MF—TDMA衛星通信系統數據廣播技術研究

陳杰+谷世紅

摘 要 在使用透明轉發器的MF-TDMA（多頻時分多址）衛星通信系統內，利用頻率跳變收發、變速率調制解調技術結合信道資源分時按需分配機制，可實現點對點業務對全部載波資源的高效利用，極大的擴展了系統容量。但多載波組網的特點也使廣播業務所占用的信道資源成倍增加。通過對透明轉發的MF-TDMA體制特點和常見廣播實現方式的研究，提出了一種基于多解調器分路解調的解決方案，有效解決了多載波擴容和廣播業務實現間的矛盾。

關鍵詞 MF-TDMA；廣播；信道資源

中圖分類號：TN927 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0027-02

1 MF-TDMA衛星通信系統簡介

MF-TDMA衛星通信系統是在傳統單載波TDMA系統的基礎上引入了頻率跳變發送和接收、變速率調制解調技術，從而可以利用一套調制解調設備，使得各地面站可以分時在多個載波進行收發。如圖1所示，除了參考時隙所有站均跳到載波1的頻點速率接收參考外，其他時刻，各站的解調器職守在某一條載波上，發往某站的數據將在分配的時隙內跳到該站的職守載波進行發送，也就“發跳收不跳”。通過有針對性的將業務站分配到不同載波職守，可將業務數據分攤到多個載波發送。并結合TDMA按需分配機制，將各站對信道資源的共享擴展到多條載波上。圖1MF-TDMA系統中，AB站和CD間業務分散到了載波2和載波3上，同時，對業務量不大的E站，則職守在一條較低速率載波，以減少帶寬使用。

圖1 MF-TDMA系統幀結構示意

MF-TDMA系統提高了系統應用的靈活性，實現了TDMA系統的擴容，但也帶來了一些問題。由于各站對所有載波的共享是基于跳頻發送實現的，因此在一個站無法在同一時隙內在多個載波下發送。如圖1所示，B站在第n時隙被分配向E站所在的1載波發送數據，那么該時隙B站將能再向2、3載波的n時隙發送數據。這種原則被稱為MF-TDMA資源分配過程中的“載波間時隙分配躲避原則”。由于這條基本原則的存在，在MF-TDMA系統中，為了達到廣播的目的，廣播站往往需要重復占用多個載波的信道資源，大大降低了系統傳輸效率，這對于有著大量多點廣播業務的衛星通信網絡，例如IP通信網、視頻會議網絡等產生了很大影響，限制了系統應用。因此，有必要對MF-TDMA衛星通信系統數據廣播技術進行研究，解決廣播在多載波應用上的效率問題。

2 MF-TDMA系統三種數據廣播方式

目前MF-TDMA系統實現廣播的方式主要有三種：多頻復制分發、定時跳頻收發和星狀組網廣播。這三種方式各自適應于MF-TDMA系統某種應用環境，也各有優缺點。

1）多頻復制分發。多頻復制分發的廣播方式，是通過在多個載波同時申請廣播時隙，廣播發送站可以在不同載波的不同時隙位置復制發送同一突發數據，使各載波的職守站在一個幀周期內均能獲取同樣的數據，達到廣播的效果。但是，這種方式在各站間傳輸時延抖動較大，只適合于非實時性質業務發送；且由于發送站調制器需要發送多份數據，實際單站的最大廣播發送速率為單條載波信息速率/載波數，在載波數較多時，大大限制了該種應用方式的應用。

2）定時跳頻分發。定時跳頻分發廣播方式是利用頻率跳變發送和接收技術，將廣播時隙分配在一個固定載波上，在廣播時隙到來時，廣播發送站跳到該載波頻點進行發送，同時，各接收站解調器也跳到該頻點進行接收，實現“一發多收”的廣播。這種廣播方式最大的好處在于大大提升了單站的廣播能力，避免了因多次發送同一份數據而造成的發送能力的浪費。同時，由于廣播數據在同一時刻收發，各站間的時延抖動較小，比較適合于實時業務的傳輸。但這種廣播發送方式由于各接收站均要同時跳收，因此需要將同一時隙的多個載波資源同時分配給廣播使用，接收廣播時，點對點數據無法接收，系統總的載波資源的占用并沒有減少。

