应急卫通系统网管信道设计及仿真

班亚明，李斌成，刘永青

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

应急卫通系统网管信道设计及仿真

班亚明，李斌成，刘永青

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

合理的网管信道体制是应急卫星系统实现高效、可靠管理的必不可少的因素。针对应急卫星通信系统的高资源利用率、高传输可靠性和高传输时效性的需求，在综合分析网管信道体制与管理信令基础上，提出了一种多Aloha软件管理方案。该方案将多Aloha技术融入网管软件中，通过中心逻辑识别和载波动态切换实现信息高效传输与资源合理利用。对改进方案传输效果进行了技术分析及仿真，验证了多Aloha软件改造技术的合理性和实用性。

卫星通信；网管信道；TDM/Aloha；载波切换；碰撞率

0 引言

卫星通信系统[1]因其覆盖面积广、通信距离远、业务容量大、架设开通快及不易受地面灾害影响等特点，在应急通信领域中应用越来越广。但应急卫通系统逐步扩大的站规模以及呈增加趋势的任务频度导致其对设备远程监控、多卫星频率资源调配和业务电路运行管理等都提出了更高的要求，因此，如何设计实现一个高效、可靠及易扩展的网管信息传输通道成为应急卫星通信系统[1]发展的重要需求。许多文献中对卫星通信系统的研究都是基于理想的通信环境[2-3]，没有考虑到应急通信中系统信道环节对卫通网络管理的影响。这主要表现在应急卫星通信中因网管信道架设复杂、信息传输可靠性低导致的卫星网管无法真正实现应急通信。

1 卫通网管信道体制

通过分析研究国内外卫通网管系统可知，网管信道体制[4]主要有：TDM/STDMA体制、TDM/TDMA体制、TDM/ALOHA体制、TDMA体制[5]和地面IP网[6]。

通过分析，各网管信道体制特点如下：

① TDM/STDMA体制：出境载波为一个宽带连续TDM广播载波，而入境载波为多个窄带S-TDMA载波，(且该)窄带S-TDMA载波为远端站分时共用，每个S-TDMA载波使用站数固定。该体制在Vipersat系统中使用。

② TDM/TDMA体制：出境载波为一个TDM载波，入境载波是一个TDMA(时隙Aloha)载波，需要通过内置GPS对入境信号精确定时,该体制在Polarsat FlexiDAMA系统中使用。

③ TDM/ALOHA体制：出境载波为一个TDM载波，入境载波是一个或多个Aloha载波，通过合理设计入境载波带宽及管理站规模实现信息传输。该体制在国内电力管控系统中使用。

④ TDMA体制：系统各站分时共用一TDMA载波，要求对TDMA载波带宽进行精确计算，防止信道拥塞现象，该体制在国内一FDMA系统中应用。

⑤ 地面IP网：依托于地面IP网络进行传输，网管信息需使用网络协议，且要求各地球站具备接入地面IP网的能力。

应急卫星通信系统因其应对突发灾害或事故的需求，故地球站站型多配置为易于移动的车载站或便携式终端，这就对网管信息传输高效性、设备简易性、组网灵活性提出了更高要求。通过综合分析，TDM/STDMA体制的S-TDMA载波使用站数受限特性、TDM/TDMA体制的内置GPS定时特性、TDMA体制的载波带宽与规模关联特性和地面IP网的需地面接入点特性均不符合应急卫星通信系统网管建设需求，而TDM/Aloha体制网管信道作为独立控制信息传输信道，仅需在移动站配置一路网管信道[7]即可完成与网管中心通信，且站规模扩大后仅需在网管中心增配解调设备，故可在应急卫星通信系统进行适应性扩展应用研究。文献[8-11]中从不同角度对TDM/Aloha体制进行了应用研究。

2 监控信道应用解析

2.1 Aloha工作原理

所有远端站在同一卫星频率fa上向中心站发送控制信息，每个远端站只在有数据需要发送时才打开载波发射，中心站快速同步、解调捕获远端站发送的突发载波，从中获取来自远端站的信令信息。

ALOHA信道工作原理[12]如图1所示。图1(a)为TDM载波f1和Aloha载波f2发射时空关系：中心站S0始终发射TDM载波f1；远端站S1、S2、S3在随机时刻t1、t2、t3发射ALOHA载波，并在数据发送完成后关闭Aloha载波。由于时刻t1、t2、t3的随机特性，图中远端站S1、S2、S3发射载波f2的持续时间可能相互重叠，即会产生冲突争用。

图1 Aloha网管信道原理图

2.2 ALOHA信道网管数据分析

通过对应急卫星通信系统管理需求[14]进行分析可得出，远端站入境的网管信息包含以下几类(如表1所示)：① 入网请求；② 资源DAMA请求；③ 站状态响应信息；④ 设备监控信息；⑤ 设备变化上报信息；⑥ 其他管理类上行信息。

