一種無中心TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)資源動態(tài)調(diào)度算法

李 鵬，孫 凱，方 華

（南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044）

0 引 言

無中心衛(wèi)星通信系統(tǒng)是指不需要中央站參與，地球站只依靠衛(wèi)星的多址連接就可直接進行組網(wǎng)通信的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。通過將主站的集中管理功能轉(zhuǎn)化為各個終端站分散控制，站點與站點之間直接連通，實現(xiàn)全網(wǎng)連接。這種組網(wǎng)方式能在網(wǎng)內(nèi)主站失效或不設(shè)主站的情況下快速獨立組網(wǎng)、抗毀能力大大增強，有非常靈活的通信能力，在軍事通信、應急通信等場合具有一定的優(yōu)勢。

目前國內(nèi)外對于無中心衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究相對較少。國外研究并投入使用的無中心衛(wèi)星通信系統(tǒng)，典型的如前蘇聯(lián)的SPADE系統(tǒng)，采用SCPC/DAMA的方式，主要針對話音業(yè)務。文獻[1?2]提出了一種基于SCPC?TDMA的無中心組網(wǎng)方法，通過事先不確定主站，之后以競爭的方式不斷選舉出新的主站，其本質(zhì)依然是通過主站承擔集中控制功能。文獻[3?4]提出一種基于單頻TDMA的衛(wèi)星通信系統(tǒng)自組網(wǎng)方法，適用于雙向?qū)ΨQ的固定速率業(yè)務。然而隨著通信需求和業(yè)務種類的不斷擴大，上述方法已經(jīng)不能夠滿足用戶對綜合業(yè)務的需求，本文提出一種基于無中心TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)資源動態(tài)調(diào)度算法，可根據(jù)終端站業(yè)務的需要動態(tài)調(diào)整占用的時隙資源，以滿足衛(wèi)星通信中各種復雜多變的業(yè)務需求。

1 時隙分組算法

無中心衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于使用場合特殊，現(xiàn)有的研究資料較少。當前常用的時隙分組算法，通過將整個業(yè)務時隙均分成主叫時隙組和被叫時隙組，成對配置，建立業(yè)務，其系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 時隙分組算法的系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

在時隙分組算法中，所有地球站都保持監(jiān)聽主叫時隙組的控制信息，以發(fā)起/獲知業(yè)務請求。地球站發(fā)起業(yè)務時，主叫站占用主叫時隙組中的業(yè)務時隙，然后將占用時隙的控制信息置為“發(fā)起業(yè)務請求”狀態(tài)，被叫站在掃描主叫時隙組獲知業(yè)務請求后，解析請求信息，隨后在被叫時隙組中占用相應的時隙，業(yè)務流程如圖2所示。

圖2 時隙分組算法的業(yè)務流程圖

時隙分組法在進行業(yè)務分析時，無論是對稱業(yè)務還是非對稱業(yè)務都是成對分配時隙資源，在話音通信等對稱業(yè)務時有較好的性能，但如果建立的是非對稱業(yè)務，地球站必須以時隙需求量大的一方為標準占用時隙，造成“占而不用”的現(xiàn)象，浪費了寶貴的衛(wèi)星資源。另外，時隙分組法無法根據(jù)當前業(yè)務的改變而調(diào)整，即正在通信的業(yè)務需要發(fā)生改變時（如增加、減少時隙、額外疊加業(yè)務等情況），必須中斷當前的業(yè)務，然后根據(jù)業(yè)務請求流程再次發(fā)起業(yè)務，影響業(yè)務服務質(zhì)量。

導致這些問題的根本原因：一是時隙分組算法系統(tǒng)幀中的業(yè)務時隙是成對分配的；二是地球站無法動態(tài)調(diào)整占用的時隙。為解決上述問題，需要重新設(shè)計無中心TDMA的系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，并對地球站建立業(yè)務的流程進行改進。

2 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

本文的系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)由5個部分組成，分別是參考時隙、測距時隙、公共時隙、業(yè)務時隙和保護間隔[5?7]，系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)業(yè)務QoS對時延的限制[5]，通常將系統(tǒng)幀長度設(shè)置在50~200 ms，設(shè)定每60幀為一超幀，系統(tǒng)幀的具體長度可以根據(jù)實際情況適當調(diào)整。