3）星狀組網廣播。采用星狀組網廣播的方式，其幀結構如圖2所示。星狀組網廣播主要應用于中心站廣播分發、遠端站向中心回傳的星狀應用環境。處于中心地位的廣播站單獨使用一條前向載波發送數據（如圖2所示載波1），其所有發送數據均為廣播，所有遠端站通收；其他遠端小站使用其他TDMA載波（如圖2所示載波2）向中心站進行回傳。通過單獨配置多個解調器或采用多載波并行解調技術，中心站可以同時接收多條返向載波的數據；同時，通過提高中心站發送能力，可令前向載波使用較高速率，實現高速的廣播分發；甚至，通過中心站的轉發，遠端小站還可以實現遠端站間互通或經由中心轉發的二次廣播分發。

星狀組網廣播由于廣播占用單獨的前向載波實現，無須考慮MF-TDMA系統中時隙躲避的問題，因此，具有最高效的信道使用效率。但是，這種組網方式并不適用于多點廣播需求，因為遠端站發送廣播數據時需要同時占用返向和前向載波，用于數據發往中心站和中心站前向轉發，資源開銷大；且傳輸有兩次上星過程，傳輸時延翻倍。因此星狀組網廣播方式僅適應于單中心廣播的應用環境。

圖2 三種廣播方式幀結構示意圖

3 廣播載波應用方式的實現

廣播載波應用方式的其核心思想是利用MF-TDMA體制中多載波的優勢，增加一條專門的廣播載波用于廣播發送，并在地面終端上增加一路解調器，專門用于接收該載波廣播數據。如圖3所示，為具備雙路解調的地面終端設備組成帶廣播載波的MF-TDMA系統的幀結構。

圖3 廣播載波廣播方式幀結構示意

廣播發送端數據發送過程中，地面終端需根據業務數據的目的地址，區分出該數據是否為廣播數據。如果為廣播數據，則在廣播載波上申請時隙資源完成發送；反之，則根據目的站的職守載波申請對應載波的時隙資源完成發送。接收站兩個解調器分別解調一般業務載波和廣播載波兩路載波信號，并在基帶數據出口合路，同時接收。通過以上方法，達到了以下目的。

1）將廣播統一發送到廣播載波，相當于恢復了單載波系統的天然廣播特性，大大節省了信道資源。

2）實現了廣播數據的一發多收，各站可以實現廣播數據的同時接收，業務實時性能得到較好保障。

3）點對點和廣播數據分路解調，使得廣播數據接收和點對點業務接收可以同時進行。

4 應用實例

下面以一個應用實例來對比以上幾種廣播方式在實現過程中，在資源占用和實時性方面的情況。某MF-TDMA衛星通信系統由3個地面站構成，可用系統資源為2-3條4Mbps載波，廣播業務量為1 Mbps，如果各站均有可能廣播。那么，分別采用四種廣播方式廣播業務占用資源對比情況如下。

5 總結

從以上分析可以看出，三種傳統的MF-TDMA系統廣播方式都具有各自的缺陷和局限性，對實現廣播業務靈活的應用產生了較大限制。通過在地面終端中增加解調器，引入廣播載波的廣播方式，則能夠較好的解決傳統廣播方式固有的問題，大大減小了MF-TDMA衛星通信系統中廣播業務占用的信道資源，并使之能與對點對點業務共存，具有高效、簡潔、實時性好的特點。

參考文獻

[1]郝學坤，孫晨華，李文鐸，MF-TDMA衛星通信系統技術體制研究[J].無線電通信技術，2006，32（5）.

[2]張雪，倪貴強，金鳳林.MF-TDMA信道分配研究[J].計算機與數字工程，2010，38（11）.

[3]CELANDRONI N，FERRO E，JAMES N，FODA/IBEATDMA：a flexible fade countermeasure system in user oriented networks[J].Journal of Satellite Communications，1992（06）：309-323.

[4]郝學坤.MF-TDMA衛星通信多站型組網體制研究[J].無線電通信技術，2012，38（1）.

