MF-TDMA系统

2024-11-05

MF-TDMA系统（通用3篇）

MF-TDMA系统篇1

0引言

卫星通信以其覆盖范围广、良好的广播能力以及不受各种地域条件限制等优点在无线通信中发挥着重要的作用[1]。MF-TDMA[2]卫星通信体制组网灵活,支持综合业务接入,能够实现大小终端同网工作,并且可以针对不同的应用需求进行灵活设计,目前已成为国内外卫星应用的热点[3]。随着MF-TDMA卫星通信网络的建设与发展,目前可支持话音、数据等多种业务[4]。为便于卫星系统话音、数据等业务与地面网络融合,就必须增加卫星信令网关实现地面固定话音网络NO.7信令[5]与卫星网络中的信令体系的互通。其协议包含NO.7信令侧协议和卫星网络侧协议2部分。在NO.7信令侧,信令网关必须能够发送标准NO.7信令协议分组,根据NO.7信令的标准规定实现;而卫星网络侧有些复杂。关于NO.7信令如何通过卫星网传送,在目前还没有统一的标准规定如何转换[6]。

1信令网关的协议模型

卫通信令网关完成NO.7信令消息的处理,并将NO.7信令转换成卫通网的消息或将卫通网的消息转换成NO.7信令,从而实现专网与固定网之间的互通[7]。NO.7信令系统具有4层结构[8],其用户侧信令为3层结构,如图1所示。

NO.7信令包括信令链路功能级(MTP2)、信令网功能级(MTP3)和电话用户部分(TUP、ISUP)3个部分。

信令链路功能(MTP2)运行在信令适配单元板上,和信令数据链路功能级(MTP1)一起为2个信令点之间的消息传送提供一条可靠链路。信令链路功能是软硬件之间的接口,需要软硬件共同完成MTP2的全部功能,包括信号单元定界/定位、差错检测、差错校正、初始定位、信令链路差错率监视、流量控制和处理机故障等功能,特别要提供预防循环重发方法的差错校正能力来适应卫星链路。

信令网功能(MTP3)运行在信令适配单元板上,规定了信令点间传送管理消息的功能和程序,包括信令消息处理和信令网管理2部分。

信令消息处理保证一个信令点的某个用户部分产生的信令消息能传递到指定目的地点的同类用户部分,完成消息鉴别功能(Message Discrimination,MDC)、消息分配(Message Distribution,MDT)功能和消息路由功能(Message Routing,MRT)。三者之间的关系如图2所示。

收到MTP2来的消息,首先进行消息鉴别。如果目的点是本信令点,传送给消息分配。由于专网不需要具备完全的信令转接点(STP)功能,对非本信令点的消息只需实现简单的重新选路功能。

收到TUP/ISUP来的电话消息,由消息路由功能将消息发送到MTP2层。

信令网管理部分在遇到信令发生故障时提供信令网的重组能力。具体包括信令业务管理(Signaling Traffic Management,STM )、信令路由管理(Signaling Route Management,SRM)及信令链路管理(Signaling Link Management,SLM)等。三者之间都通过消息通信,一方的变化都会影响到另外两方或一方。同时和MTP2层、信号消息处理的消息路由部分也有消息交互。信令网管理部分内部的关系图如3所示。

信令业务管理是将信令业务从一条信令链路或路由转到一条或多条不同的链路或路由,或在信令点拥塞的情况下暂时减少信令业务。要完成信令业务的倒换、倒回、强制重选路由、受控重选路由、信令点再启动、管理阻断和信令业务流量控制等功能[9]。

信令链路管理用于控制本地连接的信令链路,包括信令链路的接通、恢复和断开等功能,保证链路组的正常工作。按照国标规定,实现基本的信令链路管理过程——人工分配信令数据链路和信令终端。

