中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 張方明

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一種MF_TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)星狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)分析

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 張方明

【摘要】在分析多頻時(shí)分多址（MF-TDMA）體制特點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合新的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)水平和多載波并行解調(diào)技術(shù)，提出了一種基于多載波并行解調(diào)技術(shù)構(gòu)建MF-TDMA 體制星狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的方法。首先對(duì)多載波整體解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了介紹，然后設(shè)計(jì)了MF-TDMA 星狀網(wǎng)的組網(wǎng)流程和同步控制方法，最后提出了基于中心轉(zhuǎn)發(fā)的業(yè)務(wù)站互通方法。

【關(guān)鍵詞】MF-TDMA；星狀拓?fù)渚W(wǎng)；同步控制方法

0　引言

MF-TDMA 衛(wèi)星通信體制具有組網(wǎng)靈活、資源利用率高等優(yōu)點(diǎn)，支持面向用戶和節(jié)點(diǎn)的話音、數(shù)據(jù)及視頻等綜合業(yè)務(wù)傳輸，已成為網(wǎng)絡(luò)化衛(wèi)星通信發(fā)展的主流。MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)方式主要可分為網(wǎng)狀組網(wǎng)和星狀組網(wǎng)兩種。網(wǎng)狀組網(wǎng)一般適用于站能力相當(dāng)?shù)恼鹃g實(shí)現(xiàn)對(duì)等組網(wǎng)，當(dāng)個(gè)別站型能力差別較大時(shí)，可以通過靈活配置大小站的值守載波速率以實(shí)現(xiàn)大小站混合組網(wǎng)，但當(dāng)大量站型能力都不相同的情況下，載波配置會(huì)非常復(fù)雜且很難保證各站地球站之間完全的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)業(yè)務(wù)互通。而星狀組網(wǎng)方式則能很好的克服以上問題，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)下的大小站混合組網(wǎng)互通。本文設(shè)計(jì)了一種基于MF_TDMA體制的星狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，并給出了詳細(xì)的組網(wǎng)流程、同步控制方法及業(yè)務(wù)互通方法。

1　多載波整體解調(diào)技術(shù)

在星狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，中心站使用一條高速前向載波實(shí)現(xiàn)向小站的突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)，需要在多條返向信道上接收各遠(yuǎn)端用戶終端的上行突發(fā)信號(hào)。若每條返向信道對(duì)應(yīng)一個(gè)解調(diào)器，那么當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，中心站的解調(diào)器數(shù)量將非?？捎^。多載波整體解調(diào)技術(shù)是星狀網(wǎng)中心站返向信道處理單元關(guān)鍵技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多路混合信號(hào)的分路，完成星狀網(wǎng)通信系統(tǒng)中心站同時(shí)處理多路突發(fā)信號(hào)的功能。

多載波整體解調(diào)技術(shù)涉及通信領(lǐng)域中多路突發(fā)信號(hào)的分路和整體解調(diào)全數(shù)字化處理技術(shù)。它采用了對(duì)多路突發(fā)信號(hào)的數(shù)字化分路、整體解調(diào)的信號(hào)捕獲、時(shí)鐘同步、載波同步，減少了硬件復(fù)雜度，提高了單個(gè)解調(diào)器的處理能力。

實(shí)現(xiàn)多載波解調(diào)的關(guān)鍵在于數(shù)字化分路，數(shù)字化分路實(shí)現(xiàn)采用多相陣列FFT法。多相陣列FFT數(shù)字分路算法是基于多抽樣率變頻的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是從均勻DFT濾波器組數(shù)學(xué)模型引申出來(lái)的。多相陣列FFT算法由多相濾波器組和FFT模塊兩部分組成。多相濾波器組完成信號(hào)匹配以及信號(hào)濾波功能，F(xiàn)FT變換實(shí)際上完成了載頻搬移和卷積濾波兩個(gè)過程，即將有載頻的信號(hào)搬移到零頻率后再用低通濾波器得到所需信號(hào)，由于采樣存在偏差需要數(shù)字化整體解調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)突發(fā)信號(hào)的捕獲、時(shí)鐘同步和載波同步。

目前，多載波整體解調(diào)器能夠?qū)崿F(xiàn)最多112路突發(fā)信號(hào)同時(shí)解調(diào)，支持符號(hào)速率32K-8Msps。

2　星狀網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

星狀拓?fù)涞膸Y(jié)構(gòu)如圖1所示，前向載波由中心站發(fā)送，遠(yuǎn)端站接收，返向載波組由遠(yuǎn)端站發(fā)送中心站接收。

