一種自組織VSAT衛星通信系統*

何治平，李際平，楊伏華，吳團峰

(解放軍理工大學通信工程學院,江蘇省，南京市，210007)

一種自組織VSAT衛星通信系統*

何治平，李際平，楊伏華，吳團峰

(解放軍理工大學通信工程學院,江蘇省，南京市，210007)

針對傳輸話音業務的小型VSAT網絡系統，提出了一種基于FDMA/SCPC的無主站自組網方法。在該方法中，網內各站點能力相同、全網狀連接，共享業務信道頻率資源。站點通過掃描業務信道獲取頻點實時忙閑信息。當需要通信時，站點通過自發自收測試占用空閑信道，并發起通信申請。介紹了這種自組網方法的網絡構成、頻率配置和通信過程，并通過Matlab仿真對網絡的呼損率、信道利用率等性能指標進行了分析。

VSAT; 自組網; 衛星通信

0 引 言

VSAT系統體積小、價格低、使用方便且發展迅速，在國內外得到了廣泛應用，其關鍵技術主要有網絡拓撲結構、信號傳輸、多址連接、信道分配等[1]。當前，包括VSAT在內的衛星通信系統，其網絡構成一般包括主站、遠端站和衛星轉發器[2]，設立主站的目的在于通過主站實現對網絡的管理和控制。但是這種包含主站的網絡存在一些不足：在穩定性或抗毀性上，這種網絡對主站依賴較強，網絡不夠靈活，一旦主站發生故障或者被摧毀，則全網面臨癱瘓；在經濟型上，針對一些站點數較少的網絡，如果能省去主站，通過VSAT站點的自組網實現基本的網絡互聯互通要求，會比較經濟。

自組織網絡，也稱為無中心組網，網內不設主站，全網狀連接。目前，國內外對此內容研究較少，投入使用的自組織衛星通信系統只有前蘇聯研發的SPADE系統[3]，文獻[4]介紹了一種基于SCPC-TDMA的衛星地面站的無中心組網方法。以上兩種方法都需要全網同步，對設備要求高，并且建立通信、申請占用頻率較為繁瑣。本文提出了一種基于FDMA/SCPC、針對傳輸話音業務、站點數較少的小型VSAT網絡的自組網方法，站點通過掃描和發收占用信道，對設備要求低，通信過程簡便。

1 提出一種自組織形式的VSAT衛星通信網

1.1 網絡構成

基本條件：采取自組織形式，網內不設主站，站點能力基本相同，全網狀鏈接，數量不超過100個。傳輸話音業務。考慮到FDMA設備簡單、無需全網同步，SCPC適合輕路由[5]， 多址方式采用FDMA/SCPC。

圖1 VSAT通信系統構成圖

信道劃分及配置：全網設一條公共信令信道CSC和若干對業務信道。CSC信道采用ALOHA方式，各站點通過CSC以ALOHA爭用的方式發送通信申請，并且保持監聽CSC的下行信道，若收聽到轉發的申請信息，證明申請信息發送成功。業務信道根據轉發器資源等量劃分(即各信道帶寬相同)，并且仿照SPADE方式[1]，等間隔配置，劃分為高端和低端兩個通道群組，各組內的信道成對兒對應，這樣做的目的在于分配或者占用信道時，只需從一個群組確定一條信道即可，則另一個群組與之對應的信道也隨之確定。如圖2所示。

圖2 頻率配置圖

1.2 通信過程

該組網方法中，通信過程建立在站點對業務信道的掃描占用。具體的說，就是站點入網之后，便對所有業務信道進行不間斷掃描，實時獲取信道忙閑信息。當站點有通信需求時，根據掃描獲取的實時信道忙閑信息，如果存在空閑信道的話，則該站點通過自發自收的方式占用空閑業務信道(注意：此時站點只需要在業務信道的一個通道組中占用一個頻點，則另一個通道組中對應的頻點也隨之確定)，并同時發起通信請求。當通信結束或者建立通信失敗后，站點放棄對信道的占用，重新回歸掃描狀態。通信過程如下：

