2.1 Aloha工作原理

所有遠(yuǎn)端站在同一衛(wèi)星頻率fa上向中心站發(fā)送控制信息，每個(gè)遠(yuǎn)端站只在有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)才打開(kāi)載波發(fā)射，中心站快速同步、解調(diào)捕獲遠(yuǎn)端站發(fā)送的突發(fā)載波，從中獲取來(lái)自遠(yuǎn)端站的信令信息。

ALOHA信道工作原理[12]如圖1所示。圖1(a)為TDM載波f1和Aloha載波f2發(fā)射時(shí)空關(guān)系：中心站S0始終發(fā)射TDM載波f1；遠(yuǎn)端站S1、S2、S3在隨機(jī)時(shí)刻t1、t2、t3發(fā)射ALOHA載波，并在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后關(guān)閉Aloha載波。由于時(shí)刻t1、t2、t3的隨機(jī)特性，圖中遠(yuǎn)端站S1、S2、S3發(fā)射載波f2的持續(xù)時(shí)間可能相互重疊，即會(huì)產(chǎn)生沖突爭(zhēng)用。

圖1 Aloha網(wǎng)管信道原理圖

2.2 ALOHA信道網(wǎng)管數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)管理需求[14]進(jìn)行分析可得出，遠(yuǎn)端站入境的網(wǎng)管信息包含以下幾類(如表1所示)：① 入網(wǎng)請(qǐng)求；② 資源DAMA請(qǐng)求；③ 站狀態(tài)響應(yīng)信息；④ 設(shè)備監(jiān)控信息；⑤ 設(shè)備變化上報(bào)信息；⑥ 其他管理類上行信息。

表1 入境ALOHA信道信息分類

類型頻度特征類型入網(wǎng)請(qǐng)求隨機(jī)，相對(duì)集中管理類DAMA請(qǐng)求隨機(jī)管理類站狀態(tài)響應(yīng)均勻分布，5s/站管理類監(jiān)控響應(yīng)均勻分布，1s監(jiān)控類監(jiān)控變化上報(bào)隨機(jī)監(jiān)控類其他入境信令隨機(jī)管理類

3 監(jiān)控信道設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外應(yīng)用TDM/ALOHA體制的衛(wèi)星通信系統(tǒng)[15]均具有以下特點(diǎn)：出境載波為一個(gè)TDM載波，入境載波為一個(gè)或多個(gè)Aloha載波，每個(gè)Aloha載波對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)管信道終端，且Aloha載波頻點(diǎn)[16]在建設(shè)初期固化。

應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的遠(yuǎn)端地球站多為移動(dòng)站或便攜式平臺(tái)[17]，且在無(wú)任務(wù)時(shí)多處于關(guān)閉狀態(tài)，如使用上述TDM/Aloha體制，則遠(yuǎn)端站過(guò)多時(shí)存在多數(shù)Aloha載波資源空置或利用率不足的現(xiàn)象，在應(yīng)急衛(wèi)星通信資源緊缺的情況下反而造成了資源浪費(fèi)，故需對(duì)TDM/Aloha體制在應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的使用做軟件適應(yīng)性改造。

應(yīng)急衛(wèi)星通信多Aloha信道軟件改造主要體現(xiàn)在網(wǎng)管中心與遠(yuǎn)端站發(fā)送接口模塊。網(wǎng)管系統(tǒng)多Aloha信道改造方案如圖2所示。

圖2 應(yīng)急通信多Aloha軟件改造

中心多Aloha軟件模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

① 實(shí)時(shí)根據(jù)入網(wǎng)站數(shù)重分/釋放Aloha載波資源；② 以廣播形式下發(fā)可用Aloha載波資源。

小站多Aloha軟件模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

① 接收中心廣播，存儲(chǔ)可用Aloha載波資源狀態(tài)；② 接收小站管理信令，根據(jù)信令類型選擇Aloha載波并通知發(fā)送信道以指定載波頻點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送。

4 多ALOHA信道軟件應(yīng)用時(shí)效性分析

4.1 衛(wèi)通系統(tǒng)環(huán)境

方案設(shè)計(jì)應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)管理規(guī)模為500個(gè)應(yīng)急移動(dòng)站，單移動(dòng)站管理6個(gè)設(shè)備，單設(shè)備對(duì)應(yīng)1條入境信令，每條入境信令固定按100 B數(shù)據(jù)量計(jì)，信道速率設(shè)定為32 kbps。

4.2 管理信息時(shí)間分析

4.2.1 1路Aloha信道集中管理時(shí)間分析

ALOHA信道按照32 kbps帶寬配置，理論上信道利用率最高為0.18，為減少監(jiān)控信息對(duì)突發(fā)管理信息的影響，計(jì)算時(shí)直接設(shè)定監(jiān)控信息對(duì)ALOHA信道的占用率為0.1，忽略其他隨機(jī)突發(fā)信息對(duì)監(jiān)控信息傳輸影響[18]。