前向載波由于沒有時(shí)隙的競(jìng)爭(zhēng)問題，突發(fā)越長(zhǎng)效率越高，因此前向載波的幀結(jié)構(gòu)按照效率最優(yōu)的原則自動(dòng)生成，返向載波的幀結(jié)構(gòu)可按照實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行配置。

前向載波中設(shè)計(jì)參考突發(fā)，用于中心站向遠(yuǎn)端站發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信息和控制信息，同時(shí)用于遠(yuǎn)端站的接收鏈路的調(diào)整；返向載波組中設(shè)計(jì)測(cè)距突發(fā)和申請(qǐng)突發(fā)，測(cè)距突發(fā)用于遠(yuǎn)端站的發(fā)送鏈路的初始調(diào)整，申請(qǐng)突發(fā)用于遠(yuǎn)端站的控制信息上報(bào)和發(fā)送鏈路的同步保持。

圖1　星狀拓?fù)鋷Y(jié)構(gòu)

3　星狀網(wǎng)同步控制技術(shù)

同步控制包括定時(shí)控制、頻率控制和功率控制。

在星狀拓?fù)湫l(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)圖1設(shè)計(jì)的的幀結(jié)構(gòu)，中心站和遠(yuǎn)端站均沒有自發(fā)自收閉環(huán)調(diào)整的能力。所以中心站采用固定定時(shí)同步方案，遠(yuǎn)端站采用中心站輔助定時(shí)同步方案。

將中心站的收發(fā)時(shí)間進(jìn)行直接關(guān)聯(lián)，不進(jìn)行調(diào)整，中心站按照嚴(yán)格的時(shí)間關(guān)系進(jìn)行發(fā)送和接收，并將中心站的信號(hào)往返時(shí)延（ Round Trip Time，RTT） RTTm在參考中下發(fā)到遠(yuǎn)端站。遠(yuǎn)端站的接收時(shí)間通過中心站的參考突發(fā)進(jìn)行調(diào)整，完成接收支路的時(shí)間同步；遠(yuǎn)端站根據(jù)RTTm和本站的信號(hào)往返時(shí)延RTTs計(jì)算本站的發(fā)送時(shí)間，在測(cè)距時(shí)隙發(fā)送測(cè)距突發(fā)，中心站接收該突發(fā)后，提取誤差信息，并在參考突發(fā)中下發(fā)，輔助遠(yuǎn)端站進(jìn)行發(fā)送時(shí)間的調(diào)整，完成全網(wǎng)的定時(shí)同步。如圖2所示，遠(yuǎn)端站在t1時(shí)刻發(fā)送第N幀突發(fā)，在t5時(shí)刻接收第N幀突發(fā)，中心站在t3時(shí)刻進(jìn)行第N幀突發(fā)的發(fā)送和接收，即遠(yuǎn)端站的第N幀突發(fā)的發(fā)送比接收提前中心站RTTm和遠(yuǎn)端站RTTs之和。

功率控制分為三部分完成，中心站初始功率控制，遠(yuǎn)端站功率控制和中心站組網(wǎng)功率控制。

中心站在遠(yuǎn)端站入網(wǎng)前，使用前向載波進(jìn)行自發(fā)自收，調(diào)整本站的發(fā)送電平和接收衰減，完成中心站的初始功率控制，本階段完成后，進(jìn)行中心站組網(wǎng)功率控制，不再進(jìn)行自發(fā)自收。

遠(yuǎn)端站的功率控制通過主站輔助反饋式控制調(diào)整方式。遠(yuǎn)端站根據(jù)接收中心站前向載波上的參考突發(fā)，調(diào)整本站的接收衰減，完成調(diào)整后，在返向載波組上發(fā)送測(cè)距突發(fā)，中心站接收測(cè)距突發(fā)后，根據(jù)接收測(cè)距突發(fā)狀態(tài)，在參考突發(fā)中向遠(yuǎn)端站反饋其發(fā)送電平的調(diào)整信息，遠(yuǎn)端站根據(jù)調(diào)整信息進(jìn)行本站的發(fā)送電平的調(diào)整。在遠(yuǎn)端站入網(wǎng)后，中心站根據(jù)其發(fā)送申請(qǐng)的狀態(tài)，反饋調(diào)整信息。

