一种自组织VSAT卫星通信系统*

2015-03-25何治平李际平杨伏华吴团峰

通信技术 2015年9期

关键词：话务量损率全网

何治平，李际平，杨伏华，吴团峰

(解放军理工大学通信工程学院,江苏省，南京市，210007)

一种自组织VSAT卫星通信系统*

何治平，李际平，杨伏华，吴团峰

(解放军理工大学通信工程学院,江苏省，南京市，210007)

针对传输话音业务的小型VSAT网络系统，提出了一种基于FDMA/SCPC的无主站自组网方法。在该方法中，网内各站点能力相同、全网状连接，共享业务信道频率资源。站点通过扫描业务信道获取频点实时忙闲信息。当需要通信时，站点通过自发自收测试占用空闲信道，并发起通信申请。介绍了这种自组网方法的网络构成、频率配置和通信过程，并通过Matlab仿真对网络的呼损率、信道利用率等性能指标进行了分析。

VSAT; 自组网; 卫星通信

0 引言

VSAT系统体积小、价格低、使用方便且发展迅速，在国内外得到了广泛应用，其关键技术主要有网络拓扑结构、信号传输、多址连接、信道分配等[1]。当前，包括VSAT在内的卫星通信系统，其网络构成一般包括主站、远端站和卫星转发器[2]，设立主站的目的在于通过主站实现对网络的管理和控制。但是这种包含主站的网络存在一些不足：在稳定性或抗毁性上，这种网络对主站依赖较强，网络不够灵活，一旦主站发生故障或者被摧毁，则全网面临瘫痪；在经济型上，针对一些站点数较少的网络，如果能省去主站，通过VSAT站点的自组网实现基本的网络互联互通要求，会比较经济。

自组织网络，也称为无中心组网，网内不设主站，全网状连接。目前，国内外对此内容研究较少，投入使用的自组织卫星通信系统只有前苏联研发的SPADE系统[3]，文献[4]介绍了一种基于SCPC-TDMA的卫星地面站的无中心组网方法。以上两种方法都需要全网同步，对设备要求高，并且建立通信、申请占用频率较为繁琐。本文提出了一种基于FDMA/SCPC、针对传输话音业务、站点数较少的小型VSAT网络的自组网方法，站点通过扫描和发收占用信道，对设备要求低，通信过程简便。

1 提出一种自组织形式的VSAT卫星通信网

1.1 网络构成

基本条件：采取自组织形式，网内不设主站，站点能力基本相同，全网状链接，数量不超过100个。传输话音业务。考虑到FDMA设备简单、无需全网同步，SCPC适合轻路由[5]，多址方式采用FDMA/SCPC。

图1 VSAT通信系统构成图

信道划分及配置：全网设一条公共信令信道CSC和若干对业务信道。CSC信道采用ALOHA方式，各站点通过CSC以ALOHA争用的方式发送通信申请，并且保持监听CSC的下行信道，若收听到转发的申请信息，证明申请信息发送成功。业务信道根据转发器资源等量划分(即各信道带宽相同)，并且仿照SPADE方式[1]，等间隔配置，划分为高端和低端两个通道群组，各组内的信道成对儿对应，这样做的目的在于分配或者占用信道时，只需从一个群组确定一条信道即可，则另一个群组与之对应的信道也随之确定。如图2所示。

图2 频率配置图

1.2 通信过程

该组网方法中，通信过程建立在站点对业务信道的扫描占用。具体的说，就是站点入网之后，便对所有业务信道进行不间断扫描，实时获取信道忙闲信息。当站点有通信需求时，根据扫描获取的实时信道忙闲信息，如果存在空闲信道的话，则该站点通过自发自收的方式占用空闲业务信道(注意：此时站点只需要在业务信道的一个通道组中占用一个频点，则另一个通道组中对应的频点也随之确定)，并同时发起通信请求。当通信结束或者建立通信失败后，站点放弃对信道的占用，重新回归扫描状态。通信过程如下：

