MF-TDMA和FDMA傳輸自適應體制下的資源分配

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

當前的衛星通信系統主要分為FDMA和TDMA兩種不同的傳輸體制。

FDMA指的是頻分多址，這種體制將頻帶資源根據傳輸需求在頻域上劃分為不同帶寬的載波[1]，將載波分配給網內的用戶單獨使用，從而實現用戶在不同的頻率上同時進行數據的傳輸，即頻分復用[2]。而載波與載波之間存在保護間隔，防止相互間的干擾[3]。

而TDMA指的是時分多址，是將同一頻帶資源上的載波在時域上進行等間隔的劃分為幀，每一個幀周期再劃分為等周期的若干個時隙[4]。不同的時隙可以分配給不同的用戶[5]，而實現了多用戶在同頻率上進行先后時間順序的數據傳輸，而相互獨立無干擾，即時分復用[6]。而幀與幀、時隙與時隙之間存在保護間隔[7]。在此基礎上的MF-TDMA，是將TDMA和FDMA相結合的二維多址方式[8]，由于其具有靈活的接入和交換能力、靈活的網絡結構[9]、高效的衛星資源利用率和網絡擴展能力，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[10]。

但是FDMA受限于網絡規模和用戶數量[11]，難以與MF-TDMA體制相比；而MF-TDMA則必須有精確的定時和同步信號以保證正常通信[12]，并且時隙之間存在保護間隔[13]，對于載波的利用效率低于連續傳輸的FDMA體制[14]。MF-TDMA和FDMA的混合體制組網，用戶終端能夠自適應選擇體制進行數據傳輸，網絡兼具二者優點，能夠極大地提高通信系統的整體傳輸性能[15]，是當前的研究熱點。

而混合體制下的資源分配問題是影響傳輸性能的關鍵難題之一。本文通過對混合體制的分析，提出了一種自適應資源分配算法，能夠根據用戶的能力和需求，自適應地選擇FDMA體制的連續傳輸，選擇適合MF-TDMA體制下的時分復用傳輸，在滿足用戶傳輸需求的同時，實現對資源利用的最大化，以提高混合體制的整體傳輸性能。

1 混合體制組網

混合體制組網以MF-TDMA體制為基礎，通過技術增強使系統兼具FDMA的特點，能夠實現二者共存的一體化系統，網絡架構如圖1所示，2種體制配置公共頻帶資源，完全按需分配。

系統的主站作為控制中心，對用戶的組網控制、定時同步、傳輸體制和資源分配等進行統一配置管理[16]。遠端站在入網后根據站能力進行傳輸體制選擇[17]，在FDMA體制下，由遠端站發起建鏈申請及拆鏈申請[18]，而在沒有業務傳輸時，遠端站通過控制信令周期向主站注冊，以保持入網狀態，注冊周期較長[19]。主站的控制中心接收到建鏈或拆鏈的請求后，進行帶寬資源的配置[20]。

圖1 傳輸體制自適應示意

而MF-TDMA體制下，遠端站在每一個幀周期向主站發送業務申請或狀態信息，實現定時同步以保持入網態。控制中心收到遠端站的業務請求后，在載波的時隙上進行分配，最后將資源分配結果統一下發全網。

系統可支持全MF-TDMA模式、全FDMA模式，也支持MF-TDMA和FDMA混合模式。

2 自適應資源分配算法

為了提高資源利用率，滿足業務通信前提下，盡可能采用動態分配資源機制。

在系統運行過程中，控制中心根據入網終端數量及實際業務量，在頻帶資源池內動態調整使用載波。在沒有遠端站入網或網內沒有業務傳輸需求時，僅僅控制載波或少量的業務載波即可維持網絡運行。隨著入網站數量增加，業務量的增多，控制中心動態從資源池中選用相應速率檔位的載波，在業務量減少時釋放無用的載波，以達到資源高效利用的目的。

頻帶資源動態處理方式使得業務需求和載波能力保持一致，既不會浪費信道能力，也可以最大限度滿足用戶需求。而MF-TDMA體制和FDMA體制的頻帶資源自適應分配過程在同一資源池內進行，由統一的算法進行載波的自適應配置，分配的流程如圖2所示。

