基于改進MF-TDMA的臨近空間通信網協議設計與仿真

吳翔宇，廖育榮，倪淑燕

(中國人民解放軍裝備學院 光電裝備系，北京　101416)

?

基于改進MF-TDMA的臨近空間通信網協議設計與仿真

吳翔宇，廖育榮，倪淑燕

(中國人民解放軍裝備學院 光電裝備系，北京101416)

臨近空間通信系統作為無線通信新的分支面臨著為混合業務提供支持的問題，為此需要設計一種高效的多址接入協議以滿足復雜的通信需求；在多頻時分多址接入(MF-TDMA)協議的基礎上提出了一種改進協議，通過對幀時隙進行功能劃分，提出了固定時隙段加動態時隙段的設計，實現了對不同類型、不同速率業務的支持；利用OPNET仿真軟件進行了系統建模和協議性能仿真，仿真結果驗證了協議設計的合理性和有效性。

臨近空間通信系統；多頻時分多址；接入協議；OPNET仿真

本文引用格式：吳翔宇，廖育榮，倪淑燕.基于改進MF-TDMA的臨近空間通信網協議設計與仿真[J].兵器裝備工程學報，2016(8):131-136.

臨近空間通信系統是近年來受到廣泛關注的新興通信系統，它以高空通信平臺為核心，配備一定數量的通信設施，工作在距地面17～22 km處，提供高速率大容量的通信服務[1]，具有費用低、部署快、組網靈活、抗毀性強、全天候工作能力以及區域性應用優勢等諸多優點[2]，適用于應急通信及中等規模的軍事通信。作為無線通信系統新的分支，臨近空間通信系統將多種業務綜合到一個網絡中，同時支持語音、數據、視頻、圖像等業務的傳輸[3]，具備實現面向綜合業務的點對多點通信能力。為此需要設計一種高效的多址接入協議，在保證服務品質(QoS)的同時實現多種業務的支持。本文在多頻時分多址接入(MF-TDMA)協議的基礎上提出了一種固定時隙段加動態時隙段的多址協議設計，在為用戶提供最低業務保障的同時通過充分復用動態時隙實現對高比特率業務的支持。

1　基于MF-TDMA的上行多址接入協議設計

多頻時分多址接入(MF-TDMA)是混合多址技術的一種，它將FDMA和TDMA相結合，通過在時間維度和頻率維度上的綜合調度實現資源的靈活分配[4-5]。MF-TDMA作為寬帶多媒體衛星通信系統中的主流上行體制，能夠根據不同類型的終端和不同需求的業務靈活分配不同速率的載波和時隙資源，從而實現對多用戶、多業務和多種速率帶寬要求的靈活支持[6]。在寬帶衛星通信系統中，MF-TDMA的引入主要是為了解決TDMA體制系統擴容不方便和大、小口徑地球站混合組網能力不足的問題[7]，通過配置帶寬、速率不同的載波來實現不同口徑的地球站的混合接入。

臨近空間通信系統在系統結構和組成上與寬帶衛星通信系統存在一定相似性，在用戶構成和業務類型上也面臨支持多用戶、混合業務傳輸的問題，因此本文在傳統MF-TDMA協議基礎之上提出了一種固定時隙段加動態時隙段的上行MF-TDMA設計。新的協議具備動態時隙分配的功能，適用于負載較重、傳輸混合業務和實現復雜功能的網絡[8]，其幀結構設計如圖1所示。

系統以超幀為基本單位循環，一個超幀劃分為m個幀，對應m個子載波(F0～Fm-1)，子載波可以根據網絡內用戶具體的數量、收發能力、類型等按需設置速率，也可以不對子載波速率進行區分。在一幀之內劃分n個子幀(T0～Tn-1)，每子幀長16 ms，一個時幀長n×16 ms，這樣，m個子載波共n×m個子幀。子幀內的時隙劃分分為固定時隙段和動態時隙段，固定時隙段作為節點的專有時隙固定分配給用戶，為用戶提供最低業務保障，實現控制信息、語音業務和低速率數據業務的傳輸；動態時隙段則由全網用戶競爭使用，用戶發送動態時隙申請，系統按照一定的時隙分配算法為用戶分配動態時隙，實現對中等數據率和高數據率綜合業務的支持。子幀編號按照“載波號_幀號”唯一確定，如F0_T1子幀提供用戶1的接入服務。系統支持的總用戶數目為n×m-1。以F0載波內的n個子幀為例，具體子幀結構如圖2所示。