通信申請：

(1)當某站(記為A站)需要與某站(記為B站)通信時，A站首先根據掃描獲取的實時信道忙閑信息，若此時沒有空閑信道，則通信過程終止；若存在空閑信道，則A站通過自發自收的方式占用空閑業務信道；

(2)于此同時，A站通過CSC以ALOHA方式發送申請通信的信息。需要注意的是，該申請包含兩方面信息：一是與B站通信的通信請求，另一個是A站已經占用的業務信道的頻點信息。

通信建立：

(1)當A站發送通信請求之后，監聽CSC的下行信道，若收到經轉發器轉發的申請信息，則證明申請信息發送成功。因為所有站點都在監聽CSC下行信道，并且各站點能力相同，所以當A站收聽到轉發的申請信息之后，可以認為被叫站B站也收聽到了該信息；

(2)此時，如果B站可以應答A站，則B站通過A站申請信息中告知的業務信道頻點，直接通過業務信道回應A站，并隨之進行導通測試和通信。如果A站在經過一段時間等待之后(可以設置為300 ms,略長于衛星“一跳”的時間)，沒有從業務信道收到B站的應答，則認為B站正在通信或者不在網內，此時A站馬上終止此次通信，放棄對業務信道的占用，重新回歸掃描信道的狀態；

通信結束：

當A站與B站通信結束之后，站點放棄對業務信道的占用，回歸掃描信道的狀態。當有下次通信需求時，重新按照上述步驟進行。通信過程如圖3所示。

圖3 通信流程圖

2 該組網方法的特點及性能

2.1 組網特點

2.1.1 信令信道CSC負擔輕

該辦法通過掃描業務信道獲取實時忙閑情況。在需要通信時根據掃描結果：如果此時沒有空閑信道，則終止通信申請，不會產生呼損；如果有空閑信道，主叫站擇機占用一對空閑頻點并發起申請。

相比于SPADE方式[3]：主叫站申請通信前首先查看頻率忙閑表，選出空閑頻率并發送申請，被叫站如果與主叫站通信，必須要通過CSC回應，此時網內各站點根據該信息修改頻率忙閑表。當兩個站點通信結束之后，還要再次通過CSC告知全網通信結束，使用的業務信道回歸空閑狀態，全網再次更改頻率忙閑表。SPADE方式在CSC上采用的是TDMA方式，而本文的組網辦法中，CSC信道采用了ALOHA方式。因此，通過對業務信道的掃描占用，網內各站點無需通過CSC信道獲取頻率忙閑變化情況，有效地減輕了CSC信道上的負擔，一定程度上避免了ALOHA方式因業務量增加造成穩定性下降的缺陷。

2.1.2 有效管理業務信道

有效管理主要體現在避免呼叫過程中業務信道的“鎖死”或長時無效占用。當主叫站發出與被叫站通信的申請信息后，因為全網都在監聽衛星轉發器轉發的信令信息，若該信息未經碰撞或經過有限次碰撞，成功通過CSC被轉發器轉發，當A站監聽到轉發信息之后，因各站能力基本相同，則可以認為此時被叫站(記為B站)也應收到此信息。此時A站在等待一段時間(比一跳略長即可，如300 ms)后，未收到B站從業務信道的回應，便可認為B站正在通信或者不在網，此次通信無法建立，A站隨即撤出對業務信道的占用。此方法避免了信道鎖死或長時的無效占用，提高了效率。

2.2 網絡性能分析

首先考慮網絡呼損率。根據本文提出的組網辦法，網內呼損點有兩個：一是站點因SCPC通道數有限造成的呼損；二是ALOHA信道因碰撞和誤碼引起的呼損。因為后者與網內話務量無關，所以只考慮站點的呼損，目的在于找出話務量與呼損之間的關系，進而將呼損率與網絡的通道效率聯系起來進行分析。

假定系統符合歐蘭—B公式的條件，根據歐蘭—B公式：

(1)

Ai為網內某站點的話務量，Up為站點配置的SCPC通道數。

接下來考慮網絡的通道效率。全網站點總數為N，全網配置的雙向話音信道數為Ns，全網總話務量為A，則：

(2)

因為各站點能力相同，可認為站點話務量也相同，所以：

(3)