在系統(tǒng)配置1路Aloha信道時(shí)，所有站設(shè)備的監(jiān)控信息傳輸?shù)街行恼镜臅r(shí)間如下：

有效的ALOHA信道速率=32×0.1=3.2 kbps；

監(jiān)控信息總量=500站×6設(shè)備/站×1條/設(shè)備× 100 Byte/條 × 8=2 400 kB；

全部設(shè)備監(jiān)控信息傳輸時(shí)間Ta=2 400÷3.2=750 s=12.5 min。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，中心站查詢1個(gè)設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)需1 s，故輪詢3 000個(gè)設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)共需50 min。據(jù)此估計(jì)，應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)站設(shè)備管控的實(shí)時(shí)性在12.5～50 min之間。

4.2.2 2路Aloha信道集中管理時(shí)間分析

配置2路Aloha信道，即監(jiān)控信息獨(dú)立使用1路Aloha信道頻點(diǎn)入境，其他隨機(jī)突發(fā)信息通過(guò)另1路Aloha信道頻點(diǎn)入境。其他隨機(jī)突發(fā)信息相對(duì)ALOHA信道帶寬而言數(shù)據(jù)量較小，網(wǎng)管系統(tǒng)可保證實(shí)時(shí)性，故僅需對(duì)獨(dú)立監(jiān)控信道傳輸進(jìn)行分析。

獨(dú)立監(jiān)控信道的入境信息發(fā)送由網(wǎng)管中心協(xié)調(diào)，已不存在沖突?？紤]中心協(xié)調(diào)、突發(fā)效率、站間保護(hù)時(shí)間、工程經(jīng)驗(yàn)等因素，設(shè)定獨(dú)立監(jiān)控ALOHA信道效率以0.3計(jì)。

在系統(tǒng)配置2路Aloha信道時(shí)，所有站設(shè)備的監(jiān)控信息傳輸?shù)街行恼镜臅r(shí)間如下：

有效的ALOHA信道速率=32×0.3=9.6 kbps；

監(jiān)控信息總量=500站×6設(shè)備/站×1條/設(shè)備×100 Byte/條×8=2 400 kB；

全部設(shè)備監(jiān)控信息傳輸時(shí)間

Ta=2 400÷9.6=250 s=4.16 min。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，中心站查詢1個(gè)設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)需0.5 s，故輪詢3 000個(gè)設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)共需25 min。據(jù)此估計(jì)，網(wǎng)管系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)端站設(shè)備管控的實(shí)時(shí)性在4.16～25 min之間。

4.3 應(yīng)用效果分析

根據(jù)分析可得，應(yīng)急衛(wèi)通系統(tǒng)應(yīng)用多Aloha信道軟件改造技術(shù)后，監(jiān)控信息傳輸實(shí)時(shí)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)急衛(wèi)通系統(tǒng)ALOHA信道應(yīng)用實(shí)時(shí)性列表

ALOHA數(shù)量被監(jiān)控設(shè)備總量理論時(shí)間/min經(jīng)驗(yàn)時(shí)間/min1路300012．5502路30004．1625

由表2可知，應(yīng)急衛(wèi)通系統(tǒng)使用Aloha信道時(shí)，按上述設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，配置1路Aloha信道時(shí)集中監(jiān)控信息實(shí)時(shí)性為50 min，配置2路信道時(shí)集中監(jiān)控信息實(shí)時(shí)性為25 min，且理論時(shí)間均遠(yuǎn)小于經(jīng)驗(yàn)時(shí)間，由此表明多Aloha信道軟件改造方案可為應(yīng)急衛(wèi)通系統(tǒng)提供高時(shí)效性的網(wǎng)管信息傳輸通道。同時(shí)比對(duì)1路和2路Aloha信道實(shí)時(shí)性結(jié)果可以看出改造方案通過(guò)合理規(guī)劃Aloha信道數(shù)目有效提高應(yīng)急衛(wèi)通系統(tǒng)網(wǎng)管信息傳輸時(shí)效,故多Aloha信道傳輸方案能很好地滿足應(yīng)急衛(wèi)通系統(tǒng)網(wǎng)管信息傳輸高實(shí)時(shí)性需求。

5 Aloha信道應(yīng)用碰撞率仿真

5.1 仿真設(shè)計(jì)

應(yīng)急衛(wèi)星通信網(wǎng)中小站分時(shí)競(jìng)爭(zhēng)使用ALOHA入境載波，小站發(fā)出的ALOHA突發(fā)信號(hào)可能會(huì)發(fā)生碰撞，造成網(wǎng)管信令丟失。為了模擬實(shí)際應(yīng)用中多站多Aloha信道情況的碰撞率，分別設(shè)計(jì)下屬網(wǎng)管站數(shù)為128和256，Aloha信道數(shù)為1、2、3和4路，在上述場(chǎng)景下分別進(jìn)行互通率仿真[19]。應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)Aloha信道仿真環(huán)境[20]為網(wǎng)管中心和移動(dòng)站網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的星狀網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 ALOHA信道傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)級(jí)模型