信令路由管理用来在信令点之间可靠地交换关于信令路由的可利用信息,以便及时地闭塞信令路由或解除闭塞信令路由。完成禁止传递控制、允许传递控制和受限传递控制等功能。

电话用户部分支持2种方式:TUP电话用户及ISUP电话用户。电话用户部分运行在信令适配单元板上,完成与电话业务有关的消息信号单元识别和处理功能。建立、接续和释放一个呼叫,并在接续状态下完成话音编解码识别和转换控制。同时还要具有电话电路的导通检验功能。如果收到没有处理能力的消息,要向远端产生回应,以避免远端交换机对通信链路采取不必要的异常处理。

2NO.7信令与卫通信令通信设计

通信关系主要包括卫通网呼叫地面固定网络和地面固定网络呼叫卫通2种情况。交互关系包括出网和入网2种情况[10]。

2.1出网工作流程

NO.7信令的出网呼叫建立和释放过程如图4所示。

NO.7信令收到卫通网络信令的出网前向建立消息后,向卫通网络信令发送时隙分配消息,向固定网侧发送初始地址消息(IAM)。收到地址全消息(ACM)后,向卫通网络信令发送前向响应消息,表示被叫用户空闲。在此处要接续话路时隙,使回铃音透传给主叫用户。收到被叫摘机应答信令(ANC),向卫通网络信令发送摘机应答消息,进入通话。

主叫用户挂机,NO.7信令处理软件收到来自卫通网络信令发送的前向拆线消息。然后向固定网侧发送拆线信号(CLF),收到对端的释放监护信号(RLG)后,向卫通网络信令发送释放监护和释放时隙,释放整个呼叫过程。

固定网侧的被叫用户挂机,NO.7信令处理软件收到来自E1的挂机信号(CBK)后,上报给卫通网络信令,请求拆线以回送拆线信号(CLF)。收到对端的释放监护信号(RLG)后,向卫通网络信令发送释放监护和释放时隙,释放整个呼叫过程。

2.2入网工作流程

NO.7信令入网的呼叫建立和释放过程如图5所示。

NO.7信令处理软件收到固定网侧的初始地址消息(IAM)后,上报给卫通网络信令进行入网占用,该消息中带有被叫号码信息和通话时所需的话路时隙号。收到卫通网络信令的入网认可后,表示被叫用户空闲,然后向固定网侧发送地址全消息(ACM),并向固定网侧提供回铃音。被叫摘机后,向固定网侧发送被叫摘机应答信令(ANC),进入通话。

固定侧的主叫用户挂机,NO.7信令处理软件收到来自E1线路的拆线信号(CLF)后,向卫通网络信令发送前向拆线请求。收到释放监护消息后,向固定网侧发送释放监护信号(RLG),向卫通网络信令发送释放时隙,最终释放整个呼叫过程。

网内的被叫用户挂机后,NO.7信令处理软件会收到来自卫通网络信令的后向挂机消息。然后向固定网侧发送挂机信号(CBK),收到远端的拆线信号(CLF)后,向卫通网络信令发送前向拆线消息,收到卫通网络信令的释放监护消息后,再向固定网发送释放监护信号(RLG),向卫通网络信令发送释放时隙消息,最终释放整个呼叫过程[11]。

3结束语

原理样机研制后,搭建3节点试验环境,3台支持NO.7信令的交换机通过原理样机接入TDMA卫星通信网络,经测试跨过NO.7信令能够跨越MF-TDMA卫星通信网络,实现多节点用户话音的网状通信,经测试话音均能正常通信[12]。NO.7信令适应性研究,很好地解决了地面网络与卫星网络的话音互通问题,同时也解决了地面网络跨卫通网络的话音通信,实现MF-TDMA卫通话音网络与地面固定话音网络的无缝结合。 

参考文献

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MF-TDMA系统篇2

MF-TDMA是一种基于频分和时分相结合的二维多址方式,它充分利用卫星通信大地域广播特性,并结合收发载波跳变、分组与虚路由等技术,可方便构建虚拟的空中分组交换网,实现地球站间灵活组网及综合业务点对多点通信,因而成为国内外研究的热点并得到了广泛应用。

