基于改进MF-TDMA的临近空间通信网协议设计与仿真

吴翔宇，廖育荣，倪淑燕

(中国人民解放军装备学院 光电装备系，北京　101416)



基于改进MF-TDMA的临近空间通信网协议设计与仿真

吴翔宇，廖育荣，倪淑燕

(中国人民解放军装备学院 光电装备系，北京101416)

临近空间通信系统作为无线通信新的分支面临着为混合业务提供支持的问题，为此需要设计一种高效的多址接入协议以满足复杂的通信需求；在多频时分多址接入(MF-TDMA)协议的基础上提出了一种改进协议，通过对帧时隙进行功能划分，提出了固定时隙段加动态时隙段的设计，实现了对不同类型、不同速率业务的支持；利用OPNET仿真软件进行了系统建模和协议性能仿真，仿真结果验证了协议设计的合理性和有效性。

临近空间通信系统；多频时分多址；接入协议；OPNET仿真

本文引用格式：吴翔宇，廖育荣，倪淑燕.基于改进MF-TDMA的临近空间通信网协议设计与仿真[J].兵器装备工程学报，2016(8):131-136.

临近空间通信系统是近年来受到广泛关注的新兴通信系统，它以高空通信平台为核心，配备一定数量的通信设施，工作在距地面17～22 km处，提供高速率大容量的通信服务[1]，具有费用低、部署快、组网灵活、抗毁性强、全天候工作能力以及区域性应用优势等诸多优点[2]，适用于应急通信及中等规模的军事通信。作为无线通信系统新的分支，临近空间通信系统将多种业务综合到一个网络中，同时支持语音、数据、视频、图像等业务的传输[3]，具备实现面向综合业务的点对多点通信能力。为此需要设计一种高效的多址接入协议，在保证服务品质(QoS)的同时实现多种业务的支持。本文在多频时分多址接入(MF-TDMA)协议的基础上提出了一种固定时隙段加动态时隙段的多址协议设计，在为用户提供最低业务保障的同时通过充分复用动态时隙实现对高比特率业务的支持。

1　基于MF-TDMA的上行多址接入协议设计

多频时分多址接入(MF-TDMA)是混合多址技术的一种，它将FDMA和TDMA相结合，通过在时间维度和频率维度上的综合调度实现资源的灵活分配[4-5]。MF-TDMA作为宽带多媒体卫星通信系统中的主流上行体制，能够根据不同类型的终端和不同需求的业务灵活分配不同速率的载波和时隙资源，从而实现对多用户、多业务和多种速率带宽要求的灵活支持[6]。在宽带卫星通信系统中，MF-TDMA的引入主要是为了解决TDMA体制系统扩容不方便和大、小口径地球站混合组网能力不足的问题[7]，通过配置带宽、速率不同的载波来实现不同口径的地球站的混合接入。

临近空间通信系统在系统结构和组成上与宽带卫星通信系统存在一定相似性，在用户构成和业务类型上也面临支持多用户、混合业务传输的问题，因此本文在传统MF-TDMA协议基础之上提出了一种固定时隙段加动态时隙段的上行MF-TDMA设计。新的协议具备动态时隙分配的功能，适用于负载较重、传输混合业务和实现复杂功能的网络[8]，其帧结构设计如图1所示。

系统以超帧为基本单位循环，一个超帧划分为m个帧，对应m个子载波(F0～Fm-1)，子载波可以根据网络内用户具体的数量、收发能力、类型等按需设置速率，也可以不对子载波速率进行区分。在一帧之内划分n个子帧(T0～Tn-1)，每子帧长16 ms，一个时帧长n×16 ms，这样，m个子载波共n×m个子帧。子帧内的时隙划分分为固定时隙段和动态时隙段，固定时隙段作为节点的专有时隙固定分配给用户，为用户提供最低业务保障，实现控制信息、语音业务和低速率数据业务的传输；动态时隙段则由全网用户竞争使用，用户发送动态时隙申请，系统按照一定的时隙分配算法为用户分配动态时隙，实现对中等数据率和高数据率综合业务的支持。子帧编号按照“载波号_帧号”唯一确定，如F0_T1子帧提供用户1的接入服务。系统支持的总用户数目为n×m-1。以F0载波内的n个子帧为例，具体子帧结构如图2所示。