圖1　改進的MF-TDMA幀結構

圖2　子幀時隙劃分

每個子幀分為16個時隙，每時隙長1 ms，按TS-0至TS-15編號。其中，TS-0至TS-4共5個時隙為固定時隙，即用戶專用時隙，保證用戶的時敏業務、周期性上報數據、低速數據和信令信息的傳遞。TS-5至TS-15為動態時隙，按需分配，主要保證高速業務(圖像業務、視頻業務等)的傳遞。考慮臨近空間通信網終端用戶的特殊性以及軍事通信的特殊性(終端需要周期性上報遙測信息或位置信息)，在傳統控制時隙的基礎上將固定時隙段劃分為3類時隙，各類時隙負責實現不同的功能。

第1類為用戶專用控制時隙，占據TS-0，用于各類控制信息的傳送。包括測距突發、管理應答、與中心站間的控制信息等。這類信息多為信令信息，數據量較小，且為按需發送，因此分配一個時隙。另外，用戶的動態時隙申請也在專用控制時隙內發送，每經過一個時幀周期，用戶可按需發送動態時隙申請。

第2類為用戶周期性上報時隙，占據TS-1和TS-2，用于各類用戶周期性數據到中心站的傳送。對高速移動用戶(如飛機、導彈等)而言，該時隙用于上報周期性遙測數據；對其他用戶而言，該時隙用于上報用戶位置變化信息，保證系統對各類用戶狀態的實時感知。這類信息或為周期性信息，或為時敏信息，相比普通業務更加重要，因此分配兩個時隙，確保這類信息的高QoS。

第3類為用戶低速業務時隙，占據TS-3和TS-4，用于低速業務(語音、IP數據等)的傳遞。用戶通過這兩個低速業務時隙實現一定數據率的低速業務傳輸。

實際上，固定時隙段的個數、作用等可以根據網絡的實際情況進行更改，例如將固定時隙段中的一部分作為視頻業務的預留時隙，當用戶有視頻業務產生時預留時隙優先用來傳輸視頻業務，以保證視頻業務穩定的周期性[3]等等。

TS-5至TS-15共11個時隙為動態時隙，用戶通過申請獲得，用于大容量高數據率需求的業務傳輸。系統在每一子幀結束時按照一定的策略對該子幀內收到的動態時隙申請作出分配，以保證動態時隙的最大化利用。

在上述劃分中，通過時隙TS-0的設置完成了控制信道的部分功能，除此之外系統之中還應當有一個特殊的控制信道，用作處理用戶的入(退)網申請。入(退)網申請不同于動態時隙申請，系統對入(退)網申請作出反應，判決接收入網或拒絕入網。這一特殊的信道表現在幀結構中就是一個特殊的幀，稱之為公用接入控制幀。該幀位于F0載波的第一個子幀，其位置如圖1所示(幀結構左下角)。

在公用接入控制幀內，用戶發送入網申請。公用接入控制幀的時隙劃分如圖3所示，其時隙劃分可以按照16個時隙的劃分，也可以劃分出更多的微時隙，理論上當微時隙數目越多時，用戶入網申請的碰撞概率就越小。入網申請以接入突發的格式在時隙內發送。系統在接收到接入申請后，查看時隙分配表CAL(Channel Allocation List)，若還有信道資源可供分配，則允許用戶入網，向其分配某幀中的固定時隙段，用戶入網成功，同時為其分配ID、幀號，用戶獲得固定時隙。若查看CAL后發現當前已沒有信道資源可供分配，則用戶入網請求失敗，在執行退避后，將重新發起申請。用戶在公用接入控制幀內的信令交互過程基于ALOHA的方式進行。

