MF-TDMA衛星通信系統信道載波動態調整算法

許 楠

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

多頻時分多址(MF-TDMA)衛星通信系統是一種采用頻分和時分相結合的二維多址方式進行組網通信的衛星通信系統[1]，由于其具有靈活的接入和交換能力、靈活的網絡結構、高效的衛星資源利用率和網絡擴展能力[2]，可以較好地滿足中速率節點間以及以數據業務為主的用戶間組網通信[3]，在國內外衛星通信中被廣泛應用[4]。

MF-TDMA衛星通信系統之所以高效，是因為可在不同速率的載波上靈活進行時隙資源的分配[5]。但是由于載波配置由網絡規劃決定，當網內的業務量不規則持續變化時，載波速率和數量固定不變[6]，使得遠端站的業務需求長期得不到滿足或者信道利用率大大降低[7]。

因此，如何動態地根據網內用戶數量和業務量變化實時調整系統載波的配置[8]，在滿足用戶需求的前提下努力提高信道帶寬資源的利用率[9]，使整個通信系統能夠穩定、高效地進行業務傳輸，一直是MF-TDMA衛星通信系統中的關鍵課題[10]。

本文提出一種動態調整載波的算法，能夠根據網絡的運行狀態，實時調整信道內的載波配置情況，使得信道傳輸能力滿足實際需求的同時，不會造成信道內帶寬資源的浪費，長期空閑的資源可用于其他網系或任務，極大地提高了系統的整體性能。

1 載波預規劃

1.1 分配約束條件

MF-TDMA系統的信道可以抽象理解為一個二維矩陣[11]，其中行表示不同頻率的載波，列表示劃分的時間周期[12]。載波配置過程可以看作是：在一定的約束條件下，將一段頻帶資源劃分為不同的載波，供網內的終端進行業務數據的發送和接收[13]。約束條件主要有以下3個方面：① 每一個類型的終端站至少對應一個收發載波；② 每一類型的載波數量和規劃終端站數量相匹配；③ 不同載波之間存在保護間隔，所有載波帶寬資源之和不超過總頻帶資源。

1.2 分配過程

目前，最常見的載波配置方法是采取預規劃的方式。該方法的計算需要在組網工作之前的網絡規劃時完成。載波預規劃的具體流程如圖1所示。

圖1 載波預規劃的流程

首先規劃網內所需的終端類型，確定每一類型終端的收發能力；其次分別規劃每一類型終端的數量，并預測每一個終端的業務量需求；然后根據已規劃的終端能力和業務量，配置生成不同速率的載波；將載波配置和可用的頻帶資源進行比較，是否能夠滿足，若不能滿足所有載波需求，對所有類型的載波數量進行等比例壓縮；最終的載波配置結果下發至網絡中進行組網工作，載波的速率、數量都不再進行調整變化。

1.3 算法分析

載波預規劃的優點是過程簡單、容易實現，網絡的運行過程穩定可靠[14]。

缺點是在不同場景下會出現信道的效率低下和用戶的業務需求滿足率低[15]。在組網初始階段或正常組網時，遠端站終端入網數量遠遠小于規劃時會出現大量載波空閑導致的信道浪費[16]。

當某種類型的終端入網數量或業務量激增時，信道內該速率的載波利用率達到滿載荷，依然不能全部滿足業務需求。而信道內的其他載波依然空閑，得不到利用[17]。

導致這些現象的根本原因是信道的規劃配置和網絡運行后時刻變化的業務需求不能保持完全匹配[18]。這是因為載波預規劃算法是在網絡運行之前，對可能出現的業務需求進行預測，并兼顧到所有的終端站[19]。當網絡運行狀態和預期規劃有所出入時，信道使用和用戶體驗便不能保證處于最優的狀態[20]。

2 載波動態調整算法

2.1 原理

載波動態調整算法所要解決的是MF-TDMA衛星通信系統中，載波配置不能夠根據業務量變化而動態調整，從而導致業務需求得不到滿足或者信道利用率低的難題。旨在提供一種可靈活適應各種網絡環境、高效可靠的信道載波動態調整技術。

載波動態調整算法遵循MF-TDMA衛星通信系統基本資源申請、分配和使用的原則，通過對業務帶寬申請的統計和分析，和當前的信道載波容量進行判定，自適應地選擇載波擴展、載波回收以及載波保持3種方式中的一種，然后調整遠端站和載波的值守關系，以達到載波負載均衡的目的。載波調整完畢后，根據業務申請在配置的載波上進行時隙資源的分配，并下發全網。

該方法的本質是對網絡內的不斷變化業務流量進行實時監控。資源分配單元通過監測網內每一個終端、每一個業務的變化進行統計和分析，并對業務量的增減進行一定的預測，掌握了一段時間內的業務量的變化趨勢，以此來對信道的載波配置進行適應性的修改，最大程度地保持信道能力和業務的一致性。

