TDMA星狀網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)中心交換與信道分配方法研究

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 劉 雯

0 引言

星狀組網(wǎng)模式中，小站只和中心站互通，小站之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要通過中心站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如果由業(yè)務(wù)中心來進(jìn)行這一轉(zhuǎn)發(fā)過程，會(huì)提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)的復(fù)雜性，還會(huì)增加業(yè)務(wù)系統(tǒng)與衛(wèi)星系統(tǒng)之間的交互，不利于維護(hù)系統(tǒng)的靈活性；反之，如果在通信系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的過程，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的方式在業(yè)務(wù)中心完成數(shù)據(jù)交換，并且此方案必須考慮前向信道資源分配的問題，合理分配轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與中心站自身業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)所占的信道資源。

本文介紹的TDMA星狀網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)中心交換與信道分配方法以MF-TDMA（多頻時(shí)分多址）技術(shù)為基礎(chǔ)，將MF-TDMA系統(tǒng)中心站的發(fā)送載波特例化為一條由中心站獨(dú)享且可以被所有小站接收的TDM載波，而小站發(fā)送的低速返回業(yè)務(wù)載波組由中心站采用多載波解調(diào)技術(shù)統(tǒng)一接收，并且多個(gè)時(shí)分小站可共享一條低速載波。此方案充分利用了中心站和小站的收發(fā)能力，在保證中心站高速?gòu)V播發(fā)送的同時(shí)，保持了TDMA體制綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。

1 MF-TDMA衛(wèi)星通信體制

1.1 MF-TDMA多頻時(shí)分多址技術(shù)技術(shù)

MF-TDMA是一種基于頻分和時(shí)分結(jié)合的二維多址方式，利用逐時(shí)隙載波跳變發(fā)送和接收、速率捷變和虛路由尋址等相結(jié)合技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)地球站間靈活組網(wǎng)以及面向話音、數(shù)據(jù)、視頻等綜合業(yè)務(wù)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信[1]。MF-TDMA在衛(wèi)星通信靈活組網(wǎng)和支持綜合業(yè)務(wù)傳輸方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，適合不同規(guī)模衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

圖1 MF-TDMA信道結(jié)構(gòu)

1.2 TDMA星狀網(wǎng)系統(tǒng)的基本原理

TDMA星狀網(wǎng)內(nèi)存在兩種信道資源，小站發(fā)往中心站的載波組資源，稱為返向信道；中心站發(fā)往小站的載波資源，稱為前向信道。小站發(fā)往中心站的返向TDMA系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過小站提出業(yè)務(wù)申請(qǐng)，中心站根據(jù)申請(qǐng)分配信道資源后，在參考中下發(fā)時(shí)隙分配計(jì)劃（TDMA幀計(jì)劃），最后由小站執(zhí)行該幀計(jì)劃，在各自分配的時(shí)隙段內(nèi)收發(fā)突發(fā)數(shù)據(jù)完成。中心站收到返向信道數(shù)據(jù)后，接收本站數(shù)據(jù)的同時(shí)，將返向數(shù)據(jù)中需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)和自身的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)往前向信道。前向信道雖然完全由中心站使用，但為了實(shí)現(xiàn)小站間業(yè)務(wù)互通和小站廣播，需要在信道資源分配時(shí)，統(tǒng)一分配，將部分前向時(shí)隙資源用于轉(zhuǎn)發(fā)小站的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)前向數(shù)據(jù)發(fā)送。

2 綜合業(yè)務(wù)中心交換體制設(shè)計(jì)

本文主要研究了衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)部自行完成中心交換的業(yè)務(wù)傳輸和資源分配方法。通過業(yè)務(wù)流分類和標(biāo)記，統(tǒng)一的雙向資源申請(qǐng)分配和中心按標(biāo)記交換的控制過程，可以完成星狀網(wǎng)中心交換傳輸，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的全網(wǎng)互通和廣播。

2.1 業(yè)務(wù)流分類和標(biāo)記

各站收到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)后，首先需要進(jìn)行業(yè)務(wù)流分類緩存，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)被劃分為六種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流：小站發(fā)往小站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、小站發(fā)往小站的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、小站發(fā)往中心站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、小站發(fā)往中心站的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、中心站發(fā)往小站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、和中心站發(fā)往小站的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在每個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包進(jìn)行TDMA組包過程中，可通過在分組頭內(nèi)記錄源、目的站地址來標(biāo)記。其中，各站要發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)按照小站發(fā)往小站或中心站發(fā)往小站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類緩存，目的地址標(biāo)識(shí)為廣播地址。

2.2 資源申請(qǐng)與分配

2.2.1 各站的申請(qǐng)類型

各站將收到的六類數(shù)據(jù)分隊(duì)列緩存后，根據(jù)TDMA系統(tǒng)基本時(shí)隙申請(qǐng)方法計(jì)算信道資源需求。實(shí)時(shí)類業(yè)務(wù)流根據(jù)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的參數(shù)配置計(jì)算TDMA時(shí)隙申請(qǐng)量，非實(shí)時(shí)類業(yè)務(wù)流根據(jù)緩存區(qū)內(nèi)緩存量計(jì)算TDMA時(shí)隙申請(qǐng)量。各站申請(qǐng)計(jì)算完畢后產(chǎn)生四類申請(qǐng)發(fā)送到中心站：小站發(fā)往小站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)申請(qǐng)RtRR、小站發(fā)往小站的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)申請(qǐng)RtRU、小站發(fā)往中心站的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)申請(qǐng)RtCU和小站發(fā)往中心站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)申請(qǐng)RtCR。中心站自身還會(huì)產(chǎn)生兩類申請(qǐng)：中心站發(fā)往小站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)申請(qǐng)CtRR和中心站發(fā)往小站的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)申請(qǐng)CtRU，這兩類申請(qǐng)直接通過中心站內(nèi)部數(shù)據(jù)變量進(jìn)行記錄。

