一種針對(duì)超短波電臺(tái)接入網(wǎng)的混合信道接入方案

黃偉強(qiáng)，謝映海（.廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，50663）

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一種針對(duì)超短波電臺(tái)接入網(wǎng)的混合信道接入方案

黃偉強(qiáng)1，謝映海1
（1.廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，510663）

摘要：為超短波電臺(tái)接入網(wǎng)提供了一種混合信道接入方案，方案借鑒了民用接入技術(shù)的一些先進(jìn)理念，并結(jié)合軍用跳頻電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的特殊業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，采用了一種靜態(tài)TDMA、動(dòng)態(tài)TDMA和頻分多址FDMA的混合信道接入策略，實(shí)現(xiàn)了多用戶多業(yè)務(wù)傳輸?shù)腝OS保障，滿足了軍用業(yè)務(wù)的特殊傳輸需求。

關(guān)鍵詞：超短波跳頻電臺(tái)；無線接入網(wǎng)；混合信道接入

0 前言

由于超短波頻段（30MHz～512MHz）頻段較低，在無線信道傳輸?shù)乃ヂ涮匦暂^好，同時(shí)具備更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境，因此成為了軍用戰(zhàn)術(shù)通信的一個(gè)專用通信頻段。

在該頻段的通信系統(tǒng)中，類似于民用基站系統(tǒng)的無線接入網(wǎng)是一種常見的組網(wǎng)方式，差異性主要體現(xiàn)在民用基站系統(tǒng)是復(fù)雜的廣域多小區(qū)通信系統(tǒng)，不同的小區(qū)基站之間通過光纖進(jìn)行連接；而軍用的無線接入網(wǎng)一般網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模較小，如單個(gè)車載形態(tài)或升空形態(tài)的移動(dòng)基站和幾十個(gè)地面移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，覆蓋半徑區(qū)域一般要求幾十公里。

1 軍用業(yè)務(wù)的特殊傳輸需求

無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能表現(xiàn)直接取決于網(wǎng)絡(luò)所應(yīng)用的特定環(huán)境和業(yè)務(wù)特點(diǎn)。歸納起來，影響網(wǎng)絡(luò)性能的環(huán)境和特點(diǎn)包括節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型（運(yùn)動(dòng)模型）、信道模型、業(yè)務(wù)流量模型等因素。同時(shí)，組網(wǎng)協(xié)議（如路由協(xié)議和信道接入控制協(xié)議等）的設(shè)計(jì)也要充分考慮網(wǎng)絡(luò)的上述各種模型和特定需求，從而達(dá)到盡可能貼近實(shí)用的目標(biāo)。

在軍用接入網(wǎng)中，影響信道接入方案的設(shè)計(jì)思路主要取決于業(yè)務(wù)模型。為設(shè)計(jì)出合適的接入方案，文獻(xiàn)［2］通過分析相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用的具體需求，總結(jié)起來主要有如下幾點(diǎn)：

①數(shù)據(jù)和話音的組播和廣播業(yè)務(wù)的傳輸占據(jù)重要地位；

②話音為軍隊(duì)中特有的半雙工聲碼話，需要高質(zhì)量的編碼器，業(yè)務(wù)速率2400bps；

圖1 混合多址接入時(shí)隙設(shè)計(jì)示意圖

③話音的低時(shí)延和低抖動(dòng)的QoS要求非常重要。500ms的端到端話音的最大時(shí)延是可忍受的，因此200ms的話音的緩沖區(qū)是較佳選擇；

④業(yè)務(wù)種類多樣，包括一些可預(yù)測(cè)的業(yè)務(wù)和大量突發(fā)業(yè)務(wù)；

⑤優(yōu)先級(jí)高的用戶或業(yè)務(wù)需要優(yōu)先提供資源。

2 基于混合多址接入?yún)f(xié)議的設(shè)計(jì)

2.1 混合多址接入?yún)f(xié)議。混合信道接入機(jī)制可以融合了競(jìng)爭隨機(jī)接入機(jī)制和固定分配機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，成為了目前無線信道接入技術(shù)的主流設(shè)計(jì)思路。通信空閑時(shí)段，利用競(jìng)爭接入機(jī)制的MAC協(xié)議，減少緊急業(yè)務(wù)的等待延時(shí)；通信繁忙時(shí)段，則通過固定分配機(jī)制的MAC協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無分組碰撞，增大吞吐量。