通信申请：

(1)当某站(记为A站)需要与某站(记为B站)通信时，A站首先根据扫描获取的实时信道忙闲信息，若此时没有空闲信道，则通信过程终止；若存在空闲信道，则A站通过自发自收的方式占用空闲业务信道；

(2)于此同时，A站通过CSC以ALOHA方式发送申请通信的信息。需要注意的是，该申请包含两方面信息：一是与B站通信的通信请求，另一个是A站已经占用的业务信道的频点信息。

通信建立：

(1)当A站发送通信请求之后，监听CSC的下行信道，若收到经转发器转发的申请信息，则证明申请信息发送成功。因为所有站点都在监听CSC下行信道，并且各站点能力相同，所以当A站收听到转发的申请信息之后，可以认为被叫站B站也收听到了该信息；

(2)此时，如果B站可以应答A站，则B站通过A站申请信息中告知的业务信道频点，直接通过业务信道回应A站，并随之进行导通测试和通信。如果A站在经过一段时间等待之后(可以设置为300 ms,略长于卫星“一跳”的时间)，没有从业务信道收到B站的应答，则认为B站正在通信或者不在网内，此时A站马上终止此次通信，放弃对业务信道的占用，重新回归扫描信道的状态；

通信结束：

当A站与B站通信结束之后，站点放弃对业务信道的占用，回归扫描信道的状态。当有下次通信需求时，重新按照上述步骤进行。通信过程如图3所示。

图3 通信流程图

2 该组网方法的特点及性能

2.1 组网特点

2.1.1 信令信道CSC负担轻

该办法通过扫描业务信道获取实时忙闲情况。在需要通信时根据扫描结果：如果此时没有空闲信道，则终止通信申请，不会产生呼损；如果有空闲信道，主叫站择机占用一对空闲频点并发起申请。

相比于SPADE方式[3]：主叫站申请通信前首先查看频率忙闲表，选出空闲频率并发送申请，被叫站如果与主叫站通信，必须要通过CSC回应，此时网内各站点根据该信息修改频率忙闲表。当两个站点通信结束之后，还要再次通过CSC告知全网通信结束，使用的业务信道回归空闲状态，全网再次更改频率忙闲表。SPADE方式在CSC上采用的是TDMA方式，而本文的组网办法中，CSC信道采用了ALOHA方式。因此，通过对业务信道的扫描占用，网内各站点无需通过CSC信道获取频率忙闲变化情况，有效地减轻了CSC信道上的负担，一定程度上避免了ALOHA方式因业务量增加造成稳定性下降的缺陷。

2.1.2 有效管理业务信道

有效管理主要体现在避免呼叫过程中业务信道的“锁死”或长时无效占用。当主叫站发出与被叫站通信的申请信息后，因为全网都在监听卫星转发器转发的信令信息，若该信息未经碰撞或经过有限次碰撞，成功通过CSC被转发器转发，当A站监听到转发信息之后，因各站能力基本相同，则可以认为此时被叫站(记为B站)也应收到此信息。此时A站在等待一段时间(比一跳略长即可，如300 ms)后，未收到B站从业务信道的回应，便可认为B站正在通信或者不在网，此次通信无法建立，A站随即撤出对业务信道的占用。此方法避免了信道锁死或长时的无效占用，提高了效率。

2.2 网络性能分析

首先考虑网络呼损率。根据本文提出的组网办法，网内呼损点有两个：一是站点因SCPC通道数有限造成的呼损；二是ALOHA信道因碰撞和误码引起的呼损。因为后者与网内话务量无关，所以只考虑站点的呼损，目的在于找出话务量与呼损之间的关系，进而将呼损率与网络的通道效率联系起来进行分析。

假定系统符合欧兰—B公式的条件，根据欧兰—B公式：

(1)

Ai为网内某站点的话务量，Up为站点配置的SCPC通道数。

接下来考虑网络的通道效率。全网站点总数为N，全网配置的双向话音信道数为Ns，全网总话务量为A，则：

(2)