圖3　公用接入控制幀時隙劃分示意圖

2　基于OPNET的仿真建模及結果分析

OPNET是一款功能強大的網絡仿真軟件，它采用分層建模的方式實現網絡建模和仿真[9-11]。本文利用OPNET仿真軟件建立了臨近空間通信系統模型并對文中提出的上行MF-TDMA協議性能進行了仿真驗證。主要考察了系統時延、低速業務和高速業務的傳輸性能以及協議中時幀設計及時隙段功能劃分的合理性和有效性。

2.1網絡模型及參數設置

網絡模型及拓撲結構如圖4所示。系統由中心站節點、臨近空間平臺節點(飛艇)和地面用戶節點組成，網絡覆蓋采用蜂窩網絡，為簡化模型，僅設置7個宏蜂窩，由平臺節點上的多波束天線產生，蜂窩之間采用空分復用(SDMA)方式。中心站節點實現網絡管理功能，包括用戶的入、退網控制，載波和時隙的分配等等，臨近空間平臺節點主要實現中繼轉發功能。用戶節點模擬實際用戶實現信息交互，其編號采用“飛艇號_波束號_節點號”的方式，例如“a1_b1_node1”表示飛艇a1下第一個波束(小區)覆蓋范圍內的節點1。仿真參數配置如表1所示。

圖4　網絡模型

仿真參數值仿真參數值超幀長/幀長128ms時隙長1ms載波數/幀數10單載波速率614kbps單載波子幀數8載波總速率6.1Mbps子幀總數80單時隙支持速率4.8kbps時隙數16系統用戶數553固定時隙數5上行體制MF-TDMA動態時隙數11下行體制TDM每小區用戶數79

仿真過程中系統采用MF-TDMA/TDM體制，利用平臺上的再生式轉發器，下行將上行鏈路的多個窄帶載波合成一個高速TDM寬帶載波，通過TDM，對單載波進行調制，作為下行鏈路信號轉發給終端。

2.2仿真場景設置及結果分析

2.2.1接入時延

仿真目的：在單個小區內分別對多個節點接入的過程進行仿真，統計入網信令接入時延，驗證時幀設計是否能支持高效率的節點接入過程。

場景設置：設置3個場景，發起入網申請的節點數目分別為10個、79個和100個。統計10個、79個節點的接入時延以及3個場景的接入時延對比。

仿真結果：對節點的接入時延進行統計，接入時延是指上層申請報文從進入節點MAC層開始，到申請報文離開MAC層發送到物理信道為止，仿真結果如圖5所示。

從圖5(a)可以看出，10個節點入網時，對10個節點接入時延做平均，結果在64 ms左右波動。這是因為根據時幀設計，公共接入控制幀每128 ms來到一次，節點僅在控制幀到來時發送接入申請，然而入網申請報文產生時間是隨機的，若此時控制時隙沒有到來，報文將不能發送。節點在一個超幀內產生的入網申請報文平均排隊等待時間為超幀長度的一半，即64 ms，仿真結果與分析相符。

圖5(b)顯示的是79個節點同時入網的時延。仿真結果顯示，79個節點平均接入時延與10個節點接入時延相比并沒有增加。這是因為79個節點數目仍然在網絡所支持的固定用戶數量范圍內，飛艇對每一個節點的入網申請回復都是允許入網，節點的接入時延不會增加。

圖5(c)是10、79和100個節點同時入網的接入時延對比圖。結果顯示，當有100個節點申請入網時，其接入時延先在較短的一段時間內維持在64 ms左右，隨后不斷增大，遠遠超過64 ms的數量級。這是因為100節點數目已經超過網絡所支持的用戶數量，當100個節點中的79個節點陸續入網之后，飛艇下發拒絕申請包，告知節點拒絕接受入網申請。對節點而言，未發送的入網申請報文將在MAC層積累無法發送，導致接入時延統計結果持續增大。