MF-TDMA体制的实现主要有3种方法[1]:发送载波时隙跳变,接收载波固定;发送载波不变,接收载波时隙跳变;发送载波和接收载波都时隙跳变。无论那种实现方法,MF-TDMA卫星通信系统的信道终端设备都是基于在一个时刻仅发送或接收一个载波信号的特点进行的实现。目前,随着数字信号处理技术以及大规模数字处理芯片的发展,在同一时刻处理多路载波信号已经成为现实。结合FMT(滤波多音调制)技术,提出了一种优化的多频时分多址卫星通信体制FMT-TDMA,并对若干组网通信关键技术及应用进行了分析。

1 FMT调制解调技术

滤波多音调制(Filtered Multitone,FMT)技术[2]是一种与正交频分复用(OFDM)系统类似的多载波传输技术,其基本原理是在发送端采用严格带限的低通滤波器对每个子信道的频带进行限制以获得正交的多载波调制技术。FMT和OFDM都属于多载波正交调制技术,主要区别在于OFDM的各子载波频谱重叠保持正交,而FMT严格带限各子信道频谱使相邻子载波频谱互不重叠,频谱示意如图1所示。

FMT系统为了完成对每个子频带的划分,可以选择一组均匀滤波器来实现,其中每个滤波器都采用相同的低通滤波器,每路信号经过低通滤波后再进行等间隔的频谱搬移。发送和接收处理的原理示意如图2所示。

FMT为了实现多路信号的处理,需要高速及很大的运算量,系统的复杂度很高,为此需寻求高效的实现方式。通过对数据运算处理分析以及结合滤波器的多相分解知识,可获得高效实现方式,如图3所示。采用该种实现方式后FMT与ODFM相比,在实现复杂度上相当。

由于FMT对各子载波的频谱抑制度很高,且子载波间有保护带宽,因此在信道传输以及多用户通信中相对于OFDM有其独特优势。在多用户通信中各用户信号的传播时延、载波频率偏差和多普勒频移都不同,并且传输功率也受到限制。对于OFDM来说,这些因素都将导致在各用户之间产生多址干扰,严重影响接收机性能。但是,对于FMT,子载波频谱互不重叠,即使各用户信号存在频率、时延等偏差,FMT系统仍能表现出很好的鲁棒性。

综上所述,FMT和OFDM都属于多载波传输技术,方便动态信道分配,都能用IDFT/DFT实现,两者都存在较高的峰均比。但两者也有明显的区别,OFDM的子信道频谱重叠,能最大限度利用频谱资源,同时也易受频偏影响导致信道干扰,因此一般需要增加循环前缀、虚子信道等保证子信道的正交性。FMT的子信道频谱不重叠,频谱利用率相对低,但正交性不易破坏,无需额外的比特、频带开销等。

2 FMT-TDMA组网基本原理及帧结构设计

FMT-TDMA系统的帧结构设计如图4所示,载波按照时间划分为时隙,多个时隙构成一帧,其中在一个载波上指定一个时隙为参考时隙、一个时隙为测距时隙。为实现全网时隙同步,指定一个地球站为基准站,基准站在参考时隙内发送参考突发作为各通信站时间基准。测距时隙用于各通信站在初始入网时发送测距突发以实现初始同步捕获。

地球站在分配的载波和时隙上发送突发信号,在某一时刻可以在一个载波上发送也可以在多个载波上同时发送。在接收端,每个地球站都接收所有载波信号,并进行解调[3]。从实现的原理看,任何一个站在载波的任何一个时隙内发送突发信号,所有地球站都能够接收到该信号,因此FMT-TDMA具备单载波TDMA的所有优点,可以方便地构建多点对多点的网状通信或广播网络。

FMT-TDMA卫星通信系统中的定时同步、功率控制以及频率控制等技术与TDMA、MF-TDMA系统类似[4,5,6]。

3多类站型混合组网及信道资源管理技术

一个卫星通信系统中一般根据应用需要会配置多类站型,如0.8 m、1.2 m和2.4 m等各类VSAT站。地球站利用卫星转发器组网通信时,收发通信能力主要取决于其EIRP和G/T值。各类站型EIRP和G/T值的较大差异造成混合组网困难,如何高效解决多类站型混合组网是卫星通信系统面临的一个技术难题。而FMT-TDMA体制可以很好地解决该问题,根据站型的不同发送能力为每个站分配可以同时发送的载波数量。