2.2.2 中心站的信道分配規(guī)則

中心站將所有小站和自身各類時(shí)隙申請(qǐng)匯總后，按照設(shè)定的分配規(guī)則對(duì)時(shí)隙進(jìn)行分配，默認(rèn)的分配規(guī)則包括：實(shí)時(shí)類申請(qǐng)優(yōu)先于非實(shí)時(shí)類申請(qǐng)、主站自身的申請(qǐng)優(yōu)先于小站的申請(qǐng)、小站發(fā)往小站申請(qǐng)優(yōu)先于小站發(fā)往主站申請(qǐng)。

每種業(yè)務(wù)申請(qǐng)分配時(shí)，將各自分解為對(duì)前向和返向兩種信道資源的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)時(shí)隙需求，在兩種信道資源內(nèi)各自獨(dú)立分配：實(shí)時(shí)類申請(qǐng)采用先到先服務(wù)原則進(jìn)行分配，非實(shí)時(shí)類申請(qǐng)則采用加權(quán)平均的方式，各站公平競(jìng)爭(zhēng)實(shí)時(shí)時(shí)隙分配完畢后的剩余時(shí)隙。

2.3 中心站交換控制

中心站完成分配后，將返向信道資源分配形成的包含四種時(shí)隙的TDMA幀計(jì)劃發(fā)往小站，供小站業(yè)務(wù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)按對(duì)應(yīng)類別使用。小站按照返向信道TDMA幀計(jì)劃發(fā)送的數(shù)據(jù)到達(dá)中心站后，中心站讀取數(shù)據(jù)分組中標(biāo)記的實(shí)際目的站地址，將突發(fā)數(shù)據(jù)分組中實(shí)際目的地址為中心站自身的，直接送往接入處理并輸出；將實(shí)際目的站地址為小站的，轉(zhuǎn)發(fā)回前向信道，廣播給小站接收；將實(shí)際目的站為廣播地址的，同時(shí)進(jìn)行以上操作，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)廣播。小站接收來自中心站轉(zhuǎn)發(fā)或直接發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)前向載波，并提取突發(fā)數(shù)據(jù)分組中標(biāo)記的真實(shí)源地址，通過實(shí)際源地址區(qū)分收到的突發(fā)數(shù)據(jù)中哪些來自于主站轉(zhuǎn)發(fā)，哪些來自于小站發(fā)送，并將這一信息連同數(shù)據(jù)包本身送往接入處理進(jìn)行輸出，完成整個(gè)方法全過程。

圖2 控制過程流程圖

3 實(shí)施過程

中心站的業(yè)務(wù)流均為發(fā)往小站的數(shù)據(jù)，根據(jù)話音、同異步數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、IP數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的分類方式分類；小站的業(yè)務(wù)流根據(jù)目的站類型和實(shí)時(shí)性進(jìn)行分類（見2.2.1節(jié)）。

中心站按照設(shè)定的分配規(guī)則（見2.2.2節(jié)），對(duì)六種業(yè)務(wù)申請(qǐng)按照CtRR→RtRR→RtCR→CtRU→RtRU→RtCU的順序進(jìn)行時(shí)隙分配。每種業(yè)務(wù)申請(qǐng)分配時(shí)，將各自分解為對(duì)前向和返向兩種信道資源的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)時(shí)隙需求，在兩種信道資源內(nèi)各自獨(dú)立分配。

時(shí)隙分配時(shí)，將各類時(shí)隙統(tǒng)一化對(duì)前向和返向兩種信道資源需求，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：CtRR統(tǒng)一化為對(duì)前向信道的實(shí)時(shí)申請(qǐng)；RtRR統(tǒng)一化為對(duì)前向和返向信道的實(shí)時(shí)申請(qǐng)；RtCR統(tǒng)一化為對(duì)返向信道的實(shí)時(shí)申請(qǐng)；CtRU統(tǒng)一化為對(duì)前向信道的非實(shí)時(shí)申請(qǐng)；RtRU統(tǒng)一化為對(duì)前向和返向信道的非實(shí)時(shí)申請(qǐng)；RtCU統(tǒng)一化為對(duì)返向信道的非實(shí)時(shí)申請(qǐng)。

前向信道和返向信道在六類申請(qǐng)統(tǒng)一化處理后，各自獨(dú)立分配。

對(duì)RtRR和RtRU業(yè)務(wù)來說，返向信道分配時(shí)，需使用前向信道的分配結(jié)果，使得返向信道分配量不大于前向信道分配量，避免中心站轉(zhuǎn)發(fā)過程出現(xiàn)堵塞。分解到前向或返向信道內(nèi)實(shí)時(shí)類申請(qǐng)采用先到先服務(wù)分配原則；非實(shí)時(shí)類申請(qǐng)則采用加權(quán)平均的方式，各站公平競(jìng)爭(zhēng)實(shí)時(shí)時(shí)隙分配完畢后的剩余時(shí)隙。

通過以上具體步驟，在TDMA星狀網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了本方法的全過程。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用基于業(yè)務(wù)流分類和標(biāo)記的中心交換方法及雙向信道資源申請(qǐng)和分配方法，可以使綜合業(yè)務(wù)中心數(shù)據(jù)交換和信道分配簡(jiǎn)單可靠，易于實(shí)現(xiàn)。并且可對(duì)衛(wèi)星鏈路上傳輸?shù)木C合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供一定程度的服務(wù)質(zhì)量保證能力，滿足不同應(yīng)用需求。