一种MF-TDMA卫星通信混合拓扑网络分析

郝学坤

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

MF-TDMA卫星通信体制具有组网灵活、信道资源颗粒度小且分配灵活等优点，支持面向用户和节点的话音、数据及视频等综合业务传输，能够基于各类业务组建星状、网状虚拟网络或多个重叠虚拟网，已成为网络化卫星通信发展的主流。但随着网络规模的增大和各种能力地球站种类的增多，单一物理网状或物理星状网络拓扑结构难以适应各种复杂多样化应用需求。由多个独立的星状网络和网状网络构成的联合卫星通信系统在网络管理、资源调配、组织应用及业务服务质量等多个方面处理复杂，系统运行管理难度大。提出并设计了一种基于MFTDMA体制的一体化星状、网状混合拓扑结构的网络，结合设计的帧结构，分析了同步控制、载波与时隙配置以及信道资源管理等关键技术，并给出了相应解决方法。

1 混合网络拓扑结构

星状、网状混合网络拓扑结构如图1所示，由多个星状和一个网状构成。

图1 星型网状混合网络拓扑结构示意

网状网中的任意节点可兼作另一星状网络的中心，星状网中的小站可以通过该中心与网状网中的节点实现业务互通，也可以通过网状网与另一星状网中的小站业务互通。在星状、网状混合拓扑网络中，仅配置一个管理控制中心，负责对网络和所有站的管理和控制。整个卫星网络可以看作由网状节点组成的核心网和星状网组成的接入网共同构成的一个一体化系统。

该种混合网络拓扑结构特别适用于由多类能力差异较大的地球站构成的卫星通信系统中，如2.4 m站、1.8 m站、1.2 m站、0.5 m站和0.3 m站等系统中将2.4 m站、1.8 m站和1.2 m站构成网状网，0.5 m站、0.3 m站和网状网中的2.4 m站或1.8 m站构成一个或多个星状网。

2 MF-TDMA混合网关键技术

2.1 帧结构设计

MF-TDMA混合拓扑网络的多载波帧结构设计如图2所示，所有载波分为网状网载波和星状网载波。星状网小站仅使用星状网载波发送突发信号，网状节点站仅在网状网载波发送突发信号。主站和作为星状网中心的网状网节点站在接收分配的网状载波的同时，可根据需要接收一个或多个星状网载波。星状网小站根据载波规划接收其中的一个网状网载波。网状网节点站终端需要配置2个解调器，而星状网小站仅需配置一个解调器。

图2 帧结构及载波配置示意

将网状网载波中的一个设置为主载波，主载波上划分时隙类型包括参考时隙、申请时隙和数据时隙，其他载波上时隙为数据时隙。所有地球站都要接收主站在参考时隙内发送的参考突发信号，用于全网统一定时、信道资源分配和网络管理等。网状网节点站在主载波的申请时隙内发送申请突发，用于信道资源申请及状态上报等。星状网载波时隙包括申请时隙和数据时隙。

2.2 同步控制技术

同步控制包括定时控制、频率和功率控制等。在MF-TDMA混合拓扑卫星通信网络中，根据图1设计的的帧结构，全网各站都接收参考突发信号，因此同步控制可以此为基础采用集中和分布控制相结合的方式进行。由全网主站和各星状网中心站构成联合控制中心，共同实施对各类地球站的同步控制。全网主站提供统一的时间、频率和功率基准，并为各网状节点站提供主站辅助的闭环同步控制。兼作星状网中心的网状节点站为所辖星状网小站提供中心辅助的闭环同步控制。主站或各中心辅助的闭环同步控制方法和流程与传统MF-TDMA卫星通信系统相同。

2.3 信道资源管理技术

混合拓扑网络中信道资源根据载波类型可以分为星状网反向信道资源、网状双向与星状前向共享的信道资源2部分。按照站间通信的类型不同，可分为星状网小站与网状网节点站互通、星状网小站与另一个星状网小站互通以及网状网站间互通等3类。

星状网小站与网状网节点站互通时，星状网小站首先利用星状网载波将业务信息发送到既是该星状网中心又是网状节点的地球站，然后该站将信息通过网状网载波发送到目的网状节点站;网状网节点站发送而星状网小站接收时，直接在星状网小站接收的网状网载波上发送突发信号即可。星状网小站与另一星状网小站互通时，星状网小站首先通过星状网载波将信息发送到该星状网中心站，然后由该星状网中心站将信息发送到另一星状网小站接收的网状网载波上实现业务互通。网状网节点站间互通方法与传统MF-TDMA系统相同。

从地球站间各种互通分类可以看出，星状网小站申请信道资源时涉及星状网载波和网状网载波。首先星状网小站根据业务情况申请相应的星状网载波时隙信道资源，然后由该星状网中心站根据该小站的业务互通情况再申请相应的网状网载波时隙信道资源。由此可以看出，星状网小站与其他站通信时涉及2次信道申请过程，任意一次失败都将建链不成功。

根据上述各站使用信道资源的特点，设计的混合拓扑网络中信道资源分配采用集中控制和分布式控制相结合的分配方法。信道资源分配单元由一个网状网载波分配单元和多个星状网载波分配单元构成。网状网载波分配单元配置在主站，实行集中控制方式;星状网载波分配单元配置在各星状网业务中心站，实现对所辖载波的分配。

星状网小站的信道申请和分配过程示意如图3所示。星状网小站向星状网中心站申请星状网载波的时隙信道资源，中心站查看是否有足够空闲信道，若没有信道则直接拒绝，若有信道则在查看业务流向后向全网主站申请对端站所处网状网载波的时隙信道资源。全网主站为其分配信道后，星状网中心站再为星状网小站分配时隙信道。由此看出，分配过程由星状网中心和全网主站共同完成，建链时间约4跳卫星延时。网状网节点站间互通时，信道申请过程与传统MF-TDMA系统相同，建链时间约2跳卫星延时。

图3 星状网小站信道申请和分配过程示意

3 结束语

星状、网状一体的混合拓扑卫星网相对于由多个独立系统联合构成的网络，在组织管理、信道资源的有效利用、业务服务质量保证等诸多方面有优势。该文设计了一个基于MF-TDMA体制的混合网，给出了帧结构、载波配置与使用方法。特别适用于由多种能力站型构成的较大规模卫星通信系统，可以在一个网内构建核心网和接入网，在充分发挥各站收发能力和保证业务服务质量基础上大大简化各地球站内设备配置和管理。

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