表1 入境ALOHA信道信息分类

类型频度特征类型入网请求随机，相对集中管理类DAMA请求随机管理类站状态响应均匀分布，5s/站管理类监控响应均匀分布，1s监控类监控变化上报随机监控类其他入境信令随机管理类

3 监控信道设计

国内外应用TDM/ALOHA体制的卫星通信系统[15]均具有以下特点：出境载波为一个TDM载波，入境载波为一个或多个Aloha载波，每个Aloha载波对应一个网管信道终端，且Aloha载波频点[16]在建设初期固化。

应急卫星通信系统中的远端地球站多为移动站或便携式平台[17]，且在无任务时多处于关闭状态，如使用上述TDM/Aloha体制，则远端站过多时存在多数Aloha载波资源空置或利用率不足的现象，在应急卫星通信资源紧缺的情况下反而造成了资源浪费，故需对TDM/Aloha体制在应急卫星通信系统中的使用做软件适应性改造。

应急卫星通信多Aloha信道软件改造主要体现在网管中心与远端站发送接口模块。网管系统多Aloha信道改造方案如图2所示。

图2 应急通信多Aloha软件改造

中心多Aloha软件模块主要实现以下功能：

① 实时根据入网站数重分/释放Aloha载波资源；② 以广播形式下发可用Aloha载波资源。

小站多Aloha软件模块主要实现以下功能：

① 接收中心广播，存储可用Aloha载波资源状态；② 接收小站管理信令，根据信令类型选择Aloha载波并通知发送信道以指定载波频点进行发送。

4 多ALOHA信道软件应用时效性分析

4.1 卫通系统环境

方案设计应急卫星通信系统管理规模为500个应急移动站，单移动站管理6个设备，单设备对应1条入境信令，每条入境信令固定按100 B数据量计，信道速率设定为32 kbps。

4.2 管理信息时间分析

4.2.1 1路Aloha信道集中管理时间分析

ALOHA信道按照32 kbps带宽配置，理论上信道利用率最高为0.18，为减少监控信息对突发管理信息的影响，计算时直接设定监控信息对ALOHA信道的占用率为0.1，忽略其他随机突发信息对监控信息传输影响[18]。

在系统配置1路Aloha信道时，所有站设备的监控信息传输到中心站的时间如下：

有效的ALOHA信道速率=32×0.1=3.2 kbps；

监控信息总量=500站×6设备/站×1条/设备× 100 Byte/条 × 8=2 400 kB；

全部设备监控信息传输时间Ta=2 400÷3.2=750 s=12.5 min。

根据工程经验，中心站查询1个设备的监控状态需1 s，故轮询3 000个设备的监控状态共需50 min。据此估计，应急卫星通信系统对移动站设备管控的实时性在12.5～50 min之间。

4.2.2 2路Aloha信道集中管理时间分析

配置2路Aloha信道，即监控信息独立使用1路Aloha信道频点入境，其他随机突发信息通过另1路Aloha信道频点入境。其他随机突发信息相对ALOHA信道带宽而言数据量较小，网管系统可保证实时性，故仅需对独立监控信道传输进行分析。

独立监控信道的入境信息发送由网管中心协调，已不存在冲突。考虑中心协调、突发效率、站间保护时间、工程经验等因素，设定独立监控ALOHA信道效率以0.3计。

在系统配置2路Aloha信道时，所有站设备的监控信息传输到中心站的时间如下：

有效的ALOHA信道速率=32×0.3=9.6 kbps；

监控信息总量=500站×6设备/站×1条/设备×100 Byte/条×8=2 400 kB；

全部设备监控信息传输时间

Ta=2 400÷9.6=250 s=4.16 min。

根据工程经验，中心站查询1个设备的监控状态需0.5 s，故轮询3 000个设备的监控状态共需25 min。据此估计，网管系统对远端站设备管控的实时性在4.16～25 min之间。

4.3 应用效果分析

根据分析可得，应急卫通系统应用多Aloha信道软件改造技术后，监控信息传输实时性统计结果如表2所示。

表2 应急卫通系统ALOHA信道应用实时性列表

ALOHA数量被监控设备总量理论时间/min经验时间/min1路300012．5502路30004．1625

由表2可知，应急卫通系统使用Aloha信道时，按上述设计的网络规模，配置1路Aloha信道时集中监控信息实时性为50 min，配置2路信道时集中监控信息实时性为25 min，且理论时间均远小于经验时间，由此表明多Aloha信道软件改造方案可为应急卫通系统提供高时效性的网管信息传输通道。同时比对1路和2路Aloha信道实时性结果可以看出改造方案通过合理规划Aloha信道数目有效提高应急卫通系统网管信息传输时效,故多Aloha信道传输方案能很好地满足应急卫通系统网管信息传输高实时性需求。

