TDMA星狀網綜合業務中心交換與信道分配方法研究

中國電子科技集團公司第五十四研究所 劉 雯

0 引言

星狀組網模式中，小站只和中心站互通，小站之間的業務數據需要通過中心站進行轉發，如果由業務中心來進行這一轉發過程，會提高業務系統的復雜性，還會增加業務系統與衛星系統之間的交互，不利于維護系統的靈活性；反之，如果在通信系統內部實現業務轉發的過程，就需要設計一個簡單可靠的方式在業務中心完成數據交換，并且此方案必須考慮前向信道資源分配的問題，合理分配轉發業務數據與中心站自身業務數據所占的信道資源。

本文介紹的TDMA星狀網綜合業務中心交換與信道分配方法以MF-TDMA（多頻時分多址）技術為基礎，將MF-TDMA系統中心站的發送載波特例化為一條由中心站獨享且可以被所有小站接收的TDM載波，而小站發送的低速返回業務載波組由中心站采用多載波解調技術統一接收，并且多個時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能力，在保證中心站高速廣播發送的同時，保持了TDMA體制綜合業務傳輸的優點。

1 MF-TDMA衛星通信體制

1.1 MF-TDMA多頻時分多址技術技術

MF-TDMA是一種基于頻分和時分結合的二維多址方式，利用逐時隙載波跳變發送和接收、速率捷變和虛路由尋址等相結合技術，可實現地球站間靈活組網以及面向話音、數據、視頻等綜合業務的點對多點通信[1]。MF-TDMA在衛星通信靈活組網和支持綜合業務傳輸方面具有明顯的優勢，適合不同規模衛星通信網絡的應用。

圖1 MF-TDMA信道結構

1.2 TDMA星狀網系統的基本原理

TDMA星狀網內存在兩種信道資源，小站發往中心站的載波組資源，稱為返向信道；中心站發往小站的載波資源，稱為前向信道。小站發往中心站的返向TDMA系統數據，通過小站提出業務申請，中心站根據申請分配信道資源后，在參考中下發時隙分配計劃（TDMA幀計劃），最后由小站執行該幀計劃，在各自分配的時隙段內收發突發數據完成。中心站收到返向信道數據后，接收本站數據的同時，將返向數據中需要轉發的數據和自身的業務數據發往前向信道。前向信道雖然完全由中心站使用，但為了實現小站間業務互通和小站廣播，需要在信道資源分配時，統一分配，將部分前向時隙資源用于轉發小站的業務數據，實現前向數據發送。

2 綜合業務中心交換體制設計

本文主要研究了衛星通信系統內部自行完成中心交換的業務傳輸和資源分配方法。通過業務流分類和標記，統一的雙向資源申請分配和中心按標記交換的控制過程，可以完成星狀網中心交換傳輸，實現業務數據的全網互通和廣播。

2.1 業務流分類和標記

各站收到業務數據后，首先需要進行業務流分類緩存，業務數據被劃分為六種業務數據流：小站發往小站的實時數據、小站發往小站的非實時數據、小站發往中心站的實時數據、小站發往中心站的非實時數據、中心站發往小站的實時數據、和中心站發往小站的非實時數據。在每個業務數據包進行TDMA組包過程中，可通過在分組頭內記錄源、目的站地址來標記。其中，各站要發送的廣播數據按照小站發往小站或中心站發往小站的數據進行分類緩存，目的地址標識為廣播地址。

2.2 資源申請與分配

2.2.1 各站的申請類型

各站將收到的六類數據分隊列緩存后，根據TDMA系統基本時隙申請方法計算信道資源需求。實時類業務流根據實時業務的參數配置計算TDMA時隙申請量，非實時類業務流根據緩存區內緩存量計算TDMA時隙申請量。各站申請計算完畢后產生四類申請發送到中心站：小站發往小站的實時數據申請RtRR、小站發往小站的非實時數據申請RtRU、小站發往中心站的非實時數據申請RtCU和小站發往中心站的實時數據申請RtCR。中心站自身還會產生兩類申請：中心站發往小站的實時數據申請CtRR和中心站發往小站的非實時數據申請CtRU，這兩類申請直接通過中心站內部數據變量進行記錄。

2.2.2 中心站的信道分配規則

中心站將所有小站和自身各類時隙申請匯總后，按照設定的分配規則對時隙進行分配，默認的分配規則包括：實時類申請優先于非實時類申請、主站自身的申請優先于小站的申請、小站發往小站申請優先于小站發往主站申請。

每種業務申請分配時，將各自分解為對前向和返向兩種信道資源的實時和非實時時隙需求，在兩種信道資源內各自獨立分配：實時類申請采用先到先服務原則進行分配，非實時類申請則采用加權平均的方式，各站公平競爭實時時隙分配完畢后的剩余時隙。

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隙的TDMA幀計劃發往小站，供小站業務發送數據時按對應類別使用。小站按照返向信道TDMA幀計劃發送的數據到達中心站后，中心站讀取數據分組中標記的實際目的站地址，將突發數據分組中實際目的地址為中心站自身的，直接送往接入處理并輸出；將實際目的站地址為小站的，轉發回前向信道，廣播給小站接收；將實際目的站為廣播地址的，同時進行以上操作，實現全網廣播。小站接收來自中心站轉發或直接發送的業務數據前向載波，并提取突發數據分組中標記的真實源地址，通過實際源地址區分收到的突發數據中哪些來自于主站轉發，哪些來自于小站發送，并將這一信息連同數據包本身送往接入處理進行輸出，完成整個方法全過程。

圖2 控制過程流程圖

3 實施過程

中心站的業務流均為發往小站的數據，根據話音、同異步數據對應實時業務、IP數據對應非實時業務的分類方式分類；小站的業務流根據目的站類型和實時性進行分類（見2.2.1節）。

中心站按照設定的分配規則（見2.2.2節），對六種業務申請按照CtRR→RtRR→RtCR→CtRU→RtRU→RtCU的順序進行時隙分配。每種業務申請分配時，將各自分解為對前向和返向兩種信道資源的實時和非實時時隙需求，在兩種信道資源內各自獨立分配。

時隙分配時，將各類時隙統一化對前向和返向兩種信道資源需求，對應關系如下：CtRR統一化為對前向信道的實時申請；RtRR統一化為對前向和返向信道的實時申請；RtCR統一化為對返向信道的實時申請；CtRU統一化為對前向信道的非實時申請；RtRU統一化為對前向和返向信道的非實時申請；RtCU統一化為對返向信道的非實時申請。

前向信道和返向信道在六類申請統一化處理后，各自獨立分配。

對RtRR和RtRU業務來說，返向信道分配時，需使用前向信道的分配結果，使得返向信道分配量不大于前向信道分配量，避免中心站轉發過程出現堵塞。分解到前向或返向信道內實時類申請采用先到先服務分配原則；非實時類申請則采用加權平均的方式，各站公平競爭實時時隙分配完畢后的剩余時隙。

通過以上具體步驟，在TDMA星狀網系統中實現了本方法的全過程。

4 結束語

采用基于業務流分類和標記的中心交換方法及雙向信道資源申請和分配方法，可以使綜合業務中心數據交換和信道分配簡單可靠，易于實現。并且可對衛星鏈路上傳輸的綜合業務數據提供一定程度的服務質量保證能力，滿足不同應用需求。