一种无中心FDMA卫星通信系统资源控制策略及其半实物仿真

孙 凯，陆振宇

（南京信息工程大学，江苏 南京 210044）

0 引言

随着我国“走出去”战略不断推进，军事卫星通信的作用和地位也不断被强化。军事卫星通信系统拥有通信距离远、覆盖面积广、通信容量大的特点，是我军通信信息系统的重要组成部分[1⁃5]。目前卫星通信系统通常采用有中心管理方式，用户终端（VSAT 站）在入退网以及资源分配流程上都是通过统一的中央管理站进行控制调度，这种方式可以最大化利用宝贵的卫星通信资源，优化系统工作流程[6⁃8]。但是在军事对抗通信环境下，作为系统中枢的中央管理站将成为敌对方的重点打击目标，从而变成了整个系统最为薄弱的环节。

为了防止该类情况，提升整个卫星系统的稳定性和抗毁能力，国内外学者采用不同的方法开展对于无中心卫星通信系统的研究。目前的研究主要分为TDMA 和FDMA 两类卫星网络。针对TDMA 卫星网络方面，前苏联曾经投入使用的SPADE 系统提出业务信道为SCPC/DAMA 方式，控制信道采用TDMA 的方式[9]；文献[10]介绍了一种TDMA 卫星通信系统自组网方法。但考虑到TDMA 卫星网络申请通信资源频繁复杂，又需要达到全网同步，这严重限制了其在无中心网络中的应用，因此无中心FDMA 卫星网络简单可靠的特点被更多学者所看好[11⁃13]。针对FDMA 无中心卫星网络方面，文献[14]介绍了一种SCPC/FDMA 卫星通信系统自组网方法，但考虑的情况比较理想化，没有考虑到信道检测出错、多用户抢占信道资源发生碰撞以及在CSC 信道中以ALOHA 争用的方式发送通信申请产生丢包等异常情况，并不能直接应用于工程实践中。本文提出一种无中心FDMA 卫星通信系统资源控制策略，综合考虑整个无中心卫星通信环境，提出一种基于C/S 架构的半实物仿真验证方法，Client 端程序几乎不用修改就可移植到卫星终端中与调制解调单元配合工作。

1 无中心FDMA 卫星通信系统总体方案设计

1.1 本文模型和FDMA 资源分割方案设计

本文主要针对中小规模（用户节点数目为10～50）的特定需求应用环境（特战/应急通信等），在无中央管理站介入，各站点仅知道可用卫星带宽资源的前提下，使网内的用户站能够实现自主入退网和卫星资源的按需分配。因为在通信网内不设中心基站，所以各个站点（VSAT 站）的功能和作用均相同，并且呈全网状连接。网络结构如图1 所示。

图1 网络结构图

全网将信道资源分成两个部分，即CSC 公共信道和业务信道。其中，业务信道等间隔划分成多条信道（即带宽相同），又将这么多条信道分成高端和低端两个通道组，成一一对应关系[14]，信道划分如图2 所示。这样做的目的是在主叫端占用上一个群组内的一条业务信道后，就同时给被叫端占用了另一个群组内对应的一条业务信道，当被叫端在CSC 信道中收到主叫端的通信申请时，就可以直接在对应的业务信道上和主叫端建立通信、传输数据。CSC信道的作用有两个：一是各站处于空闲状态时保持监听CSC的下行信道，判断是否有需要和自己建立通信的报文；二是当需要建立通信时，各站在CSC信道上以ALOHA 争用方式发送通信请求。业务信道的作用是充当各站点成功建立通信后传输数据的通道。

图2 信道划分图

1.2 无中心访问控制策略设计

整个无中心通信流程分成建链和拆链两个过程，下面分别对这两个过程进行分析。

1.2.1 建链过程

1）信道检测。各站点入网后，便对所有业务信道进行扫描，获得业务信道的忙闲信息。这里有一定的概率发生检测出错的状况，即把忙碌状态的信道检测成空闲信道，亦或是把空闲信道检测成忙碌信道。第一种情况会导致在占用信道时用户产生碰撞；而第二种情况对整个通信流程虽然无较大影响，但是会在一定程度上降低信道资源的利用率。

2）占用信道。当站点需要建立通信时，根据第一步信道检测的结果，获取信道的忙闲信息，通过自发自收的方式占用空闲信道。如果能收到该站自发的相关数据就说明成功占用上一对业务信道，如果不能收到就说明在自发自收的过程中发生碰撞，考虑两种情形：第一种是在检测信道时发生错误，去占用已被占用的信道资源，产生碰撞；第二种是多个用户抢占同一信道资源相互干扰，需要重新扫描业务信道获取新的信道忙闲信息。