圖3 本文方法的系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

2.1 參考時隙

參考時隙的作用是保證無中心衛(wèi)星通信系統(tǒng)在開啟狀態(tài)下，始終有站點占用參考時隙，并且發(fā)送參考信息。在系統(tǒng)開啟的初始時刻，默認系統(tǒng)內(nèi)第一個開機的終端站占用參考時隙（終端站開機以后先監(jiān)聽整個時隙，如果在若干個系統(tǒng)幀的時間內(nèi)收不到參考信息，則證明本站點是第一個開機的站點），該站點向全網(wǎng)發(fā)送參考突發(fā)，并同步系統(tǒng)幀號，其他終端站在開機以后立即監(jiān)聽參考時隙，計算并調(diào)整自身時間，完成全網(wǎng)時間同步。

2.2 測距時隙

測距時隙的作用是進一步減少地球站、衛(wèi)星運動帶來的空間距離變化造成的時間誤差，完成精細全網(wǎng)同步。在經(jīng)過參考時隙完成全網(wǎng)時間同步以后，站點以ALOHA的方式發(fā)送測距突發(fā)，并且在接下來的時間內(nèi)保持接收該測距突發(fā)，根據(jù)發(fā)送測距突發(fā)到接收測距突發(fā)之間的時間差值計算時間誤差，調(diào)整自身發(fā)送時間。

終端站保持監(jiān)聽參考時隙，在完成全網(wǎng)同步之前處于禁止入網(wǎng)狀態(tài)，終端站在發(fā)送測距突發(fā)以后，如果在若干幀內(nèi)依然沒有接收到本站點的測距突發(fā)，則需要重新發(fā)送測距突發(fā)，直到完成全網(wǎng)同步。

2.3 公共時隙

公共時隙的作用是發(fā)送和監(jiān)聽業(yè)務請求，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。地球站在完成全網(wǎng)同步以后，即正常入網(wǎng)，保持每幀都監(jiān)聽公共時隙。當某站（A站）需要與某站（B站）建立業(yè)務時，A站在公共時隙內(nèi)以ALOHA方式發(fā)送通信申請，通信申請包含4個部分：B站的站點ID、A站的站點ID、A站占用的業(yè)務時隙序號和給B站預留的業(yè)務時隙序號、校驗比特。由于發(fā)起業(yè)務申請等信令具有明顯的隨機、突發(fā)特性，因此適合采用隨機爭用的ALOHA方式。如果在同一個系統(tǒng)幀中有多個地球站同時爭用公共時隙，則會發(fā)生碰撞，導致接收方無法通過校驗比特，此時地球站隨機延遲若干幀以后再次重發(fā)，直到通過校驗即可。

圖4 公共時隙結(jié)構(gòu)

2.4 業(yè)務時隙

業(yè)務時隙的主要作用就是傳遞業(yè)務信息，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。每個業(yè)務時隙都由5個部分組成，分別是狀態(tài)比特、業(yè)務/信令比特、頭校驗比特、業(yè)務比特和CRC校驗比特。

圖5 業(yè)務時隙結(jié)構(gòu)

狀態(tài)比特（2 bit）用于標識業(yè)務時隙當前的工作狀態(tài)，業(yè)務時隙共有三種狀態(tài)，分別是占用、預留占用和空狀態(tài)。地球站檢測到狀態(tài)比特為“占用”標識符時，直接跳過檢測下一個時隙；當檢測到狀態(tài)比特為“預留占用”標識符時，除非該地球站有在公共時隙中收到業(yè)務請求，才對后續(xù)比特進行解釋，否則直接跳過檢測下一個時隙；當檢測到狀態(tài)比特為“空”標識符時，地球站可占用該時隙。由于存在一些諸如摘、掛機等隨路信令需要臨時占用業(yè)務時隙，因此業(yè)務/信令比特（1 bit）用以識別當前業(yè)務時隙中承載的是業(yè)務數(shù)據(jù)還是信令數(shù)據(jù)。頭校驗比特（3 bit）用于對狀態(tài)比特、業(yè)務/信令比特進行校驗，確保準確接收頭信息。業(yè)務比特用來承載業(yè)務數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，在業(yè)務比特最后增加CRC校驗比特（8 bit）。