图1　改进的MF-TDMA帧结构

图2　子帧时隙划分

每个子帧分为16个时隙，每时隙长1 ms，按TS-0至TS-15编号。其中，TS-0至TS-4共5个时隙为固定时隙，即用户专用时隙，保证用户的时敏业务、周期性上报数据、低速数据和信令信息的传递。TS-5至TS-15为动态时隙，按需分配，主要保证高速业务(图像业务、视频业务等)的传递。考虑临近空间通信网终端用户的特殊性以及军事通信的特殊性(终端需要周期性上报遥测信息或位置信息)，在传统控制时隙的基础上将固定时隙段划分为3类时隙，各类时隙负责实现不同的功能。

第1类为用户专用控制时隙，占据TS-0，用于各类控制信息的传送。包括测距突发、管理应答、与中心站间的控制信息等。这类信息多为信令信息，数据量较小，且为按需发送，因此分配一个时隙。另外，用户的动态时隙申请也在专用控制时隙内发送，每经过一个时帧周期，用户可按需发送动态时隙申请。

第2类为用户周期性上报时隙，占据TS-1和TS-2，用于各类用户周期性数据到中心站的传送。对高速移动用户(如飞机、导弹等)而言，该时隙用于上报周期性遥测数据；对其他用户而言，该时隙用于上报用户位置变化信息，保证系统对各类用户状态的实时感知。这类信息或为周期性信息，或为时敏信息，相比普通业务更加重要，因此分配两个时隙，确保这类信息的高QoS。

第3类为用户低速业务时隙，占据TS-3和TS-4，用于低速业务(语音、IP数据等)的传递。用户通过这两个低速业务时隙实现一定数据率的低速业务传输。

实际上，固定时隙段的个数、作用等可以根据网络的实际情况进行更改，例如将固定时隙段中的一部分作为视频业务的预留时隙，当用户有视频业务产生时预留时隙优先用来传输视频业务，以保证视频业务稳定的周期性[3]等等。

TS-5至TS-15共11个时隙为动态时隙，用户通过申请获得，用于大容量高数据率需求的业务传输。系统在每一子帧结束时按照一定的策略对该子帧内收到的动态时隙申请作出分配，以保证动态时隙的最大化利用。

在上述划分中，通过时隙TS-0的设置完成了控制信道的部分功能，除此之外系统之中还应当有一个特殊的控制信道，用作处理用户的入(退)网申请。入(退)网申请不同于动态时隙申请，系统对入(退)网申请作出反应，判决接收入网或拒绝入网。这一特殊的信道表现在帧结构中就是一个特殊的帧，称之为公用接入控制帧。该帧位于F0载波的第一个子帧，其位置如图1所示(帧结构左下角)。

在公用接入控制帧内，用户发送入网申请。公用接入控制帧的时隙划分如图3所示，其时隙划分可以按照16个时隙的划分，也可以划分出更多的微时隙，理论上当微时隙数目越多时，用户入网申请的碰撞概率就越小。入网申请以接入突发的格式在时隙内发送。系统在接收到接入申请后，查看时隙分配表CAL(Channel Allocation List)，若还有信道资源可供分配，则允许用户入网，向其分配某帧中的固定时隙段，用户入网成功，同时为其分配ID、帧号，用户获得固定时隙。若查看CAL后发现当前已没有信道资源可供分配，则用户入网请求失败，在执行退避后，将重新发起申请。用户在公用接入控制帧内的信令交互过程基于ALOHA的方式进行。

图3　公用接入控制帧时隙划分示意图

2　基于OPNET的仿真建模及结果分析

OPNET是一款功能强大的网络仿真软件，它采用分层建模的方式实现网络建模和仿真[9-11]。本文利用OPNET仿真软件建立了临近空间通信系统模型并对文中提出的上行MF-TDMA协议性能进行了仿真验证。主要考察了系统时延、低速业务和高速业务的传输性能以及协议中时帧设计及时隙段功能划分的合理性和有效性。

2.1网络模型及参数设置

网络模型及拓扑结构如图4所示。系统由中心站节点、临近空间平台节点(飞艇)和地面用户节点组成，网络覆盖采用蜂窝网络，为简化模型，仅设置7个宏蜂窝，由平台节点上的多波束天线产生，蜂窝之间采用空分复用(SDMA)方式。中心站节点实现网络管理功能，包括用户的入、退网控制，载波和时隙的分配等等，临近空间平台节点主要实现中继转发功能。用户节点模拟实际用户实现信息交互，其编号采用“飞艇号_波束号_节点号”的方式，例如“a1_b1_node1”表示飞艇a1下第一个波束(小区)覆盖范围内的节点1。仿真参数配置如表1所示。