5.2 128站Aloha信道隨機(jī)突發(fā)特性仿真

在Aloha信道帶寬32 kbps、網(wǎng)管信令幀長(zhǎng)200 Byte、系統(tǒng)規(guī)模128個(gè)站的前提條件下，對(duì)不同申請(qǐng)間隔下Aloha信道互通率進(jìn)行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 128站規(guī)模互通率仿真

仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)規(guī)模為128且配置1個(gè)Aloha信道時(shí)，單站每23 s申請(qǐng)一次，則Aloha信道不碰撞的概率可達(dá)90%以上；若配置2路以上的Aloha信道，單站每12 s左右申請(qǐng)1次，則Aloha信道不碰撞概率可達(dá)90%以上。

5.3 256站Aloha信道隨機(jī)突發(fā)特性仿真

在Aloha信道帶寬32 kbps、網(wǎng)管信令幀長(zhǎng)度200 Byte、系統(tǒng)規(guī)模256個(gè)站的前提條件下，對(duì)不同申請(qǐng)間隔下Aloha信道互通率進(jìn)行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 256站數(shù)目互通率仿真

仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)規(guī)模為256且配置一個(gè)Aloha信道時(shí)，單站每45 s申請(qǐng)一次，則Aloha信道不碰撞的概率可達(dá)90%以上；若配置2路以上的Aloha信道，單站每23 s左右申請(qǐng)1次，則Aloha信道不碰撞概率可達(dá)90%以上。

5.4 仿真結(jié)果分析

發(fā)送時(shí)間對(duì)互通率的影響：結(jié)合站規(guī)模為128及256時(shí)的仿真圖表可以看出，在Aloha信道數(shù)目固定的前提下，信道互通率與控制信令發(fā)送時(shí)間間隔成正比例關(guān)系，通過(guò)增大信令發(fā)送時(shí)間間隔可令信道互通率達(dá)到90%以上。

Aloha信道個(gè)數(shù)對(duì)互通率的影響：結(jié)合站規(guī)模為128及256時(shí)的仿真圖表可以看出，在設(shè)置同樣的控制信令發(fā)送時(shí)間間隔前提下，時(shí)間間隔設(shè)置越小，信道數(shù)對(duì)互通率的影響越明顯且呈正比例關(guān)系，在高時(shí)效性需求明顯的應(yīng)急通信環(huán)境，合理增加Aloha信道個(gè)數(shù)是解決信道互通率的有效手段。

由以上分析可知，通過(guò)控制信令發(fā)送時(shí)間及擴(kuò)展Aloha信道數(shù)，可實(shí)現(xiàn)信令的低碰撞率可靠傳輸，故多Aloha信道軟件改造方案可滿足應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)高可靠性網(wǎng)管信息傳輸需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)管信令傳輸是應(yīng)急衛(wèi)通網(wǎng)管系統(tǒng)高效管理的一個(gè)重要前提，本文綜合分析了當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)中網(wǎng)管信道體制，提出并設(shè)計(jì)了更適合于應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)的多Aloha信道軟件改造方案，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析及仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。信息傳輸實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)及仿真互通率結(jié)果表明，可擴(kuò)展的多Aloha信道軟件改造方案在提高衛(wèi)星資源利用率的同時(shí)可有效滿足應(yīng)急衛(wèi)通系統(tǒng)高可靠性、高實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)管理需求[9]，在其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，也值得進(jìn)行針對(duì)性的策略研究。

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Design and Simulation of Network Management Channel for Emergency Satellite Communication System

BAN Ya-ming，LI Bin-cheng，LIU Yong-qing

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Reasonable network management channel system is an essential factor for the emergency satellite system to achieve efficient and reliable management.Aiming at the high resource utilization，high transmission reliability and high transmission timeliness requirement of emergency satellite communication system，a multi-aloha software management scheme is proposed based on the comprehensive analysis of network management channel and management signaling.The scheme incorporates multi-aloha technology into network management software，and achieves efficient transmission of information and rational use of resources through the central logic identification and carrier dynamic switching.The technical analysis and simulation experiments are carried out to verfy the validity and practicability of the multi-aloha software reformation technology.

satellite communication；network channel；TDM/Aloha；carrier switching；collision rate

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.09

班亞明，李斌成，劉永青.應(yīng)急衛(wèi)通系統(tǒng)網(wǎng)管信道設(shè)計(jì)及仿真[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(3)：38-42.

[BAN Yaming，LI Bincheng，LIU Yongqing.Design and Simulation of Network Management Channel for Emergency Satellite Communication System [J].Radio Communications Technology，2017,43(3):38-42.]

2017-01-26

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

班亞明(1984—)，男，工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信與信息傳輸技術(shù)。李斌成(1974—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信與信息傳輸技術(shù)。

TN927

A

1003-3114(2017)03-38-5