3 動態(tài)調(diào)度算法

3.1 原 理

在無中心TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各地球站的站型能力相似，不存在優(yōu)先級，整個業(yè)務的建立分為兩個階段[8?13]。在預規(guī)劃階段，無論是何種類型的業(yè)務，每個地球站都至少占用1個時隙。主叫站會優(yōu)先占用2個時隙，然后在公共時隙以ALOHA的方式向被叫站發(fā)起業(yè)務請求。在完成預規(guī)劃后進入動態(tài)調(diào)整階段，地球站根據(jù)業(yè)務分析生成的業(yè)務需求表調(diào)整占用的時隙數(shù)量，并及時更新業(yè)務需求表。成功占用到預期時隙后即在公共時隙向被叫終端站發(fā)起業(yè)務請求，進而建立業(yè)務通信，待業(yè)務結(jié)束后釋放占用的時隙。如果占用時隙失敗則在預規(guī)劃階段占用的時隙中以信令的方式向?qū)Ψ秸军c發(fā)送業(yè)務結(jié)束請求，并根據(jù)業(yè)務需求表釋放因本次業(yè)務占用的時隙。地球站在成功占用到時隙后，都需要在該時隙中進行導通測試，導通測試通過后才可正式傳遞業(yè)務信息。

3.2 具體實現(xiàn)

預規(guī)劃階段：

1）地球站經(jīng)過參考時隙、測距時隙完成全網(wǎng)同步以后加入網(wǎng)絡，保持每幀都監(jiān)聽公共時隙。當?shù)厍蛘荆ㄓ涀鰽站）需要與地球站（記作B站）建立業(yè)務時，A站通過自發(fā)自收的方式占用2個時隙（記作時隙X和時隙Y，其中時隙X供自身發(fā)送使用，時隙Y給B站預留發(fā)送使用），如果占用成功，則立即發(fā)送通信請求；否則轉(zhuǎn)入步驟10）。

2）A站在公共時隙以ALOHA方式發(fā)起通信請求，隨后開始對本次需要建立的業(yè)務分析，計算生成業(yè)務需求表，并保持監(jiān)聽時隙Y。

3）B站在公共時隙中監(jiān)聽到呼叫本站點ID的業(yè)務請求，立即解析該業(yè)務請求，占用預留的時隙Y。隨后立即在時隙Y中向A站發(fā)送導通測試信令（每一幀都發(fā)），之后保持監(jiān)聽時隙X。

4）A站保持監(jiān)聽時隙Y，如果在若干幀（2~3幀）的時間內(nèi)沒有收到導通測試信令，就在公共時隙以ALOHA方式重新發(fā)起業(yè)務請求，重發(fā)3次依然沒有收到導通測試信令，則認定B站不在網(wǎng)，轉(zhuǎn)入步驟10）；如果收到導通測試信令，A站立即在時隙X中向B站發(fā)送生成的業(yè)務需求表。

5）B站在時隙X中收到返回的業(yè)務需求表，即認為導通測試成功，建立起初步的業(yè)務連接。

動態(tài)調(diào)整階段：

6）A站根據(jù)業(yè)務需求表的規(guī)劃，動態(tài)調(diào)整占用的時隙數(shù)量。更新時隙需求表，并通過自發(fā)自收的方式占用新增時隙（包括B站需要新增的發(fā)送時隙），如果成功占用，則在公共時隙以ALOHA方式發(fā)送給B站（每個超幀計算一次需求更新，以減少對硬件復雜度的要求）；如果自發(fā)自收新時隙失敗，則在時隙X中以信令的方式向?qū)Ψ秸军c發(fā)送業(yè)務結(jié)束請求，進入步驟10）。

7）B站在公共時隙收到時隙需求表后，立即解析并在時隙Y以信令的方式返回，準備好新時隙應答。

8）A站在時隙Y收到B站應答之后，在新時隙發(fā)送、接收業(yè)務數(shù)據(jù)。

9）B站根據(jù)業(yè)務類型及數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小，也可以動態(tài)調(diào)整時隙需求，過程同步驟6）。

10）業(yè)務結(jié)束，釋放因本次業(yè)務占用的時隙。

動態(tài)調(diào)度算法的具體實現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 動態(tài)調(diào)度算法的業(yè)務流程圖

4 實驗結(jié)果與分析

在無中心TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，終端站數(shù)量通常不會很多，在此設(shè)定終端站個數(shù)上限為50個，所有終端站都在網(wǎng)，在相同的業(yè)務模型下對時隙分組法和資源動態(tài)調(diào)度算法進行模擬仿真。

設(shè)定系統(tǒng)幀的幀長T為100 ms，載波速率V為2 Mb/s，整個系統(tǒng)幀均分成50個時隙。將其中的1個時隙用作保護間隔，即每個保護間隔時長約為40μs；參考時隙、測距時隙、公共時隙各占用1個時隙；剩余的46個時隙用作業(yè)務時隙，分別記為時隙1，時隙2，…，時隙46，每個業(yè)務時隙可傳輸。每個業(yè)務時隙的等效速率為v==40 Kb/s；終端站的業(yè)務平均強度B服從均值為1.5的泊松分布：