作者簡介

陳杰（1982-），男，重慶人，工程師，研究生，研究方向：衛星通信技術、計算機網絡技術。endprint

摘 要 在使用透明轉發器的MF-TDMA（多頻時分多址）衛星通信系統內，利用頻率跳變收發、變速率調制解調技術結合信道資源分時按需分配機制，可實現點對點業務對全部載波資源的高效利用，極大的擴展了系統容量。但多載波組網的特點也使廣播業務所占用的信道資源成倍增加。通過對透明轉發的MF-TDMA體制特點和常見廣播實現方式的研究，提出了一種基于多解調器分路解調的解決方案，有效解決了多載波擴容和廣播業務實現間的矛盾。

關鍵詞 MF-TDMA；廣播；信道資源

中圖分類號：TN927 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0027-02

1 MF-TDMA衛星通信系統簡介

MF-TDMA衛星通信系統是在傳統單載波TDMA系統的基礎上引入了頻率跳變發送和接收、變速率調制解調技術，從而可以利用一套調制解調設備，使得各地面站可以分時在多個載波進行收發。如圖1所示，除了參考時隙所有站均跳到載波1的頻點速率接收參考外，其他時刻，各站的解調器職守在某一條載波上，發往某站的數據將在分配的時隙內跳到該站的職守載波進行發送，也就“發跳收不跳”。通過有針對性的將業務站分配到不同載波職守，可將業務數據分攤到多個載波發送。并結合TDMA按需分配機制，將各站對信道資源的共享擴展到多條載波上。圖1MF-TDMA系統中，AB站和CD間業務分散到了載波2和載波3上，同時，對業務量不大的E站，則職守在一條較低速率載波，以減少帶寬使用。

圖1 MF-TDMA系統幀結構示意

MF-TDMA系統提高了系統應用的靈活性，實現了TDMA系統的擴容，但也帶來了一些問題。由于各站對所有載波的共享是基于跳頻發送實現的，因此在一個站無法在同一時隙內在多個載波下發送。如圖1所示，B站在第n時隙被分配向E站所在的1載波發送數據，那么該時隙B站將能再向2、3載波的n時隙發送數據。這種原則被稱為MF-TDMA資源分配過程中的“載波間時隙分配躲避原則”。由于這條基本原則的存在，在MF-TDMA系統中，為了達到廣播的目的，廣播站往往需要重復占用多個載波的信道資源，大大降低了系統傳輸效率，這對于有著大量多點廣播業務的衛星通信網絡，例如IP通信網、視頻會議網絡等產生了很大影響，限制了系統應用。因此，有必要對MF-TDMA衛星通信系統數據廣播技術進行研究，解決廣播在多載波應用上的效率問題。

2 MF-TDMA系統三種數據廣播方式

目前MF-TDMA系統實現廣播的方式主要有三種：多頻復制分發、定時跳頻收發和星狀組網廣播。這三種方式各自適應于MF-TDMA系統某種應用環境，也各有優缺點。

1）多頻復制分發。多頻復制分發的廣播方式，是通過在多個載波同時申請廣播時隙，廣播發送站可以在不同載波的不同時隙位置復制發送同一突發數據，使各載波的職守站在一個幀周期內均能獲取同樣的數據，達到廣播的效果。但是，這種方式在各站間傳輸時延抖動較大，只適合于非實時性質業務發送；且由于發送站調制器需要發送多份數據，實際單站的最大廣播發送速率為單條載波信息速率/載波數，在載波數較多時，大大限制了該種應用方式的應用。

2）定時跳頻分發。定時跳頻分發廣播方式是利用頻率跳變發送和接收技術，將廣播時隙分配在一個固定載波上，在廣播時隙到來時，廣播發送站跳到該載波頻點進行發送，同時，各接收站解調器也跳到該頻點進行接收，實現“一發多收”的廣播。這種廣播方式最大的好處在于大大提升了單站的廣播能力，避免了因多次發送同一份數據而造成的發送能力的浪費。同時，由于廣播數據在同一時刻收發，各站間的時延抖動較小，比較適合于實時業務的傳輸。但這種廣播發送方式由于各接收站均要同時跳收，因此需要將同一時隙的多個載波資源同時分配給廣播使用，接收廣播時，點對點數據無法接收，系統總的載波資源的占用并沒有減少。

