一種MF-TDMA衛星通信混合拓撲網絡分析

郝學坤

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

MF-TDMA衛星通信體制具有組網靈活、信道資源顆粒度小且分配靈活等優點，支持面向用戶和節點的話音、數據及視頻等綜合業務傳輸，能夠基于各類業務組建星狀、網狀虛擬網絡或多個重疊虛擬網，已成為網絡化衛星通信發展的主流。但隨著網絡規模的增大和各種能力地球站種類的增多，單一物理網狀或物理星狀網絡拓撲結構難以適應各種復雜多樣化應用需求。由多個獨立的星狀網絡和網狀網絡構成的聯合衛星通信系統在網絡管理、資源調配、組織應用及業務服務質量等多個方面處理復雜，系統運行管理難度大。提出并設計了一種基于MFTDMA體制的一體化星狀、網狀混合拓撲結構的網絡，結合設計的幀結構，分析了同步控制、載波與時隙配置以及信道資源管理等關鍵技術，并給出了相應解決方法。

1 混合網絡拓撲結構

星狀、網狀混合網絡拓撲結構如圖1所示，由多個星狀和一個網狀構成。

圖1 星型網狀混合網絡拓撲結構示意

網狀網中的任意節點可兼作另一星狀網絡的中心，星狀網中的小站可以通過該中心與網狀網中的節點實現業務互通，也可以通過網狀網與另一星狀網中的小站業務互通。在星狀、網狀混合拓撲網絡中，僅配置一個管理控制中心，負責對網絡和所有站的管理和控制。整個衛星網絡可以看作由網狀節點組成的核心網和星狀網組成的接入網共同構成的一個一體化系統。

該種混合網絡拓撲結構特別適用于由多類能力差異較大的地球站構成的衛星通信系統中，如2.4 m站、1.8 m站、1.2 m站、0.5 m站和0.3 m站等系統中將2.4 m站、1.8 m站和1.2 m站構成網狀網，0.5 m站、0.3 m站和網狀網中的2.4 m站或1.8 m站構成一個或多個星狀網。

2 MF-TDMA混合網關鍵技術

2.1 幀結構設計

MF-TDMA混合拓撲網絡的多載波幀結構設計如圖2所示，所有載波分為網狀網載波和星狀網載波。星狀網小站僅使用星狀網載波發送突發信號，網狀節點站僅在網狀網載波發送突發信號。主站和作為星狀網中心的網狀網節點站在接收分配的網狀載波的同時，可根據需要接收一個或多個星狀網載波。星狀網小站根據載波規劃接收其中的一個網狀網載波。網狀網節點站終端需要配置2個解調器，而星狀網小站僅需配置一個解調器。

圖2 幀結構及載波配置示意

將網狀網載波中的一個設置為主載波，主載波上劃分時隙類型包括參考時隙、申請時隙和數據時隙，其他載波上時隙為數據時隙。所有地球站都要接收主站在參考時隙內發送的參考突發信號，用于全網統一定時、信道資源分配和網絡管理等。網狀網節點站在主載波的申請時隙內發送申請突發，用于信道資源申請及狀態上報等。星狀網載波時隙包括申請時隙和數據時隙。

2.2 同步控制技術

同步控制包括定時控制、頻率和功率控制等。在MF-TDMA混合拓撲衛星通信網絡中，根據圖1設計的的幀結構，全網各站都接收參考突發信號，因此同步控制可以此為基礎采用集中和分布控制相結合的方式進行。由全網主站和各星狀網中心站構成聯合控制中心，共同實施對各類地球站的同步控制。全網主站提供統一的時間、頻率和功率基準，并為各網狀節點站提供主站輔助的閉環同步控制。兼作星狀網中心的網狀節點站為所轄星狀網小站提供中心輔助的閉環同步控制。主站或各中心輔助的閉環同步控制方法和流程與傳統MF-TDMA衛星通信系統相同。

2.3 信道資源管理技術

混合拓撲網絡中信道資源根據載波類型可以分為星狀網反向信道資源、網狀雙向與星狀前向共享的信道資源2部分。按照站間通信的類型不同，可分為星狀網小站與網狀網節點站互通、星狀網小站與另一個星狀網小站互通以及網狀網站間互通等3類。

星狀網小站與網狀網節點站互通時，星狀網小站首先利用星狀網載波將業務信息發送到既是該星狀網中心又是網狀節點的地球站，然后該站將信息通過網狀網載波發送到目的網狀節點站;網狀網節點站發送而星狀網小站接收時，直接在星狀網小站接收的網狀網載波上發送突發信號即可。星狀網小站與另一星狀網小站互通時，星狀網小站首先通過星狀網載波將信息發送到該星狀網中心站，然后由該星狀網中心站將信息發送到另一星狀網小站接收的網狀網載波上實現業務互通。網狀網節點站間互通方法與傳統MF-TDMA系統相同。

從地球站間各種互通分類可以看出，星狀網小站申請信道資源時涉及星狀網載波和網狀網載波。首先星狀網小站根據業務情況申請相應的星狀網載波時隙信道資源，然后由該星狀網中心站根據該小站的業務互通情況再申請相應的網狀網載波時隙信道資源。由此可以看出，星狀網小站與其他站通信時涉及2次信道申請過程，任意一次失敗都將建鏈不成功。

根據上述各站使用信道資源的特點，設計的混合拓撲網絡中信道資源分配采用集中控制和分布式控制相結合的分配方法。信道資源分配單元由一個網狀網載波分配單元和多個星狀網載波分配單元構成。網狀網載波分配單元配置在主站，實行集中控制方式;星狀網載波分配單元配置在各星狀網業務中心站，實現對所轄載波的分配。

星狀網小站的信道申請和分配過程示意如圖3所示。星狀網小站向星狀網中心站申請星狀網載波的時隙信道資源，中心站查看是否有足夠空閑信道，若沒有信道則直接拒絕，若有信道則在查看業務流向后向全網主站申請對端站所處網狀網載波的時隙信道資源。全網主站為其分配信道后，星狀網中心站再為星狀網小站分配時隙信道。由此看出，分配過程由星狀網中心和全網主站共同完成，建鏈時間約4跳衛星延時。網狀網節點站間互通時，信道申請過程與傳統MF-TDMA系統相同，建鏈時間約2跳衛星延時。

圖3 星狀網小站信道申請和分配過程示意

3 結束語

星狀、網狀一體的混合拓撲衛星網相對于由多個獨立系統聯合構成的網絡，在組織管理、信道資源的有效利用、業務服務質量保證等諸多方面有優勢。該文設計了一個基于MF-TDMA體制的混合網，給出了幀結構、載波配置與使用方法。特別適用于由多種能力站型構成的較大規模衛星通信系統，可以在一個網內構建核心網和接入網，在充分發揮各站收發能力和保證業務服務質量基礎上大大簡化各地球站內設備配置和管理。

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