TDMA星状网综合业务中心交换与信道分配方法研究

中国电子科技集团公司第五十四研究所 刘 雯

0 引言

星状组网模式中，小站只和中心站互通，小站之间的业务数据需要通过中心站进行转发，如果由业务中心来进行这一转发过程，会提高业务系统的复杂性，还会增加业务系统与卫星系统之间的交互，不利于维护系统的灵活性；反之，如果在通信系统内部实现业务转发的过程，就需要设计一个简单可靠的方式在业务中心完成数据交换，并且此方案必须考虑前向信道资源分配的问题，合理分配转发业务数据与中心站自身业务数据所占的信道资源。

本文介绍的TDMA星状网综合业务中心交换与信道分配方法以MF-TDMA（多频时分多址）技术为基础，将MF-TDMA系统中心站的发送载波特例化为一条由中心站独享且可以被所有小站接收的TDM载波，而小站发送的低速返回业务载波组由中心站采用多载波解调技术统一接收，并且多个时分小站可共享一条低速载波。此方案充分利用了中心站和小站的收发能力，在保证中心站高速广播发送的同时，保持了TDMA体制综合业务传输的优点。

1 MF-TDMA卫星通信体制

1.1 MF-TDMA多频时分多址技术技术

MF-TDMA是一种基于频分和时分结合的二维多址方式，利用逐时隙载波跳变发送和接收、速率捷变和虚路由寻址等相结合技术，可实现地球站间灵活组网以及面向话音、数据、视频等综合业务的点对多点通信[1]。MF-TDMA在卫星通信灵活组网和支持综合业务传输方面具有明显的优势，适合不同规模卫星通信网络的应用。

图1 MF-TDMA信道结构

1.2 TDMA星状网系统的基本原理

TDMA星状网内存在两种信道资源，小站发往中心站的载波组资源，称为返向信道；中心站发往小站的载波资源，称为前向信道。小站发往中心站的返向TDMA系统数据，通过小站提出业务申请，中心站根据申请分配信道资源后，在参考中下发时隙分配计划（TDMA帧计划），最后由小站执行该帧计划，在各自分配的时隙段内收发突发数据完成。中心站收到返向信道数据后，接收本站数据的同时，将返向数据中需要转发的数据和自身的业务数据发往前向信道。前向信道虽然完全由中心站使用，但为了实现小站间业务互通和小站广播，需要在信道资源分配时，统一分配，将部分前向时隙资源用于转发小站的业务数据，实现前向数据发送。

2 综合业务中心交换体制设计

本文主要研究了卫星通信系统内部自行完成中心交换的业务传输和资源分配方法。通过业务流分类和标记，统一的双向资源申请分配和中心按标记交换的控制过程，可以完成星状网中心交换传输，实现业务数据的全网互通和广播。

2.1 业务流分类和标记

各站收到业务数据后，首先需要进行业务流分类缓存，业务数据被划分为六种业务数据流：小站发往小站的实时数据、小站发往小站的非实时数据、小站发往中心站的实时数据、小站发往中心站的非实时数据、中心站发往小站的实时数据、和中心站发往小站的非实时数据。在每个业务数据包进行TDMA组包过程中，可通过在分组头内记录源、目的站地址来标记。其中，各站要发送的广播数据按照小站发往小站或中心站发往小站的数据进行分类缓存，目的地址标识为广播地址。

2.2 资源申请与分配

2.2.1 各站的申请类型

各站将收到的六类数据分队列缓存后，根据TDMA系统基本时隙申请方法计算信道资源需求。实时类业务流根据实时业务的参数配置计算TDMA时隙申请量，非实时类业务流根据缓存区内缓存量计算TDMA时隙申请量。各站申请计算完毕后产生四类申请发送到中心站：小站发往小站的实时数据申请RtRR、小站发往小站的非实时数据申请RtRU、小站发往中心站的非实时数据申请RtCU和小站发往中心站的实时数据申请RtCR。中心站自身还会产生两类申请：中心站发往小站的实时数据申请CtRR和中心站发往小站的非实时数据申请CtRU，这两类申请直接通过中心站内部数据变量进行记录。

2.2.2 中心站的信道分配规则

中心站将所有小站和自身各类时隙申请汇总后，按照设定的分配规则对时隙进行分配，默认的分配规则包括：实时类申请优先于非实时类申请、主站自身的申请优先于小站的申请、小站发往小站申请优先于小站发往主站申请。

每种业务申请分配时，将各自分解为对前向和返向两种信道资源的实时和非实时时隙需求，在两种信道资源内各自独立分配：实时类申请采用先到先服务原则进行分配，非实时类申请则采用加权平均的方式，各站公平竞争实时时隙分配完毕后的剩余时隙。

2.3 中心站交换控制

中心站完成分配后，将返向信道资源分配形成的包含四种时隙的TDMA帧计划发往小站，供小站业务发送数据时按对应类别使用。小站按照返向信道TDMA帧计划发送的数据到达中心站后，中心站读取数据分组中标记的实际目的站地址，将突发数据分组中实际目的地址为中心站自身的，直接送往接入处理并输出；将实际目的站地址为小站的，转发回前向信道，广播给小站接收；将实际目的站为广播地址的，同时进行以上操作，实现全网广播。小站接收来自中心站转发或直接发送的业务数据前向载波，并提取突发数据分组中标记的真实源地址，通过实际源地址区分收到的突发数据中哪些来自于主站转发，哪些来自于小站发送，并将这一信息连同数据包本身送往接入处理进行输出，完成整个方法全过程。

图2 控制过程流程图

3 实施过程

中心站的业务流均为发往小站的数据，根据话音、同异步数据对应实时业务、IP数据对应非实时业务的分类方式分类；小站的业务流根据目的站类型和实时性进行分类（见2.2.1节）。

中心站按照设定的分配规则（见2.2.2节），对六种业务申请按照CtRR→RtRR→RtCR→CtRU→RtRU→RtCU的顺序进行时隙分配。每种业务申请分配时，将各自分解为对前向和返向两种信道资源的实时和非实时时隙需求，在两种信道资源内各自独立分配。

时隙分配时，将各类时隙统一化对前向和返向两种信道资源需求，对应关系如下：CtRR统一化为对前向信道的实时申请；RtRR统一化为对前向和返向信道的实时申请；RtCR统一化为对返向信道的实时申请；CtRU统一化为对前向信道的非实时申请；RtRU统一化为对前向和返向信道的非实时申请；RtCU统一化为对返向信道的非实时申请。

前向信道和返向信道在六类申请统一化处理后，各自独立分配。

对RtRR和RtRU业务来说，返向信道分配时，需使用前向信道的分配结果，使得返向信道分配量不大于前向信道分配量，避免中心站转发过程出现堵塞。分解到前向或返向信道内实时类申请采用先到先服务分配原则；非实时类申请则采用加权平均的方式，各站公平竞争实时时隙分配完毕后的剩余时隙。

通过以上具体步骤，在TDMA星状网系统中实现了本方法的全过程。

4 结束语

采用基于业务流分类和标记的中心交换方法及双向信道资源申请和分配方法，可以使综合业务中心数据交换和信道分配简单可靠，易于实现。并且可对卫星链路上传输的综合业务数据提供一定程度的服务质量保证能力，满足不同应用需求。