例如,0.8 m站、1.2 m站和2.4 m站构成的FMT-TDMA系统中,假定全网配置8个1 Mbps载波。0.8 m站根据其收发通信能力仅能同一时刻在一个1 Mbps载波上发送突发信号,而1.2 m站则具备在2个1 Mbps载波上同时发送信号能力,2.4 m站则具备在8个1 Mbps载波上同时发送信号能力。因此,在FMT-TDMA卫星通信系统中,各类站型可以在有效发挥各自能力下构建混合网状网络。

FMT-TDMA系统中信道资源基于载波和时隙进行二维划分,信道资源采用按需按站能力动态分配方式,信道结构如图5所示。

图5中横向表示在时间上划分的时隙,纵向表示多路载波,每一路载波都可以根据实际需求扩展配置为载波组,包含若干路子载波。

地球站在进行信道资源申请时,除携带申请的时隙信道数量外,还需携带本站支持的最多可同时发送的载波数[7,8]。网控中心根据站能力及申请的时隙数、服务质量保证等在FMT载波组内为其分配子载波和时隙信道。由于FMT载波组内不同子载波的同一时隙,既可以分配同一地球站进行信号的发送,也可以分配不同的地球站分别使用,具有较强的实时性和灵活性,能够高效利用宝贵有限的信道资源。

4结束语

FMT-TDMA相对于OFDMA卫星通信系统在频偏、时延和定时等偏差的适应性方面更具有健壮性,可以很好地支持具有多点对多点广播特点的卫星数据链、多类站型混合通信网等系统的应用。但FMT信号也具有与OFDM类似的高峰均比特点,在后续研究中将针对FMT信号特点开展峰均比抑制技术研究,以有效发挥地球站功放增益。

摘要：在分析MF-TDMA体制特点基础上,结合新的数字化实现水平和滤波多音调制技术,提出了一种优化的多频时分多址卫星通信体制FMT-TDMA。对滤波多音调制技术进行了简要介绍,并与正交频分复用技术进行了比较,给出了各自的优缺点,分析了FMT-TDMA体制下的多点对多点网状组网和广播通信机理,设计了帧结构,最后结合示例给出了多类站型混合组网应用和信道资源管理方法。

关键词：滤波多音调制,时分多址,帧结构,信道资源管理

参考文献

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[7]许楠,郝学坤,许众.MF-TDMA卫星通信系统信道分配时间优化方法[J].无线电通信技术,2012,38(2):24-26.

MF-TDMA系统篇3

关键词：MF-TDMA,地面分组网,通信网关,卫星通信

0 引言

在奥运安保、汶川救灾和玉树救灾等突发事件中,卫星通信因其覆盖范围大、开通便捷、通信保障有力等应急保障能力的独特优势得到人们的普遍关注。地面网络具有支持通过卫星通信网能力组网显得越来越迫切和重要,成为当前的混合组网的研究热点之一。

通过对MF-TDMA卫星网这样一种在卫星通信中被广泛应用的卫星通信网以及地面网中当前的重点网络分组网的简单介绍,提出了3种解决方案。然后对其进行了分析比较,对更为合理的通信网关方案进行了比较详细的介绍。

1 MF-TDMA卫星网

MF-TDMA(多频时分多址)卫星网络是由地面主站、备用主站、网控中心、众多从站和卫星转发器等单元组成,系统的主要业务是话音、数据和视频,但各卫通站通信能力大小不同,每个地面站作为主叫或被叫,向网控中心站申请卫星信道资源,网控中心对卫星网络资源与信息进行有效管理与调配,使其可以应对各种复杂的突发情况,适应应用任务、网络本身和外部条件的变化,从而实现卫星网络稳定、可靠、持续和高效运行。

其中,多频(MF)基于多波束透明转发体制,在每个波束上通过TDMA体制可以大大扩展接入站点数量。MF-TDMA卫星通信网因为支持综合业务接入、能够实现大小终端同网工作、可以针对不同的应用需求进行灵活设计等诸多优点而成为目前已成为国内外卫星应用、发展及研究的热点。

