基于中繼衛星SMA的用戶網絡接入技術

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)

基于中繼衛星SMA的用戶網絡接入技術

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)

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

關鍵詞中繼衛星；S頻段多址系統；自組織

隨著中繼衛星系統的應用不斷深入，其服務對象范圍日益擴展，所需管理的用戶數量也與日俱增。傳統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[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絡接入技術，以支持多用戶的按需接入、即時接入和突發接入，從而實現中繼衛星對陸、海、空、天各類用戶的在線服務和管理。

國內外關于衛星多用戶的網絡接入方法很多，如美國中繼衛星系統[2]采用波束之間空分多址(Space Division Multiple Access，SDMA)+波束之內碼分多址(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。又如寬帶多媒體衛星通信系統中常用的多頻-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，不滿足中繼衛星系統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絡分級管理架構和動態/靜態相結合的MC-MF-TDMA資源分配技術，以適應中繼衛星系統需求的多樣化和時變性。

1網絡分級管理總體架構

基于中繼衛星SMA的空間網絡總體架構由地面站、中繼衛星和各類型用戶組成，按照中繼衛星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，形成一套網絡拓撲結構預規劃與自組織[4]結合、接入方式預留與競爭并存的兩級網絡架構，從而使得中繼衛星系統具有按需接入和應急調整的能力。

總體網絡架構如圖1所示。中繼衛星系統利用數字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)設備產生多個波束。衛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調整，以切換覆蓋區域或跟蹤運動用戶；全景覆蓋波束則通過靜態波束交疊組合成全景波束，以實現整個地面可見區域在時間上和空間上的連續覆蓋。相比之下，全景覆蓋波束照射范圍更廣，支持的用戶數更多，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據傳輸業務(如潛艇上傳猝發信息)。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　基于中繼衛星SMA的空間網絡接入總體網絡架構

由于不同用戶的鏈路數據速率差別較大，以傳輸語音、報文為主要任務的用戶數據速率只須達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以上的數據傳輸速率。因此，同一波束覆蓋范圍內的用戶按照動/靜時隙相結合的MC-MF-TDMA方式組成子網，數據速率要求較高的用戶可以申請動態時隙完成高速傳輸。一個子網可承載的最大骨干節點數為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，并通過骨干節點接入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成員的影響。

2關鍵技術及解決方案

2.1時變網絡資源分配技術

動態/靜態相結合的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申請時，碰撞概率較低。第2個至第4個是靜態時隙，由特定用戶占用；第5個至第8個為動態時隙，當某用戶需要傳輸高速數據時，申請占用動態時隙從而獲得足夠的信道資源。系統內的一些重要信息占用靜態時隙進行傳輸，保證可靠性；動態時隙供部分節點進行高速數據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點，也可由節點主動發起競爭，勝出者占用若干個動態時隙進行高速數據傳輸。

圖2　動態/靜態相結合的MC-MF-TDMA三維幀結構

2.2二級子網自組織技術

二級子網內的用戶采用TDMA方式進行網絡自組織，每傳1個TDMA數據幀，便插入1個“網絡自組織幀”以進行網絡自組織，即每1 280 ms(960 ms +320 ms)進行一次子網重組，如圖3所示。

自組織的方法是所有節點輪流廣播自組織信息包(Self Organize Packet，SOP)，供網內所有節點收聽。自組織信息包顯示本用戶ID號，以及自己掌握的網絡拓撲情況，包括與哪些用戶聯通、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通的。為保證所有用戶都能可靠地建立網絡拓撲信息，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。二級子網數據傳輸幀也采用常規TDMA結構，不再贅述。

圖3　二級子網自組織信息包(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反向鏈路高速數據傳輸性能

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據傳輸性能，驗證動態時隙申請過程及使用效果。驗證用戶成功申請動態時隙并獲得所需的數據傳輸速率。

仿真條件：用戶占用的動態時隙數量分別為1和2。

仿真結果：如圖4～圖6所示。

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

圖4　動態時隙申請失敗超時次數

圖5　節點發送吞吐量

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

圖6　地面站接收吞吐量

3.2二級子網節點接入網絡功能

仿真目的：驗證二級子網節點能夠以自組織的方式接入網絡。

仿真條件：采用IP流業務，速率為3 kbps。假設源節點無法直接向中繼星發送數據，因此必須按圖3所示的自組織時隙，通過骨干節點的轉發，從而接入中繼衛星SMA。目的是對二級子網通過多跳方式接入骨干網的能力進行驗證。

仿真結果：如圖7～圖9所示。

圖7　仿真路由跳數

圖8　仿真端到端時延

圖9　節點1發送和中繼星接收節點1數據量對比

圖7顯示的是平均跳數，圖中一個點代表某一小段時間內的平均值。從圖中能夠看出：在大多數情況下，經過2跳，二級子網內的節點即可接入中繼衛星SMA；極個別情況下需要3跳。

圖8顯示的是數據包從產生到接收的端到端時延統計，時延量與圖7中平均跳數成明顯的比例關系。平均2跳時， 1.3 s左右的平均時延；平均跳數為3時，對應平均時延約2.2 s。根據圖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顯示的是節點與中繼星之間數據發送與接收情況對比，可看出中繼星的數據接收量與節點的數據發送量基本一致，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，二級子網的自組織功能可支持節點通過多跳的方式接入中繼星，以此來擴充網絡容量并提高節點在盲區(SMA波束覆蓋范圍以外的區域)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絡架構，增強了網路的擴展能力，從而使得中繼衛星系統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接入和高效業務保障的需求。

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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