3）星狀組網廣播。采用星狀組網廣播的方式，其幀結構如圖2所示。星狀組網廣播主要應用于中心站廣播分發、遠端站向中心回傳的星狀應用環境。處于中心地位的廣播站單獨使用一條前向載波發送數據（如圖2所示載波1），其所有發送數據均為廣播，所有遠端站通收；其他遠端小站使用其他TDMA載波（如圖2所示載波2）向中心站進行回傳。通過單獨配置多個解調器或采用多載波并行解調技術，中心站可以同時接收多條返向載波的數據；同時，通過提高中心站發送能力，可令前向載波使用較高速率，實現高速的廣播分發；甚至，通過中心站的轉發，遠端小站還可以實現遠端站間互通或經由中心轉發的二次廣播分發。

星狀組網廣播由于廣播占用單獨的前向載波實現，無須考慮MF-TDMA系統中時隙躲避的問題，因此，具有最高效的信道使用效率。但是，這種組網方式并不適用于多點廣播需求，因為遠端站發送廣播數據時需要同時占用返向和前向載波，用于數據發往中心站和中心站前向轉發，資源開銷大；且傳輸有兩次上星過程，傳輸時延翻倍。因此星狀組網廣播方式僅適應于單中心廣播的應用環境。

圖2 三種廣播方式幀結構示意圖

3 廣播載波應用方式的實現

廣播載波應用方式的其核心思想是利用MF-TDMA體制中多載波的優勢，增加一條專門的廣播載波用于廣播發送，并在地面終端上增加一路解調器，專門用于接收該載波廣播數據。如圖3所示，為具備雙路解調的地面終端設備組成帶廣播載波的MF-TDMA系統的幀結構。

圖3 廣播載波廣播方式幀結構示意

廣播發送端數據發送過程中，地面終端需根據業務數據的目的地址，區分出該數據是否為廣播數據。如果為廣播數據，則在廣播載波上申請時隙資源完成發送；反之，則根據目的站的職守載波申請對應載波的時隙資源完成發送。接收站兩個解調器分別解調一般業務載波和廣播載波兩路載波信號，并在基帶數據出口合路，同時接收。通過以上方法，達到了以下目的。

1）將廣播統一發送到廣播載波，相當于恢復了單載波系統的天然廣播特性，大大節省了信道資源。

2）實現了廣播數據的一發多收，各站可以實現廣播數據的同時接收，業務實時性能得到較好保障。

3）點對點和廣播數據分路解調，使得廣播數據接收和點對點業務接收可以同時進行。

4 應用實例

下面以一個應用實例來對比以上幾種廣播方式在實現過程中，在資源占用和實時性方面的情況。某MF-TDMA衛星通信系統由3個地面站構成，可用系統資源為2-3條4Mbps載波，廣播業務量為1 Mbps，如果各站均有可能廣播。那么，分別采用四種廣播方式廣播業務占用資源對比情況如下。

5 總結

從以上分析可以看出，三種傳統的MF-TDMA系統廣播方式都具有各自的缺陷和局限性，對實現廣播業務靈活的應用產生了較大限制。通過在地面終端中增加解調器，引入廣播載波的廣播方式，則能夠較好的解決傳統廣播方式固有的問題，大大減小了MF-TDMA衛星通信系統中廣播業務占用的信道資源，并使之能與對點對點業務共存，具有高效、簡潔、實時性好的特點。

參考文獻

[1]郝學坤，孫晨華，李文鐸，MF-TDMA衛星通信系統技術體制研究[J].無線電通信技術，2006，32（5）.

[2]張雪，倪貴強，金鳳林.MF-TDMA信道分配研究[J].計算機與數字工程，2010，38（11）.

[3]CELANDRONI N，FERRO E，JAMES N，FODA/IBEATDMA：a flexible fade countermeasure system in user oriented networks[J].Journal of Satellite Communications，1992（06）：309-323.

[4]郝學坤.MF-TDMA衛星通信多站型組網體制研究[J].無線電通信技術，2012，38（1）.