2 地面分组网

地面分组网是指基于ATM或者IP等体制的网络体系,支持多种编码话音、同步数据和IP数据等综合业务。

地面分组网中,常用的传输手段包括:微波接力、散射、毫米波、光纤和有线远传等。

目前,地面分组网中针对话音业务(含同步数据业务)常用路由方法有以下几种:确知路由法、饱和路由法和派遣路由法。其中,派遣路由法应用较为广泛,派遣路由法是确知路由法和饱和路由法的优化结合,该方法以饱和路由法为基础,辅助以确知路由方法。派遣路由方法中确知路由使用的“常用被叫用户表”和“链路优先表”通过饱和路由法学习得到和更新,不需要预先配置。派遣路由法的确知路由方法可以解决网络呼叫中的大部分寻址问题,只有少量被叫用户通过饱和路由方法进行寻址。

IP路由协议主要包括:基于距离向量协议的RIP协议、基于链路状态协议的OSPF协议和基于路径向量协议的BGP协议。在地面分组网中,路由协议一般选用OSPF协议,当网络规模较大时,可将其划分为多个AS,AS之间选用BGP协议。不同地面分组网之间选用BGP协议并可支持MPLS VPN。局域网接入时,可选用静态路由方式、RIP或OSPF的动态路由协议。和宽带综合业务信息网互连互通时,选用BGP或OSPF的动态路由协议。

地面分组网的协议处理和网络拓扑的管理上更多是面向相邻节点的。

3 利用MF-TDMA卫星网组网

地面分组网利用MF-TDMA卫星网组网可以有以下3种方案:点对点通信方案、仿真群路通信方案和通信网关方案。下面对3种方案的实现和各自的优缺点进行分析。

3.1 点对点通信

利用卫星通信实现2个组网节点间的一对一中继传输。

该方案的优点在于实现简单。

该方案的缺点包括:无法实现网状网组网;跨节点通信需要经过多跳卫星链路,这样既对成本较高的卫通信道资源造成浪费也大大增大了传输时延和抖动;卫星通信网络利用率很低。

3.2 仿真群路通信

卫星终端设备和地面分组网组网节点间约定一种虚通路方式,仿真出多条中继群路,从而具有一定数量的网状网组网能力。

该方案的优点有:使得一定数量的网状网组网成为可能;不需要跨网转换处理,设计较为简单;网内各综合业务可以实现一跳可达。

该方案的缺点有:组网数量受限,需要在更低的层次区分虚通路,如果在较高层次,则卫星通信设备需要针对地面网体制(ATM、IP体制)等进行适应性改动,降低了卫星通信设备的通用性;带宽利用率不高,过多的冗余信息需要占用卫星信道传输;没能利用卫星通信的广播性特点。

3.3 通信网关

设计一种通信网关,在不改变地面分组网和MF-TDMA卫星网各自技术体制的情况下,通过该通信网关达到充分利用卫星信道特性而实现更大数量网状网组网能力。

该方案的优点有:可以实现大规模的网状网组网;最大限度地利用卫星信道的广播特性;大大提高卫星信道带宽利用效率;地面分组网节点设备和MF-TDMA终端设备无需进行改动,有很高的通用性;所有在网节点的综合业务一跳可达。

该方案的缺点有:需要增加一个设备;需要跨网转换,实现相对复杂。

4 通信网关

通信网关方案中,通信网关是地面分组网综合交换节点和MF-TDMA卫星终端互连的关键设备,与地面分组网和MF-TDMA卫星终端的互连分别需要具有相关互连接口及进行互通的软件支持。下面讨论其需要具备的功能、实现方式和一种典型应用。