因为各站点能力相同，可认为站点话务量也相同，所以：

(3)

3 仿真结果及分析

3.1 站点数N与双向话音信道数Ns关系

作为一种组网办法，重点是给出诸如呼损率、通道利用率等性能指标，一定数量的站点应该配置多少条双向卫星话音信道。

取Up=4,B=0.03,

令η=0.6,0.8,1.0,1.5,2.0(e/ch),编写Matlab仿真程序，网内站点数量N为20-100。由下图4仿真结果可知，当站点呼损率B给定的时候，通道效率η越高，站点数量N相同的网络所需要的双向卫星信道数Ns越少。

图4 N 与 Ns的关系

取Up=4,η=1.0(e/ch),

令B=0.003,0.01,0.03,0.05,编写Matlab仿真程序，网内站点数量N为20-100。由图5仿真结果可知，当通道效率η给定时，站点呼损率B越低，站点数量N相同的网络所需要的双向卫星信道数Ns越少。

图5 N 与 Ns的关系

3.2 呼损率B与通道效率η的关系

当话务量A增大的时候，呼损率B与通道效率η都增大，总是希望控制呼损率在一个可以接受的范围内，同时尽可能提高通道效率。

取UP=4 ,由上一步的结果，当站点数N为100时，配置的双向话音信道数Ns=40,50,60,70,80, 编写Matlab仿真程序，站点话务量Ai取值为0.6-2.0e。

由下图6仿真结果可知，对于站点数量N给定的网络，①在相等通道效率η条件下，配置的双向话音信道数Ns越大，呼损率B越大。②在相等呼损率B条件下，配置的双向话音信道数Ns越大，通道效率η越低。

图6 B 与 η的关系

[1] 葛慧娟.军用VSAT网络管理研究及设计[D].西安电子科技大学:西安电子科技大学，2008. GE Hui-juan. Research and Design of Military VSAT Network Management[d]. Xidian University: Xidian University,2008.

[2] 方华,丁科，续欣等.SCPC/DAMA 卫星地球站软件设计与实现[J].通信技术:2010 年第12期，第43卷:26-28. FANG Hua, DING Ke, XU Xin，et al.Software Design and Implementation of SCPC/DAMA Satellite Communication Station.Communications Technology: Vol.43 No.12, 2010: 26-28.

[3] 吕海寰,蔡剑铭，甘仲民等.卫星通信系统[M].北京：人民邮电出版社，1993：P568-576. LV Hai-huan，CAI Jian-ming,GAN Zhong-min, et al.Satellite Communication System[M],BeiJing:People′s Posts and Telecommunications Press,1993: P568-576.

[4] 李娟丽.SCPC一TDMA卫星地面站组网方法的研究及其在Linux系统中的实现[D].北京邮电大学:北京邮电大学，2011. LI Juan-li.Research on the Method of Ground Station Network for SCPC TDMA Satellite Groundstation and Its Implementation in Linux System[D]. Beijing University of Posts and Telecommunications: Beijing University of Posts and Telecommunications,2011.

A Self-Organizing VSAT Network System

HE Zhi-ping，LI Ji-ping，YANG Fu-hua，WU Tuan-feng

(College of Communication Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China)

Aiming at the small VSAT network system for voice-transmission service,a new self-organizing network based on FDMA/SCPC is proposed. In this method, every site is almost equal in capacity, the network in full mesh connection, and the frequency resource of business channel shared by all sites. Each site acquires the real-time information of frequency points through scanning business channel. When communication is required, the site occupies the idle channel by a self- sending and self-receiving test and launches a communication application. The network structure, frequency allocation, and communication process of the self-organizing network are described, and performance index of the network, including call-loss rate, channel utilization, is also analyzed through Matlab simulation.

VSAT; self-organizing network; satellite communication

2015-04-01；

2015-07-25 Received date:2015-04-01；Revised date：2015-07-25

TN927+.2

1002-0802(2015)09-1058-04