3 仿真結果及分析

3.1 站點數N與雙向話音信道數Ns關系

作為一種組網辦法，重點是給出諸如呼損率、通道利用率等性能指標，一定數量的站點應該配置多少條雙向衛星話音信道。

取Up=4,B=0.03,

令η=0.6,0.8,1.0,1.5,2.0(e/ch),編寫Matlab仿真程序，網內站點數量N為20-100。由下圖4仿真結果可知，當站點呼損率B給定的時候，通道效率η越高，站點數量N相同的網絡所需要的雙向衛星信道數Ns越少。

圖4 N 與 Ns的關系

取Up=4,η=1.0(e/ch),

令B=0.003,0.01,0.03,0.05,編寫Matlab仿真程序，網內站點數量N為20-100。由圖5仿真結果可知，當通道效率η給定時，站點呼損率B越低，站點數量N相同的網絡所需要的雙向衛星信道數Ns越少。

圖5 N 與 Ns的關系

3.2 呼損率B與通道效率η的關系

當話務量A增大的時候，呼損率B與通道效率η都增大，總是希望控制呼損率在一個可以接受的范圍內，同時盡可能提高通道效率。

取UP=4 ,由上一步的結果，當站點數N為100時，配置的雙向話音信道數Ns=40,50,60,70,80, 編寫Matlab仿真程序，站點話務量Ai取值為0.6-2.0e。

由下圖6仿真結果可知，對于站點數量N給定的網絡，①在相等通道效率η條件下，配置的雙向話音信道數Ns越大，呼損率B越大。②在相等呼損率B條件下，配置的雙向話音信道數Ns越大，通道效率η越低。

圖6 B 與 η的關系

[1] 葛慧娟.軍用VSAT網絡管理研究及設計[D].西安電子科技大學:西安電子科技大學，2008. GE Hui-juan. Research and Design of Military VSAT Network Management[d]. Xidian University: Xidian University,2008.

[2] 方華,丁科，續欣等.SCPC/DAMA 衛星地球站軟件設計與實現[J].通信技術:2010 年第12期，第43卷:26-28. FANG Hua, DING Ke, XU Xin，et al.Software Design and Implementation of SCPC/DAMA Satellite Communication Station.Communications Technology: Vol.43 No.12, 2010: 26-28.

[3] 呂海寰,蔡劍銘，甘仲民等.衛星通信系統[M].北京：人民郵電出版社，1993：P568-576. LV Hai-huan，CAI Jian-ming,GAN Zhong-min, et al.Satellite Communication System[M],BeiJing:People′s Posts and Telecommunications Press,1993: P568-576.

[4] 李娟麗.SCPC一TDMA衛星地面站組網方法的研究及其在Linux系統中的實現[D].北京郵電大學:北京郵電大學，2011. LI Juan-li.Research on the Method of Ground Station Network for SCPC TDMA Satellite Groundstation and Its Implementation in Linux System[D]. Beijing University of Posts and Telecommunications: Beijing University of Posts and Telecommunications,2011.

A Self-Organizing VSAT Network System

HE Zhi-ping，LI Ji-ping，YANG Fu-hua，WU Tuan-feng

(College of Communication Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China)

Aiming at the small VSAT network system for voice-transmission service,a new self-organizing network based on FDMA/SCPC is proposed. In this method, every site is almost equal in capacity, the network in full mesh connection, and the frequency resource of business channel shared by all sites. Each site acquires the real-time information of frequency points through scanning business channel. When communication is required, the site occupies the idle channel by a self- sending and self-receiving test and launches a communication application. The network structure, frequency allocation, and communication process of the self-organizing network are described, and performance index of the network, including call-loss rate, channel utilization, is also analyzed through Matlab simulation.

VSAT; self-organizing network; satellite communication

2015-04-01；

2015-07-25 Received date:2015-04-01；Revised date：2015-07-25

TN927+.2

A

1002-0802(2015)09-1058-04

何治平(1988—)，男，碩士，主要研究方向為衛星通信；

李際平(1962—)，男，教授，主要研究方向為衛星通信；

楊伏華(1972—)，男，副教授，主要研究方向為衛星通信；

吳團峰(1977—)，男，講師，主要研究方向為衛星通信。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.09.015