圖2 頻帶資源配置流程

算法的具體步驟如下：

① 資源分配單元接收網內一個幀周期內所有遠端站的業務請求，根據體制進行分類處理；

② 如果是MF-TDMA體制下的遠端站，業務申請內容為所需的業務發送速率，分配單元將速率進行分類整合，與信道內的載波發送能力進行比較，進行載波的調整；

③ 如果是FDMA體制下的遠端站，業務申請為建鏈請求或拆鏈請求，直接在資源池內進行載波的調整；

④ 載波調整完畢后，在MF-TDMA體制的載波上，根據遠端站的速率請求，進行時隙資源的分配；

⑤ 將分配完畢的載波與時隙結果下發全網，所有遠端站嚴格按照分配結果執行數據的發送與接收；

⑥ 這一幀周期的資源分配結束，等待下一個周期，重復步驟①。

在頻帶資源池內統一進行載波的調整時，為了防止MF-TDMA或FDMA體制的載波大量占據資源，影響另一體制下的數據傳輸，需在頻帶資源池內進行預規劃，分別劃定一定量的頻帶資源為2種體制專享，剩余的資源供二者自由競爭使用，保證2種體制的均衡。

3 算法性能分析

系統的控制中心同時支持MF-TDMA和FDMA兩種體制下的頻帶資源分配使用，分別從2方面進行分析。

FDMA衛星通信為點對點通信，且FDMA載波在生成后，無法實時修改，導致FDMA載波的利用率較低，基于此，為FDMA劃分資源池，系統根據實際需求，規劃幾檔FDMA載波速率，遠端站在有業務需求時，根據業務需求自適應選擇合適的FDMA載波。通信結束后，釋放FDMA載波，達到資源的最大利用率。

經過頻帶資源自適應處理后，FDMA可以在有限的資源內支持更多的遠端站使用，提高了頻帶資源的利用率。

而MF-TDMA衛星通信系統為組網通信，傳統的MF-TDMA系統的載波固定，無法實時修改頻帶資源，在網內業務量小時會造成資源的極大浪費；而業務量增大后，業務需求又得不到完全滿足。

因此在資源池內動態配置TDMA載波，并針對網絡內的站能力配置相應的速率檔，根據終端站的業務需求，在資源池內劃分出合適的載波。

控制中心同時監控著MF-TDMA和FDMA兩種體制下的終端站狀態和業務需求，可根據網絡規模及業務量的動態變化，實時調整網內的載波使用狀態，并將資源池使用狀態上報運控中心。運控中心通過資源池利用情況的變化，可以動態規劃衛星資源在不同衛星網絡的使用，提高衛星資源的總體利用率。

4 仿真結果

仿真的具體條件設定如下：

① 網絡的終端站規模為1 500；

② 頻帶資源池大小為100 MHz；

③ 終端站的發送業務分為2類：64 ksps和8 Msps，2種速率隨機發送；

④ 終端入網后，根據業務發送需求在頻帶資源池內自適應占用資源；

⑤ FDMA體制下用戶獨占單條載波，數據發送概率為50%；

⑥ MF-TDMA體制下單條載波內分為10個時隙進行時分復用，傳輸的突發開銷為20%；

⑦ TD/FD體制下，速率為64 ksps的業務選擇FDMA體制，速率為8 Msps的業務選擇MF-TDMA體制。

3條曲線分別表示網絡運行過程中，3種不同體制對用戶的通信業務呼叫接通率的變化情況如圖3所示。

圖3 通信業務呼通率的比較

由仿真結果可以看到，在網絡運行過程中FDMA體制由于采取獨享載波的策略，因此容納的用戶通信數量有限，呼通率驟降。而MF-TDMA采取時分復用方式，大量用戶可同時入網通信；TD/FA混合體制遠遠優于FDMA，但由于64 ksps載波的獨享策略，在網絡規模非常大時，呼通率會低于MF-TDMA。

3條曲線是3中體制下的用戶實際的數據傳輸情況，如圖4所示。

圖4 信道內數據傳輸量的比較

由仿真結果可以看到，FDMA體制下由于設定數據發送概率為50%，實際傳輸量較低，對信道浪費極大。而TD/FD體制下高速率載波采取時分復用方式，傳輸量不僅遠大于FDMA體制，也高于MF-TDMA體制。

通過對比可知，TD/FD體制下的自適應算法能夠在網絡狀態變化的過程中，自適應的調整業務傳輸方式，最大限度滿足用戶通信需求的同時，保證了對信道資源的高效穩定利用。

5 結束語

針對FDMA和MF-TDMA體制的混合組網，對混合體制下的自適應傳輸進行了研究。突破了傳統的單一分配方式，提出了自適應資源分配算法，解決了混合組網下對公共頻帶資源的利用問題，并進行了仿真分析。從仿真結果可以看出，本文提出的自適應資源分配算法很好地解決了業務接入和傳輸效能的均衡問題，對FDMA和MF-TDMA體制混合組網的工程實現具有一定的指導意義。