作者簡介

陳杰（1982-），男，重慶人，工程師，研究生，研究方向：衛星通信技術、計算機網絡技術。endprint

摘 要 在使用透明轉發器的MF-TDMA（多頻時分多址）衛星通信系統內，利用頻率跳變收發、變速率調制解調技術結合信道資源分時按需分配機制，可實現點對點業務對全部載波資源的高效利用，極大的擴展了系統容量。但多載波組網的特點也使廣播業務所占用的信道資源成倍增加。通過對透明轉發的MF-TDMA體制特點和常見廣播實現方式的研究，提出了一種基于多解調器分路解調的解決方案，有效解決了多載波擴容和廣播業務實現間的矛盾。

關鍵詞 MF-TDMA；廣播；信道資源

中圖分類號：TN927 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0027-02

1 MF-TDMA衛星通信系統簡介

MF-TDMA衛星通信系統是在傳統單載波TDMA系統的基礎上引入了頻率跳變發送和接收、變速率調制解調技術，從而可以利用一套調制解調設備，使得各地面站可以分時在多個載波進行收發。如圖1所示，除了參考時隙所有站均跳到載波1的頻點速率接收參考外，其他時刻，各站的解調器職守在某一條載波上，發往某站的數據將在分配的時隙內跳到該站的職守載波進行發送，也就“發跳收不跳”。通過有針對性的將業務站分配到不同載波職守，可將業務數據分攤到多個載波發送。并結合TDMA按需分配機制，將各站對信道資源的共享擴展到多條載波上。圖1MF-TDMA系統中，AB站和CD間業務分散到了載波2和載波3上，同時，對業務量不大的E站，則職守在一條較低速率載波，以減少帶寬使用。

圖1 MF-TDMA系統幀結構示意

MF-TDMA系統提高了系統應用的靈活性，實現了TDMA系統的擴容，但也帶來了一些問題。由于各站對所有載波的共享是基于跳頻發送實現的，因此在一個站無法在同一時隙內在多個載波下發送。如圖1所示，B站在第n時隙被分配向E站所在的1載波發送數據，那么該時隙B站將能再向2、3載波的n時隙發送數據。這種原則被稱為MF-TDMA資源分配過程中的“載波間時隙分配躲避原則”。由于這條基本原則的存在，在MF-TDMA系統中，為了達到廣播的目的，廣播站往往需要重復占用多個載波的信道資源，大大降低了系統傳輸效率，這對于有著大量多點廣播業務的衛星通信網絡，例如IP通信網、視頻會議網絡等產生了很大影響，限制了系統應用。因此，有必要對MF-TDMA衛星通信系統數據廣播技術進行研究，解決廣播在多載波應用上的效率問題。

2 MF-TDMA系統三種數據廣播方式

目前MF-TDMA系統實現廣播的方式主要有三種：多頻復制分發、定時跳頻收發和星狀組網廣播。這三種方式各自適應于MF-TDMA系統某種應用環境，也各有優缺點。

1）多頻復制分發。多頻復制分發的廣播方式，是通過在多個載波同時申請廣播時隙，廣播發送站可以在不同載波的不同時隙位置復制發送同一突發數據，使各載波的職守站在一個幀周期內均能獲取同樣的數據，達到廣播的效果。但是，這種方式在各站間傳輸時延抖動較大，只適合于非實時性質業務發送；且由于發送站調制器需要發送多份數據，實際單站的最大廣播發送速率為單條載波信息速率/載波數，在載波數較多時，大大限制了該種應用方式的應用。

2）定時跳頻分發。定時跳頻分發廣播方式是利用頻率跳變發送和接收技術，將廣播時隙分配在一個固定載波上，在廣播時隙到來時，廣播發送站跳到該載波頻點進行發送，同時，各接收站解調器也跳到該頻點進行接收，實現“一發多收”的廣播。這種廣播方式最大的好處在于大大提升了單站的廣播能力，避免了因多次發送同一份數據而造成的發送能力的浪費。同時，由于廣播數據在同一時刻收發，各站間的時延抖動較小，比較適合于實時業務的傳輸。但這種廣播發送方式由于各接收站均要同時跳收，因此需要將同一時隙的多個載波資源同時分配給廣播使用，接收廣播時，點對點數據無法接收，系統總的載波資源的占用并沒有減少。