3）通信申请。在成功占用上一对业务信道后，主叫端需要在CSC 信道以ALOHA 争用的方式发送通信请求。该通信请求包含两个信息：一是需要与哪一个站建立通信；二是主叫端占用的哪一对业务信道，即通道组中相对应的频点信息。因为CSC 信道是公共信道资源，会产生丢包，所以主叫端在发送通信请求后仍然要保持监听CSC 的下行信道。若等待一段时间后收到了该通信请求，则说明发送通信申请成功，等待被叫端应答；若未收到自己发的通信请求，就说明丢包需要延时重新发送通信申请。

4）通信建立。各站点的作用和功能相同，当主叫端监听CSC 的下行信道，收到自己发的通信申请的信息时，则其他各站点也应该都会收到该通信申请，并回复主叫端是否应答。若被叫端回复应答，被叫端会占用主叫端占用的一个频点传输数据，成功建立通信。若被叫端不应答或是正在和其他站建立通信，主叫端在等待一段时间后仍没有收到应答的信息，就会作通信建立失败的处理。

1.2.2 拆链过程

通信结束：有两种情况需要走拆链流程。第一种是主叫端通信申请发送成功，但是未能收到被叫端的应答信息；第二种是主叫端和被叫端成功建立通信，传输数据完毕，通信结束之后。第一种的处理方式是主叫端放弃对业务信道的占用，随机延时重新建立通信；第二种的处理方式是主叫端和被叫端都放弃对业务信道的占用，回归扫描业务信道的空闲状态，并且保持监听CSC下行信道。当下次需要建立通信时重复上述建链、拆链的过程，可以实现网内用户站的自主入退网。通信流程如图3 所示。

图3 通信流程图

2 具有C/S 架构的半实物仿真验证

2.1 半实物仿真框架

本文实际仿真的实现采用N个用户站和1 个仲裁者的方式，用户站的信息统一发送到仲裁者，仲裁者加入延时模拟信道环境，判断是否发生碰撞并模拟丢包等情况。

程序架构采用C/S 架构，不同于普通仿真的是，基于C/S 架构的半实物仿真设计，后续终端的仿真程序框架可以直接替换调制解调器就能在硬件上进行验证[15]。因为通信流程图对于实际模拟仿真而言还不够直观，所以在流程图的基础上根据建链、拆链过程，设计C/S 架构的框架图来描述整个通信过程中信息的交互。框架图主要分为四个模块，分别是信道资源检测模块、占用信道资源模块、通信请求模块和结束通信模块，如图4 所示。

图4 C/S 架构的框架图

Client 端的功能是模拟用户站。每一个Client 端有三种状态：空闲状态、主叫状态、被叫状态。当Client 端处于空闲状态时保持监听CSC 信道。当Client 端需要建立通信时，由空闲状态切入主叫状态，发送询问信道是否空闲的包给Server 端，这里询问的方式是从第一条信道开始依次往下询问。Client 端若收到信道是忙碌的，则重新发送询问下一条信道是否空闲；若收到信道是空闲的，则发送占用该信道资源数据包给Server 端。当Client 端收到发生碰撞信息时，随机延时之后重新发送占用包给Server 端；若Client 端收到未发生碰撞信息时，说明Client 端成功占用上信道并向Server 端发送通信请求。在Client 端等待一段时间后仍然没有收到应答时，Client 端会延时重新发送通信申请，若重发三次依旧收不到应答信息，就视作通信失败，发通信结束包给Server 端。当Client 端在空闲状态时收到Server 端转发的建立通信申请包时，Client 端从空闲状态切换到被叫状态并回复对应的Client 端（主叫端）是否应答。

Server 端的功能是作为仲裁者模拟信道环境。当收到Client 端的询问信道是否空闲的包时，Server 端根据提前配置好的信道忙闲信息回复Client 端信道是否空闲，同时以一定的概率检测出错。当收到Client 端的信道占用包时，若Server 端在上一个模块出现检测出错或者Server 端在较短时间内收到多个用户抢占同一信道资源时，会回复Client 端发生碰撞；若未出现上述两种情况就会回复未发生碰撞。当收到Client 端（主叫端）的通信申请包时，Server 端延时后转发通信请求给另一个Client 端（被叫端）并模拟产生丢包，若Server 端收到被叫端的回复，会回传给主叫端。当Server 端接收到通信结束包时，会转发给被叫端并释放掉被占用的信道资源。

2.2 仿真模拟验证软件详细设计

分别建立客户端和服务器端两个模型。

对于客户端模型，通过对多个客服端设置不同的本地端口号来模拟不同的用户站，并对各个客户端配置相同的本地地址和远程端口号。因为每个用户端有三种状态：空闲状态、主叫状态、被叫状态，所以在客户端中加入状态机分别用0，1，2 表示这三种状态。在客户端加入业务到达时间模型和业务通话时长模型，其中业务到达时间（即业务通话频率）服从泊松分布，业务通话时长服从指数分布。当用户站处于空闲状态时，启动业务到达时间模型，直到用户站需要建立通信时关闭业务到达时间模型。当用户站成功建立通信，需要传输数据时，启动业务通话时长模型，直到用户站结束通信时关闭业务通话时长模型。此时用户站由主叫状态切换到空闲状态，并继续启动业务到达时间模型。若在空闲状态时收到通信请求，则客户端由空闲状态切换到被叫状态，并关闭业务到达时间模型直到通信结束后，再重新打开切回空闲状态。