图4　网络模型

仿真参数值仿真参数值超帧长/帧长128ms时隙长1ms载波数/帧数10单载波速率614kbps单载波子帧数8载波总速率6.1Mbps子帧总数80单时隙支持速率4.8kbps时隙数16系统用户数553固定时隙数5上行体制MF-TDMA动态时隙数11下行体制TDM每小区用户数79

仿真过程中系统采用MF-TDMA/TDM体制，利用平台上的再生式转发器，下行将上行链路的多个窄带载波合成一个高速TDM宽带载波，通过TDM，对单载波进行调制，作为下行链路信号转发给终端。

2.2仿真场景设置及结果分析

2.2.1接入时延

仿真目的：在单个小区内分别对多个节点接入的过程进行仿真，统计入网信令接入时延，验证时帧设计是否能支持高效率的节点接入过程。

场景设置：设置3个场景，发起入网申请的节点数目分别为10个、79个和100个。统计10个、79个节点的接入时延以及3个场景的接入时延对比。

仿真结果：对节点的接入时延进行统计，接入时延是指上层申请报文从进入节点MAC层开始，到申请报文离开MAC层发送到物理信道为止，仿真结果如图5所示。

从图5(a)可以看出，10个节点入网时，对10个节点接入时延做平均，结果在64 ms左右波动。这是因为根据时帧设计，公共接入控制帧每128 ms来到一次，节点仅在控制帧到来时发送接入申请，然而入网申请报文产生时间是随机的，若此时控制时隙没有到来，报文将不能发送。节点在一个超帧内产生的入网申请报文平均排队等待时间为超帧长度的一半，即64 ms，仿真结果与分析相符。

图5(b)显示的是79个节点同时入网的时延。仿真结果显示，79个节点平均接入时延与10个节点接入时延相比并没有增加。这是因为79个节点数目仍然在网络所支持的固定用户数量范围内，飞艇对每一个节点的入网申请回复都是允许入网，节点的接入时延不会增加。

图5(c)是10、79和100个节点同时入网的接入时延对比图。结果显示，当有100个节点申请入网时，其接入时延先在较短的一段时间内维持在64 ms左右，随后不断增大，远远超过64 ms的数量级。这是因为100节点数目已经超过网络所支持的用户数量，当100个节点中的79个节点陆续入网之后，飞艇下发拒绝申请包，告知节点拒绝接受入网申请。对节点而言，未发送的入网申请报文将在MAC层积累无法发送，导致接入时延统计结果持续增大。

图5　接入时延仿真结果

2.2.2低速数据通信

仿真目的：对用户利用固定业务时隙进行低速率业务通信的功能进行验证。

场景设置：在同一飞艇a1覆盖范围内，仿真不同小区的用户之间数据通信业务，以b1_node1、b6_node9节点和b3_node4、b6_node10两对节点间的双向通信为例。业务配置为均值9.6 kbps的低速语音业务。

仿真结果：仿真结果如图6所示。图6(a)是b1_node1节点发送数据率和b6_node9节点接收数据率；图6(b)是b1_node1节点接收数据率和b6_node9节点发送数据率。可以看出，在仿真时间内，两个节点的发送、接收数据率均维持在9.6 kbps左右，说明不同小区间的固定用户能够通过固定时隙建立有效的低速数据链路，系统具备低速业务通信的能力。b3_node4、b6_node10节点的仿真结果与此相同。

图6　固定用户间低速通信仿真结果

图7显示的是仿真过程中对时隙申请及获取过程和时隙占用情况的打印。这里仅给出了b1_node1节点的结果，b6_node9节点的时隙申请及占用过程与此相同。

图7(a)是仿真过程中节点与ID的对应图。OPNET在仿真过程中会自动为节点分配ID号，其对应关系需要在仿真窗口查看。图7(a)可以看出b1_node1节点对应的ID分别为3。图7(b)是仿真开始后各个节点的入网及时隙申请过程，节点在每一个公共控制帧到来时发送入网申请，然后在获取的固定时隙中的0号时隙发送动态时隙申请。公共控制帧每0.128 s到来一次，持续0.016 s，可以得出公共控制帧的到来时间依次为0.001-0.016 s、0.128-0.144 s、0.256-0.272 s、0.384-0.400 s、0.512-0.528 s往后类推，图中b1_node1、b3_node4、和b6_node10申请固定时隙的时间均落在公共控制帧到来的时间段之内，证明了公共控制帧设计的有效性。