5 Aloha信道应用碰撞率仿真

5.1 仿真设计

应急卫星通信网中小站分时竞争使用ALOHA入境载波，小站发出的ALOHA突发信号可能会发生碰撞，造成网管信令丢失。为了模拟实际应用中多站多Aloha信道情况的碰撞率，分别设计下属网管站数为128和256，Aloha信道数为1、2、3和4路，在上述场景下分别进行互通率仿真[19]。应急卫星通信系统Aloha信道仿真环境[20]为网管中心和移动站网络节点构成的星状网，如图3所示。

图3 ALOHA信道传输系统网络级模型

5.2 128站Aloha信道随机突发特性仿真

在Aloha信道带宽32 kbps、网管信令帧长200 Byte、系统规模128个站的前提条件下，对不同申请间隔下Aloha信道互通率进行系统仿真，仿真结果如图4所示。

图4 128站规模互通率仿真

仿真结果表明，在系统规模为128且配置1个Aloha信道时，单站每23 s申请一次，则Aloha信道不碰撞的概率可达90%以上；若配置2路以上的Aloha信道，单站每12 s左右申请1次，则Aloha信道不碰撞概率可达90%以上。

5.3 256站Aloha信道随机突发特性仿真

在Aloha信道带宽32 kbps、网管信令帧长度200 Byte、系统规模256个站的前提条件下，对不同申请间隔下Aloha信道互通率进行系统仿真，仿真结果如图5所示。

图5 256站数目互通率仿真

仿真结果表明，在系统规模为256且配置一个Aloha信道时，单站每45 s申请一次，则Aloha信道不碰撞的概率可达90%以上；若配置2路以上的Aloha信道，单站每23 s左右申请1次，则Aloha信道不碰撞概率可达90%以上。

5.4 仿真结果分析

发送时间对互通率的影响：结合站规模为128及256时的仿真图表可以看出，在Aloha信道数目固定的前提下，信道互通率与控制信令发送时间间隔成正比例关系，通过增大信令发送时间间隔可令信道互通率达到90%以上。

Aloha信道个数对互通率的影响：结合站规模为128及256时的仿真图表可以看出，在设置同样的控制信令发送时间间隔前提下，时间间隔设置越小，信道数对互通率的影响越明显且呈正比例关系，在高时效性需求明显的应急通信环境，合理增加Aloha信道个数是解决信道互通率的有效手段。

由以上分析可知，通过控制信令发送时间及扩展Aloha信道数，可实现信令的低碰撞率可靠传输，故多Aloha信道软件改造方案可满足应急卫星通信系统高可靠性网管信息传输需求。

6 结束语

网管信令传输是应急卫通网管系统高效管理的一个重要前提，本文综合分析了当前卫星通信系统中网管信道体制，提出并设计了更适合于应急卫星通信系统的多Aloha信道软件改造方案，并结合数据分析及仿真实验进行验证。信息传输实时性数据及仿真互通率结果表明，可扩展的多Aloha信道软件改造方案在提高卫星资源利用率的同时可有效满足应急卫通系统高可靠性、高实时性的系统管理需求[9]，在其他卫星通信系统中，也值得进行针对性的策略研究。

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Design and Simulation of Network Management Channel for Emergency Satellite Communication System

BAN Ya-ming，LI Bin-cheng，LIU Yong-qing

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Reasonable network management channel system is an essential factor for the emergency satellite system to achieve efficient and reliable management.Aiming at the high resource utilization，high transmission reliability and high transmission timeliness requirement of emergency satellite communication system，a multi-aloha software management scheme is proposed based on the comprehensive analysis of network management channel and management signaling.The scheme incorporates multi-aloha technology into network management software，and achieves efficient transmission of information and rational use of resources through the central logic identification and carrier dynamic switching.The technical analysis and simulation experiments are carried out to verfy the validity and practicability of the multi-aloha software reformation technology.

satellite communication；network channel；TDM/Aloha；carrier switching；collision rate

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.09

班亚明，李斌成，刘永青.应急卫通系统网管信道设计及仿真[J].无线电通信技术,2017,43(3)：38-42.

[BAN Yaming，LI Bincheng，LIU Yongqing.Design and Simulation of Network Management Channel for Emergency Satellite Communication System [J].Radio Communications Technology，2017,43(3):38-42.]

2017-01-26

国家部委基金资助项目

班亚明(1984—)，男，工程师，主要研究方向：卫星通信与信息传输技术。李斌成(1974—)，男，高级工程师，主要研究方向：卫星通信与信息传输技术。

TN927

A

1003-3114(2017)03-38-5