3）星狀組網廣播。采用星狀組網廣播的方式，其幀結構如圖2所示。星狀組網廣播主要應用于中心站廣播分發、遠端站向中心回傳的星狀應用環境。處于中心地位的廣播站單獨使用一條前向載波發送數據（如圖2所示載波1），其所有發送數據均為廣播，所有遠端站通收；其他遠端小站使用其他TDMA載波（如圖2所示載波2）向中心站進行回傳。通過單獨配置多個解調器或采用多載波并行解調技術，中心站可以同時接收多條返向載波的數據；同時，通過提高中心站發送能力，可令前向載波使用較高速率，實現高速的廣播分發；甚至，通過中心站的轉發，遠端小站還可以實現遠端站間互通或經由中心轉發的二次廣播分發。

星狀組網廣播由于廣播占用單獨的前向載波實現，無須考慮MF-TDMA系統中時隙躲避的問題，因此，具有最高效的信道使用效率。但是，這種組網方式并不適用于多點廣播需求，因為遠端站發送廣播數據時需要同時占用返向和前向載波，用于數據發往中心站和中心站前向轉發，資源開銷大；且傳輸有兩次上星過程，傳輸時延翻倍。因此星狀組網廣播方式僅適應于單中心廣播的應用環境。

圖2 三種廣播方式幀結構示意圖

3 廣播載波應用方式的實現

廣播載波應用方式的其核心思想是利用MF-TDMA體制中多載波的優勢，增加一條專門的廣播載波用于廣播發送，并在地面終端上增加一路解調器，專門用于接收該載波廣播數據。如圖3所示，為具備雙路解調的地面終端設備組成帶廣播載波的MF-TDMA系統的幀結構。

圖3 廣播載波廣播方式幀結構示意

廣播發送端數據發送過程中，地面終端需根據業務數據的目的地址，區分出該數據是否為廣播數據。如果為廣播數據，則在廣播載波上申請時隙資源完成發送；反之，則根據目的站的職守載波申請對應載波的時隙資源完成發送。接收站兩個解調器分別解調一般業務載波和廣播載波兩路載波信號，并在基帶數據出口合路，同時接收。通過以上方法，達到了以下目的。

1）將廣播統一發送到廣播載波，相當于恢復了單載波系統的天然廣播特性，大大節省了信道資源。

2）實現了廣播數據的一發多收，各站可以實現廣播數據的同時接收，業務實時性能得到較好保障。

3）點對點和廣播數據分路解調，使得廣播數據接收和點對點業務接收可以同時進行。

4 應用實例

下面以一個應用實例來對比以上幾種廣播方式在實現過程中，在資源占用和實時性方面的情況。某MF-TDMA衛星通信系統由3個地面站構成，可用系統資源為2-3條4Mbps載波，廣播業務量為1 Mbps，如果各站均有可能廣播。那么，分別采用四種廣播方式廣播業務占用資源對比情況如下。

5 總結

從以上分析可以看出，三種傳統的MF-TDMA系統廣播方式都具有各自的缺陷和局限性，對實現廣播業務靈活的應用產生了較大限制。通過在地面終端中增加解調器，引入廣播載波的廣播方式，則能夠較好的解決傳統廣播方式固有的問題，大大減小了MF-TDMA衛星通信系統中廣播業務占用的信道資源，并使之能與對點對點業務共存，具有高效、簡潔、實時性好的特點。

參考文獻

[1]郝學坤，孫晨華，李文鐸，MF-TDMA衛星通信系統技術體制研究[J].無線電通信技術，2006，32（5）.

[2]張雪，倪貴強，金鳳林.MF-TDMA信道分配研究[J].計算機與數字工程，2010，38（11）.

[3]CELANDRONI N，FERRO E，JAMES N，FODA/IBEATDMA：a flexible fade countermeasure system in user oriented networks[J].Journal of Satellite Communications，1992（06）：309-323.

[4]郝學坤.MF-TDMA衛星通信多站型組網體制研究[J].無線電通信技術，2012，38（1）.

作者簡介

陳杰（1982-），男，重慶人，工程師，研究生，研究方向：衛星通信技術、計算機網絡技術。endprint