圖5　接入時延仿真結果

2.2.2低速數據通信

仿真目的：對用戶利用固定業務時隙進行低速率業務通信的功能進行驗證。

場景設置：在同一飛艇a1覆蓋范圍內，仿真不同小區的用戶之間數據通信業務，以b1_node1、b6_node9節點和b3_node4、b6_node10兩對節點間的雙向通信為例。業務配置為均值9.6 kbps的低速語音業務。

仿真結果：仿真結果如圖6所示。圖6(a)是b1_node1節點發送數據率和b6_node9節點接收數據率；圖6(b)是b1_node1節點接收數據率和b6_node9節點發送數據率。可以看出，在仿真時間內，兩個節點的發送、接收數據率均維持在9.6 kbps左右，說明不同小區間的固定用戶能夠通過固定時隙建立有效的低速數據鏈路，系統具備低速業務通信的能力。b3_node4、b6_node10節點的仿真結果與此相同。

圖6　固定用戶間低速通信仿真結果

圖7顯示的是仿真過程中對時隙申請及獲取過程和時隙占用情況的打印。這里僅給出了b1_node1節點的結果，b6_node9節點的時隙申請及占用過程與此相同。

圖7(a)是仿真過程中節點與ID的對應圖。OPNET在仿真過程中會自動為節點分配ID號，其對應關系需要在仿真窗口查看。圖7(a)可以看出b1_node1節點對應的ID分別為3。圖7(b)是仿真開始后各個節點的入網及時隙申請過程，節點在每一個公共控制幀到來時發送入網申請，然后在獲取的固定時隙中的0號時隙發送動態時隙申請。公共控制幀每0.128 s到來一次，持續0.016 s，可以得出公共控制幀的到來時間依次為0.001-0.016 s、0.128-0.144 s、0.256-0.272 s、0.384-0.400 s、0.512-0.528 s往后類推，圖中b1_node1、b3_node4、和b6_node10申請固定時隙的時間均落在公共控制幀到來的時間段之內，證明了公共控制幀設計的有效性。

圖7(c)是b1_node1節點的時隙占用情況，運用OPNET的打印功能顯示。可以看出它獲取了該小區內的F0-T1子幀。打印結果中的時隙號0～15對應時幀設計中每個子幀的時隙劃分，其中0～4號為固定時隙，5～15號為動態時隙。打印結果中每個時隙號冒號后面的數字表示當前該時隙是由哪個節點占用的，-1表示未占用。可以看出，仿真過程中，b1_node1節點占用了所獲得子幀中的固定時隙，這與本文第2節關于時隙功能的設計相吻合。除此之外，節點還申請了一個動態時隙，這是由于實際業務包速率大于9.6 kbps，為了避免信息累積，系統為節點優先分配了同一子幀中的動態時隙。

圖7　固定用戶間低速通信時隙占用情況打印

2.2.3高速數據傳輸

仿真目的：驗證用戶進行高速數據傳輸時，申請動態時隙以實現4 Mbps的傳輸數據率。即驗證系統能否支持高速業務的傳輸。

場景設置：以小區b1為仿真場景，僅激活b1_node1節點。仿真開始后節點b1_node1產生圖像數據上傳需求，通過申請并獲得動態時隙以實現4 Mbps的數據率。仿真開始后，對節點b1_node1的發送數據率進行統計，并打印時隙占用情況表。

仿真結果：仿真結果如圖8所示。圖8(a)是節點b1_node1的發送數據率統計圖，仿真開始后第100 s節點產生大容量數據，數據率為4 Mbps，并維持至仿真結束，證明系統能夠支持高達4 Mbps的高速業務傳輸，驗證了系統對高速業務的支持。

圖8(b)是b1_node1節點在仿真開始后的接入及動態時隙申請過程，可以看出節點在仿真開始100 s后申請動態時隙，根據業務量大小共申請829個動態時隙，幾乎占據了時隙資源塊中的全部動態時隙，動態時隙的位置從F0-T1開始一直到F9-T5，這與設計和理論分析相符。圖8(c)和(d)是仿真過程中的時隙占用情況打印圖，由于一個小區內存在80個子幀，無法全部打印，在此僅打印了部分占用情況。從圖中可以看出，F0頻率和F3頻率內的所有動態時隙均被ID3號節點即節點b1_node1占用，而固定時隙則未占用，證明系統能夠通過分配動態時隙實現對高速大容量業務的支持，從而驗證了時幀結構設計和時隙分配合理有效。