对于服务器端模型，将本地端口号设置成客户端配置的远程端口号，将服务器端的本地地址设置成客户端配置的本地地址。在仿真过程中的服务器端记录总共需要建立通信的次数、未成功占用上信道的次数以及未成功建立通信的次数，计算出不同条件下正常通信过程和加入异常情形的呼通率，并绘制出呼通率与信道数、用户数、业务平均到达时间、业务平均通话时长四者之间的关系曲线图。最终实现无中心FDMA 卫星通信网络流程的半实物仿真实验。

3 仿真结果及分析

衡量该无中心FDMA 卫星通信网络的实际应用效果，可以从呼通率这个角度入手，而呼通率又与4 个仿真因素有关，分别是信道数、用户数、业务平均到达时间、业务平均通话时长，下面分别分析不同的因素对于呼通率的不同影响。

3.1 信道数与呼通率关系

固定用户数、业务平均到达时间、业务平均通话时长，模拟仿真不同信道数下呼通率的变化情况。取用户数为30 个、业务模型采用通信网业务模型，业务平均到达时间为500 s、业务平均通话时长为15 s，令信道数为4，6，8，10，12，14，16，18，20。

由图5 仿真结果可知，呼通率随着信道数的增加而不断提高，正常通信过程中当信道数达到用户数的时，呼通率已接近100%，之后再增加用户数呼通率保持不变。加入信道检测出错概率1%和产生3%的丢包率，在该模型下，呼通率略有下降，产生了2%左右的呼损。在信道资源配置合理时，呼通率会维持在98%左右，达不到理想化的100%呼通率。

图5 信道数与呼通率关系

3.2 用户数与呼通率关系

固定信道数、业务平均到达时间、业务平均通话时长，模拟仿真不同用户数下呼通率的变化情况。取信道数为4 个、业务模型采用通信网业务模型，业务平均到达时间为500 s、业务平均通话时长为15 s，令用户数为4，8，12，16，20，24，28。

由图6 仿真结果可知，正常通信过程和加入异常情形后的通信过程，呼通率的大致趋势都是随着用户数的增加而不断下降。相比于理想曲线，加入1%信道出错概率和3% 丢包率的通信过程会多产生2% 左右的呼损。

图6 用户数与呼通率关系

3.3 业务平均到达时间与呼通率关系

固定信道数、用户数、业务通话时长，模拟仿真不同业务通话频率下呼通率的变化情况。取信道数为10个、用户数为30 个、业务平均通话时长为15 s，令业务平均到达时间为50 s，100 s，150 s，200 s，250 s，300 s，350 s，400 s，450 s，500 s。

由图7 仿真结果可知，呼通率随着业务平均到达时间的增加而不断上升，正常通信过程当业务平均到达时间扩大到300 s 时，呼通率已接近100%，达到99.745%，之后再增加业务平均到达时间，呼通率几乎不变。加入信道检测出错概率1%和3%丢包率的通信过程，业务平均到达时间与呼通率之间的关系曲线图与正常通信过程大致相同。当业务平均到达时间扩大到一定量时，增长逐步变缓，最终呼通率维持在97.3%左右。

图7 业务平均到达时间与呼通率关系

3.4 业务平均通话时长与呼通率关系

固定信道数、用户数、业务平均到达时间，模拟仿真不同业务平均通话时长下呼通率的变化情况。取信道数为10个、用户数为30个、业务平均到达时间为500 s，令业务平均通话时长为10 s，20 s，30 s，40 s，50 s，60 s，70 s，80 s。

由图8 仿真结果可知，呼通率随着业务通话时长的增加而不断下降，正常通信过程的曲线和加入1%信道检测出错概率和3%丢包率后的曲线图基本一致。加入异常情形的呼通率比正常通信过程的呼通率平均低2%左右。

图8 业务平均通话时长与呼通率关系

4 结语

本文针对特殊应用环境下的中小规模用户站，开展基于FDMA 的无中心卫星通信系统资源控制策略研究。提出具有C/S 架构的半实物仿真验证方法，并设计仿真模拟验证软件。在构建的半实物仿真验证平台上，仿真出正常通信过程和加入异常情形通信过程的4 组对比曲线图。其中，呼通率与信道数、用户数、业务平均到达时间、业务平均通话时长四者之间的曲线变化，符合实际卫通情形。加入异常情形的曲线图与正常通信过程的曲线图变化趋势基本保持一致，验证了本文提出的无中心FDMA 卫星通信系统资源控制策略的可行性和正确性。半实物仿真架构在设计之初就依照工程研制的标准进行功能模块划分，客户端采用C++程序可直接移植到卫星终端与调制解调单元配合工作，目前正在开展基于ARM 处理器和FreeRTOS操作系统的代码移植工作。