該方法需要在網絡運行過程中時刻進行計算和調整，運算開銷較預規劃方法較大，并且載波調整的頻率不能過于頻繁，否則會影響網內的正常通信。

2.2 具體實現

具體的實現步驟如下：

① 在接收到所有遠端站的業務時隙申請信息后，按照遠端站的發送能力和業務目的站的接收能力，對申請信息進行分類統計。

② 對系統的信道容量進行評估，統計網內不同速率的載波數量和每條載波的帶寬資源。

③ 根據網內的載波配置情況和遠端站的帶寬申請，比較信道內不同速率載波的容量是否遠超出遠端站的業務帶寬需求。如果當前的載波速率和數量配置遠超出所有遠端站的帶寬需求，則轉入步驟④；否則轉入步驟⑤。

④ 計算信道容量超出遠端站需求的帶寬大小，轉換為載波的速率和數量，根據速率和數量進行載波的回收。回收的過程中，優先選取帶寬利用率較低的載波進行回收，并且對回收載波上正在通信的業務向其他在載波上進行無抖動移植，保證用戶通信的服務質量。

⑤ 根據網內的載波配置情況和遠端站的帶寬申請，比較信道內不同速率載波的容量能否滿足遠端站的業務帶寬需求。如果當前的載波速率和數量配置能夠滿足所有遠端站的帶寬需求，則轉入步驟⑦；否則轉入步驟⑥。

⑥ 計算遠端站超出信道容量的帶寬大小，轉換為載波的速率和數量，根據速率和數量進行載波的擴展。

⑦ 根據遠端站的實際業務需求和載波數量，對遠端站對載波的值守情況進行調整，保證所有載波上的業務均衡。

⑧ 根據所有遠端站的業務帶寬申請，在配置完畢的載波上進行時隙資源的分配，將載波配置結果和載波時隙分配結果通過參考突發下發到每一個遠端站。

⑨ 遠端站接收到載波配置和時隙分配信息后，在規劃的時間和頻點上進行突發數據的發送和接收。

載波動態調整算法的具體流程如圖2所示。

圖2 載波動態調整算法流程

3 仿真優化

針對MF-TDMA系統，對載波預規劃的過程和動態調整算法進行模擬和仿真。仿真的具體條件設定如下：

① 網絡的終端站規模為1 000；

② 頻帶資源池為100 MHz；

③ 終端站根據收發能力分為8類；

④ 與終端站能力對應，載波類型按速率也分為8檔，分別為64 ksps，128 ksps，256 ksps，512 ksps，1 Msps，2 Msps，4 Msps，8 Msps；

⑤ 終端站的開機入網時間服從泊松分布；

⑥ 終端站入網后的業務需求服從隨機分布，范圍為[0，N]，N為終端發送能力上限。

3.1 預規劃

預規劃算法的網絡運行狀態如圖3所示。圖3中的2條曲線分別表示網絡運行過程的不同階段，系統的信道利用率和用戶的業務滿足率變化情況。

圖3 預規劃算法的網絡運行狀態

由仿真結果可知，在網絡運行的不同階段，信道利用情況和用戶業務需求滿足情況會隨著入網用戶數量和業務需求的變化而變化。

在組網的初始階段，網內的入網用戶較少，而信道大量資源處于空閑狀態，因此用戶的業務滿足率處于100%，而信道利用率很低。

隨著入網用戶的增多和業務量的增長，信道利用率逐步增加，直到所有的資源全部被占用，利用率達到100%；而用戶的業務滿足率逐漸下降。

3.2 載波動態調整算法

載波動態調整算法的網絡運行狀態如圖4所示。

由仿真結果可知，無論是網絡運行的初始階段還是穩定運行階段，信道的利用率始終穩定保持在較高的水平。而用戶的業務滿足率也保持在較高水平，直到用戶數量和業務量超出信道能力上限后，業務滿足率開始逐步下降。

圖4 載波動態調整算法的網絡運行狀態

通過對比可知，載波動態調整算法能夠在網絡狀態變化的過程中，自適應地調整信道的容量，始終保持信道與用戶需求的一致，保證了MF-TDMA通信系統的高效和穩定。

4 結束語

通過對MF-TDMA系統頻帶資源的載波預規劃算法進行分析，提出了載波動態調整算法。通過實時監測網內業務量，根據業務量變化趨勢，在頻帶資源池內動態調整載波的配置情況，滿足用戶業務需求的同時提高了信道利用率。通過仿真分析，表明本文方法可以有效地保證MF-TDMA系統內信道的載波配置和用戶需求變化的一致性。