4.1 功能

显然,通信网关需要实现地面分组网络通过图1中的连接关系实现网络交换拓扑连接关系。

通信网关需要具备以下功能:① 与地面分组网互通;② 与MF-TDMA卫星终端互通;③ 信令转换;④ 协议转换;⑤ 流量控制;⑥ 网络连通管理。

其中,信令和协议转换以及流量控制是通信网关性能指标所依赖的关键技术。

4.1.1 信令转换

地面分组网中,组网节点(通常为交换设备)需要与相邻节点进行一对一的信令交互。以一个N个组网节点的全连通网络为例:每个节点需要与其他(N-1)个节点进行信令交互,全网共需进行N*(N-1)/2次信令交互,这种信令交互是基于无广播特性的一对一传统中继连接的。

而对于具有广播特性的链路而言,每个节点只需发出一个广播信令,其他节点即可全部收到,不再需要向每个节点发送单播信令,这样N个组网节点的全连通网络则需要N次信令交互,是原有信令方式信令交互次数的2/(N-1),当N=2时,二者相等,随着N的增大,节约带宽资源效果更加明显。

4.1.2 协议转换

下面以FRP协议的转换为例进行说明。

地面分组网动态路由协议FRP软件包括邻居维护模块、路由更新模块、路由计算模块和RTP协议模块。FRP消息流程如图2所示。

专用路由协议(PRP)是针对通信网关专门设计的单播路由协议,用于通信网关之间进行路由沟通。协议采用改进的有线链路单播路由协议模型,充分利用卫星信道的广播特性,采用单播和广播相结合的方式实现协议报文的交互。

4.1.3 流量控制

MF-TDMA(多频时分多址)卫星网络一个显著特点即每个入网卫星站可以灵活分配带宽,如以N*32 kbps的速率进行分配。

这样对于不同作用和地位的地面分组网节点可以根据自身特点灵活配置相邻卫星站的带宽,但是地面分组网络节点与通信网关互连接口不可能设置成N*32 kbps这样的接口速率,在不对地面分组网进行改动的情况下,如何有效地进行流量控制也是需要重点研究的内容之一。

一种常用方法为“业务区分+优先级”方式。通过对支持的接入业务划分为3～4个优先级,如信令和协议为最高优先级,实时业务(话音业务等)为次高优先级,非实时数据业务(如IP数据等)为最低优先级。通信网关根据网管配置的所连卫星站点的带宽分配情况,将带宽量化为除基本信令和协议交互外,对于最低优先级的业务进行一个最低带宽保证,然后可以进行64 kbps的PCM编码话音、16 kbps的CVSD编码话音以及8 kbps的G.729A编码话音分别为多少数量的话路,通过呼叫信令进行相关控制,就可以达到较为灵活的流量控制功能。

4.2 实现方式

4.2.1 硬件平台

硬件平台是整个设备的基础,应该包括:高性能通信处理器、地面分组网互连接口、MF-TDMA终端互连接口、维护接口、网管接口以及电源接口等。

高性能处理器用于提供进行软件设计。因为设计的软件量较大,需要包括地面分组网和MF-TDMA卫星网2个网的大部分协议及信令处理功能,还有跨网转换功能的处理,因此需要选用较高性能的通信处理器。

地面分组网互连接口仅需一个,需符合地面分组网的相关标准。MF-TDMA终端互连接口需要一个,需符合MF-TDMA终端的相关标准。维护接口、网管接口以及电源接口可以具有较高的继承性。一种可能的实现框图如图3所示。

4.2.2 软件设计

软件设计包括:操作系统、地面网互通软件、MF-TDMA卫星网互通软件、综合业务支持、网管软件、维护软件和跨网转换软件等。

其中跨网转换软件是通信网关的关键技术,其他软件可以具有较强的继承性。跨网转换涉及的部分协议改造必须遵循:① 充分利用卫通的广播特性;② 尽可能提高卫通信道资源的利用效率;③ 适应卫通信道的高时延和高抖动等特性。

4.3 典型应用

基于通信网关的一种典型应用是通信网关之间通过MF-TDMA卫星网互连,同时通信网关与综合接入交换设备相连接实现与其他子网的互联互通。

地面分组网的各综合接入交换设备实现全连通网状组网,各综合接入交换设备节点间的各种综合业务可以实现一跳可达的互通。

5 结束语