業(yè)務平均速率需求Y分別服從泊松分布和固定速率分布，終端站占用時隙個數(shù)n為：；終端站發(fā)起的業(yè)務總次數(shù)為s，則第i個終端站的業(yè)務匹配度

終端站單次業(yè)務的業(yè)務匹配度；整個系統(tǒng)的業(yè)務匹配度為：

記錄整個系統(tǒng)內(nèi)所有站點的業(yè)務情況，計算系統(tǒng)的業(yè)務呼通率為：

4.1 不同地球站數(shù)目條件下業(yè)務匹配度、呼通率性能比較

業(yè)務平均速率需求Y服從均值為200 Kb/s的泊松分布，地球站個數(shù)分別為16，18，20，22，24，26，28，30，對時隙分組算法和動態(tài)調(diào)度算法進行仿真實驗，實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 業(yè)務匹配度和業(yè)務呼通率結(jié)果圖

隨著地球站個數(shù)的不斷增加，系統(tǒng)的業(yè)務呼通率不斷降低，但是系統(tǒng)的業(yè)務匹配度基本保持不變，采用時隙分組算法和動態(tài)調(diào)度算法的系統(tǒng)業(yè)務匹配度分別為78.6%和89.6%，動態(tài)調(diào)度算法有大約11%的提升。在確保系統(tǒng)的業(yè)務呼通率在85%以上的情況下，采用動態(tài)調(diào)度算法的系統(tǒng)可以比時隙分組算法多容納2~3個地球站，增加負載上限。

4.2 業(yè)務平均速率需求服從不同固定速率分布時業(yè)務匹配度、呼通率性能比較

地球站固定為20個，業(yè)務平均速率需求Y滿足固定速率分布，固定速率分布分別取值120 Kb/s，160 Kb/s，200 Kb/s，240 Kb/s，280 Kb/s，320 Kb/s，360 Kb/s，對時隙分組算法和動態(tài)調(diào)度算法進行仿真實驗，實驗結(jié)果如圖8所示。在事先規(guī)定了無中心TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)業(yè)務速率的情況下，采用動態(tài)調(diào)度算法的系統(tǒng)業(yè)務匹配度能達到100%的理想峰值，采用時隙分組法的系統(tǒng)業(yè)務匹配度起初變化幅度較大，但是隨著地球站對時隙資源的需求不斷增大時，趨勢逐漸平緩并最終大致穩(wěn)定在79.3%，在固定速率分布下動態(tài)調(diào)度算法比時隙分組算法有大約20%的提升。隨著業(yè)務平均速率需求的不斷增大，系統(tǒng)的業(yè)務呼通率不斷下降，但是采用動態(tài)調(diào)度算法的系統(tǒng)明顯優(yōu)于采用時隙分組算法，且趨勢不斷擴大。

圖8 業(yè)務匹配度和業(yè)務呼通率結(jié)果圖（一）

4.3 業(yè)務平均速率需求服從不同速率的泊松分布時業(yè)務匹配度、呼通率性能比較

地球站固定為20個，業(yè)務平均速率需求Y服從均值分別為120 Kb/s，160 Kb/s，200 Kb/s，240 Kb/s，280 Kb/s，320 Kb/s，360 Kb/s的泊松分布，對時隙分組算法和動態(tài)調(diào)度算法進行仿真實驗，實驗結(jié)果如圖9所示。隨著業(yè)務速率需求的不斷增大，采用時隙分組算法和動態(tài)調(diào)度算法的系統(tǒng)業(yè)務匹配度分別約為76.7%和88.9%，動態(tài)調(diào)度算法提高了約12%。采用動態(tài)調(diào)度算法的系統(tǒng)在業(yè)務呼通率上依舊明顯優(yōu)于時隙分組法，且趨勢逐漸增大。

圖9 業(yè)務匹配度和業(yè)務呼通率結(jié)果圖（二）

5 結(jié) 語

本文針對當前無中心TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)只可用于雙向?qū)ΨQ的固定速率業(yè)務的問題，提出一種資源動態(tài)調(diào)度算法。地球站通過自發(fā)自收占用時隙資源，在公共時隙發(fā)起業(yè)務請求建立業(yè)務，地球站根據(jù)業(yè)務需求表動態(tài)調(diào)整占用的時隙。通過仿真分析表明，本文方法可以有效提高無中心TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務匹配度，緩解地球站“占而不用”的問題，同時可增加系統(tǒng)的負載容限，提升系統(tǒng)的業(yè)務呼通率，滿足衛(wèi)星通信業(yè)務動態(tài)變化的需要。