圖8　高速數據傳輸仿真結果

3　總結

臨近空間通信系統作為新興的無線移動通信系統，勢必會受到越來越多的關注和研究。在面向多用戶混合業務傳輸需求的背景之下，本文提出了一種改進的MF-TDMA協議，該協議通過固定時隙段的設計保證了用戶的最低傳輸性能，實現了對低速業務的支持；通過動態時隙段的充分復用實現了對高速業務的支持。不同時隙段的劃分將業務分離，降低了不同類型業務的接入碰撞，提高了信道利用率。最后通過OPNET完成了系統建模和協議性能仿真，仿真結果表明新的協議能夠按照設計實現從超幀到幀再到時隙不同層次的功能，系統支持不同類型、不同速率業務的傳輸，驗證了協議設計的合理性和有效性。

[1]歐陽向京,陳樹新.臨近空間通信平臺及其軍事應用[J].火力與指揮控制，2012，37(2)：163-166.

[2]郭彤.臨近空間通信平臺應用研究[J].移動通信，2013(24)：35-39.

[3]管明祥,郭慶,李陸.基于臨近空間通信網絡混合業務的MAC協議[J].華南理工大學學報(自然科學版)，2008，36(5)：65-69.

[4]馮少棟,呂晶,張更新,李廣俠.寬帶多媒體衛星通信系統中的多址接入技術(上)[J].衛星與網絡，2010(7)：66-68.

[5]馮少棟,呂晶,張更新,李廣俠.寬帶多媒體衛星通信系統中的多址接入技術[J].衛星與網絡，2010(9)：64-69.

[6]王書杰.MF-TDMA衛星通信系統信道分配研究[J].中國新通信，2015(17)：62-63.

[7]汪春霆,張俊祥,潘申富,郝學坤.衛星通信系統[M].北京：國防工業出版社，2012.

[8]李建勛,樊曉光,張喆,萬明.基于優先級的TDMA動態時隙分配算法[J].計算機工程，2011，37(14)：288-290.

[9]朱子行,梁俊,趙輝.基于TDMA的臨近空間通信網MAC層協議仿真[J].電訊技術，2009，49(6)：19-22.

[10]廖仕利，李文杰，趙立鑫．基于PFM的寬角度紅外光音頻通信系統[J]．重慶理工大學學報(自然科學)，2015(8)：99-103.

[11]王玲芳,母景琴等譯.計算機網絡仿真OPNET實用指南[M].北京：機械工業出版社，2014.

(責任編輯楊繼森)

Access Protocol Design and OPNET Simulation of Near Space Communication System Based on MF-TDMA

WU Xiang-yu, LIAO Yu-rong, NI Shu-yan

(Department of Photoelectricity Equipment, Equipment Academy of PLA, Beijing 101416, China)

As a new branch of wireless communication system, near space communication system faced the problem of providing support for multi services, therefore, it is necessary to design an efficient multiple access protocol to meet the complex communication needs. An improved protocol based on multi-frequency division multiple access (MF-TDMA) was proposed, by dividing the time slots in two different parts, the design of fixed slots segment and the dynamic slots segment were proposed, which realizes the protocol well supports of the mixed services of different types and different rates according to different fuctions. OPNET simulation software was used to finish the system modeling and protocol performance simulation, and the simulation results verify the rationality and effectiveness of the protocol design.

near space communication system; MF-TDMA; access protocol; OPNET simulation

2016-02-18；

2016-03-19

吳翔宇(1991—)，男，碩士研究生，主要從事無線通信網絡研究。

10.11809/scbgxb2016.08.030

format:WU Xiang-yu, LIAO Yu-rong, NI Shu-yan.Access Protocol Design and OPNET Simulation of Near Space Communication System Based on MF-TDMA[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):131-136.

TN925.93

A

2096-2304(2016)08-0131-06

【信息科學與控制工程】