图7(c)是b1_node1节点的时隙占用情况，运用OPNET的打印功能显示。可以看出它获取了该小区内的F0-T1子帧。打印结果中的时隙号0～15对应时帧设计中每个子帧的时隙划分，其中0～4号为固定时隙，5～15号为动态时隙。打印结果中每个时隙号冒号后面的数字表示当前该时隙是由哪个节点占用的，-1表示未占用。可以看出，仿真过程中，b1_node1节点占用了所获得子帧中的固定时隙，这与本文第2节关于时隙功能的设计相吻合。除此之外，节点还申请了一个动态时隙，这是由于实际业务包速率大于9.6 kbps，为了避免信息累积，系统为节点优先分配了同一子帧中的动态时隙。

图7　固定用户间低速通信时隙占用情况打印

2.2.3高速数据传输

仿真目的：验证用户进行高速数据传输时，申请动态时隙以实现4 Mbps的传输数据率。即验证系统能否支持高速业务的传输。

场景设置：以小区b1为仿真场景，仅激活b1_node1节点。仿真开始后节点b1_node1产生图像数据上传需求，通过申请并获得动态时隙以实现4 Mbps的数据率。仿真开始后，对节点b1_node1的发送数据率进行统计，并打印时隙占用情况表。

仿真结果：仿真结果如图8所示。图8(a)是节点b1_node1的发送数据率统计图，仿真开始后第100 s节点产生大容量数据，数据率为4 Mbps，并维持至仿真结束，证明系统能够支持高达4 Mbps的高速业务传输，验证了系统对高速业务的支持。

图8(b)是b1_node1节点在仿真开始后的接入及动态时隙申请过程，可以看出节点在仿真开始100 s后申请动态时隙，根据业务量大小共申请829个动态时隙，几乎占据了时隙资源块中的全部动态时隙，动态时隙的位置从F0-T1开始一直到F9-T5，这与设计和理论分析相符。图8(c)和(d)是仿真过程中的时隙占用情况打印图，由于一个小区内存在80个子帧，无法全部打印，在此仅打印了部分占用情况。从图中可以看出，F0频率和F3频率内的所有动态时隙均被ID3号节点即节点b1_node1占用，而固定时隙则未占用，证明系统能够通过分配动态时隙实现对高速大容量业务的支持，从而验证了时帧结构设计和时隙分配合理有效。

图8　高速数据传输仿真结果

3　总结

临近空间通信系统作为新兴的无线移动通信系统，势必会受到越来越多的关注和研究。在面向多用户混合业务传输需求的背景之下，本文提出了一种改进的MF-TDMA协议，该协议通过固定时隙段的设计保证了用户的最低传输性能，实现了对低速业务的支持；通过动态时隙段的充分复用实现了对高速业务的支持。不同时隙段的划分将业务分离，降低了不同类型业务的接入碰撞，提高了信道利用率。最后通过OPNET完成了系统建模和协议性能仿真，仿真结果表明新的协议能够按照设计实现从超帧到帧再到时隙不同层次的功能，系统支持不同类型、不同速率业务的传输，验证了协议设计的合理性和有效性。

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(责任编辑杨继森)

Access Protocol Design and OPNET Simulation of Near Space Communication System Based on MF-TDMA

WU Xiang-yu, LIAO Yu-rong, NI Shu-yan

(Department of Photoelectricity Equipment, Equipment Academy of PLA, Beijing 101416, China)

As a new branch of wireless communication system, near space communication system faced the problem of providing support for multi services, therefore, it is necessary to design an efficient multiple access protocol to meet the complex communication needs. An improved protocol based on multi-frequency division multiple access (MF-TDMA) was proposed, by dividing the time slots in two different parts, the design of fixed slots segment and the dynamic slots segment were proposed, which realizes the protocol well supports of the mixed services of different types and different rates according to different fuctions. OPNET simulation software was used to finish the system modeling and protocol performance simulation, and the simulation results verify the rationality and effectiveness of the protocol design.

near space communication system; MF-TDMA; access protocol; OPNET simulation

2016-02-18；

2016-03-19

吴翔宇(1991—)，男，硕士研究生，主要从事无线通信网络研究。

10.11809/scbgxb2016.08.030

format:WU Xiang-yu, LIAO Yu-rong, NI Shu-yan.Access Protocol Design and OPNET Simulation of Near Space Communication System Based on MF-TDMA[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):131-136.

TN925.93

A

2096-2304(2016)08-0131-06

【信息科学与控制工程】