圖2　星狀拓?fù)涠〞r(shí)關(guān)系示意圖

中心站在完成組網(wǎng)后，需要根據(jù)遠(yuǎn)端站在申請(qǐng)中上報(bào)的接收參考信噪比調(diào)整本站的發(fā)送電平。由于遠(yuǎn)端站的能力不同，其接收參考信噪比差異較大，統(tǒng)計(jì)所有遠(yuǎn)端站的申請(qǐng)中上報(bào)的收參考信噪比，如果有超過設(shè)定數(shù)量的遠(yuǎn)端站的收參考信噪比低于最低門限值，則增大中心站的發(fā)送電平，如果有超過設(shè)定數(shù)量的遠(yuǎn)端站收參考信噪比高于最大門限值，則降低中心站的發(fā)送電平，完成中心站的發(fā)送功率的調(diào)整。其流程如圖3所示：

圖3　星狀拓?fù)涔β士刂屏鞒虉D

由于星狀拓?fù)湫l(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的前向鏈路和返向鏈路隔離，所以對(duì)前向鏈路和返向鏈路的頻率分別進(jìn)行控制。前向鏈路以中心站的發(fā)送頻率為基準(zhǔn)，遠(yuǎn)端站根據(jù)接收參考突發(fā)的狀態(tài)調(diào)整本站的接收頻偏；返向鏈路以中心站的接收頻率為基準(zhǔn)，中心站根據(jù)接收遠(yuǎn)端站的突發(fā)狀態(tài)，提取遠(yuǎn)端站的發(fā)送頻偏，并在參考突發(fā)中下發(fā)，輔助遠(yuǎn)端站進(jìn)行發(fā)送頻偏的校正。

4　中心轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

星狀拓?fù)湫l(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中遠(yuǎn)端站之間沒有直接互通的信道，為解決星狀網(wǎng)下各遠(yuǎn)端站間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)互通的問題，設(shè)計(jì)了星狀網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)中心交換與信道分配方法，基于業(yè)務(wù)流劃分與標(biāo)記、雙向時(shí)隙申請(qǐng)分配、業(yè)務(wù)流中心轉(zhuǎn)發(fā)三個(gè)主要過程，現(xiàn)了星狀網(wǎng)全網(wǎng)業(yè)務(wù)互通。主要方法和流程如下：

（1）小站根據(jù)自身業(yè)務(wù)量和業(yè)務(wù)類型申請(qǐng)返向轉(zhuǎn)發(fā)（目的站為小站）與非轉(zhuǎn)發(fā)的（目的站為中心站）的時(shí)隙，并分別提出申請(qǐng)；

（2）中心站接收申請(qǐng)并分配時(shí)隙。對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)隙，中心站同時(shí)分配前向信道和返向信道時(shí)隙；對(duì)小站非轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)隙僅分配返向信道時(shí)隙；對(duì)中心站自身業(yè)務(wù)，僅分配前向信道時(shí)隙；

（3）中心站將時(shí)隙分配結(jié)果通過參考下發(fā)到小站；

（4）小站獲得對(duì)應(yīng)時(shí)隙后，標(biāo)記業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的真實(shí)目的地址。在屬于自己的時(shí)隙內(nèi)，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包按返向載波突發(fā)長(zhǎng)度組成TDMA突發(fā)向主站進(jìn)行發(fā)送；

（5）主站并行解調(diào)返向載波組內(nèi)多條TDMA載波，接收各小站數(shù)據(jù)，并將目的站標(biāo)記為為其他小站的待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，送入待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)緩存；目的站為自身的送往接口輸出；

（6）中心站在每類業(yè)務(wù)分配的時(shí)隙到來(lái)時(shí)，將真實(shí)源地址標(biāo)記到數(shù)據(jù)包內(nèi)，并分別組包發(fā)送對(duì)應(yīng)類別的突發(fā)數(shù)據(jù)。

（7）小站收到主站業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)后，根據(jù)標(biāo)記的真實(shí)源地址識(shí)別出該數(shù)據(jù)為其他小站發(fā)送的還是中心站發(fā)送的，并按此解析數(shù)據(jù)完成通信。

5　結(jié)束語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于MF-TDMA 體制的星狀拓?fù)湫l(wèi)星網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)基于多載波整體解調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中心站的接收能力的提升，在不影響系統(tǒng)返向傳輸總?cè)萘康那闆r下，降低了單條載波的速率，有效降低遠(yuǎn)端站站型能力要求。給出了幀結(jié)構(gòu)、同步控制實(shí)現(xiàn)方式和遠(yuǎn)端站基于中心轉(zhuǎn)發(fā)的互通方式，解決了遠(yuǎn)端站能力差異較大時(shí)的組網(wǎng)互通問題。特別適用于遠(yuǎn)端站站型能力受限的廣播分發(fā)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：

張方明（1985—），男，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生，現(xiàn)供職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所衛(wèi)星通信與廣播電視專業(yè)部，主要從事衛(wèi)星通信技術(shù)研究。