本文考慮信道訪問的有效性，設(shè)計(jì)了一種面向語音、數(shù)據(jù)等周期性業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙預(yù)約策略。進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸時(shí)，語音、數(shù)據(jù)時(shí)隙的按需分配機(jī)制首先要求節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)隙預(yù)約操作，時(shí)隙預(yù)約成功，己預(yù)約的時(shí)隙才可以為語音、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的專用時(shí)隙，可以按照TDMA方式實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)周期性無沖突的傳輸；當(dāng)語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸結(jié)束時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)進(jìn)行取消己預(yù)約時(shí)隙操作。

2.2 混合多址接入策略分析。常用的超短波跳頻電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)主要包括無中心自組織網(wǎng)、接入網(wǎng)兩種，接入網(wǎng)能很好地解決用戶隨遇接入問題而逐漸普及。本文將基于接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)形式，提出混合多址接入的設(shè)計(jì)策略，其中，中心站發(fā)起的業(yè)務(wù)為下行業(yè)務(wù)、采用寬帶的多載波傳輸技術(shù)，移動(dòng)站發(fā)起的業(yè)務(wù)為上行業(yè)務(wù)、采用窄帶的單載波傳輸技術(shù)。超短波跳頻電臺(tái)的接入策略需要考慮同時(shí)支持多路語音用戶接入、語音和數(shù)據(jù)同傳、兼顧大容量及小容量兩種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延、抗干擾性能等。為提高業(yè)務(wù)的信道利用率，將時(shí)隙資源分為固定時(shí)隙和預(yù)約時(shí)隙兩類，采用動(dòng)態(tài)TDMA、靜態(tài)TDMA、窄帶時(shí)頻二維接入等協(xié)議進(jìn)行混合接入的優(yōu)化策略。固定時(shí)隙根據(jù)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)配置情況預(yù)先為每個(gè)節(jié)點(diǎn)固定分配若干上行時(shí)隙，用于語音、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸；預(yù)約時(shí)隙適用于具有大容量通信業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐ㄐ殴?jié)點(diǎn)，當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)需要發(fā)起大容量通信業(yè)務(wù)（如多媒體）時(shí)，首先進(jìn)行時(shí)隙預(yù)約，公告所發(fā)起的多媒體業(yè)務(wù)持續(xù)時(shí)間、種類和優(yōu)先級(jí)等信息，預(yù)約成功后即一直占用若干的預(yù)約時(shí)隙，直到業(yè)務(wù)結(jié)束或更高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)搶占。

2.2.1 上行語音業(yè)務(wù)的通信

每個(gè)子幀固定預(yù)留了6個(gè)上行固定分配語音時(shí)隙（D14～D19），每個(gè)語音時(shí)隙可采用窄帶頻分多址技術(shù)（FDMA）實(shí)現(xiàn)J路語音的傳輸，即每個(gè)子幀同時(shí)支持6×J路上行語音業(yè)務(wù)的傳輸，語音業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延不大于Y毫秒，每個(gè)時(shí)元X秒內(nèi)支持6×J×N路上行語音業(yè)務(wù)的傳輸。語音業(yè)務(wù)可分多個(gè)優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)語音可強(qiáng)插。

2.2.2 上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的通信

每個(gè)子幀固定預(yù)留了6個(gè)上行固定分配數(shù)據(jù)時(shí)隙（E20～E25），每個(gè)數(shù)據(jù)信道可采用窄帶頻分多址技術(shù)（FDMA）實(shí)現(xiàn)K路小容量的窄帶數(shù)據(jù)傳輸，即每個(gè)子幀同時(shí)支持6×K路上行窄帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，可保證窄帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性，每個(gè)時(shí)元X秒內(nèi)支持6×K×N路上行窄帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，可保證多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入時(shí)傳輸窄帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性。

每個(gè)子幀設(shè)置了5個(gè)動(dòng)態(tài)分配寬帶時(shí)隙（C09～C13），供部分存在大容量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的節(jié)點(diǎn)臨時(shí)預(yù)約使用，每個(gè)時(shí)元X秒內(nèi)支持5×N路寬帶時(shí)隙，可滿足多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入時(shí)傳輸大容量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。

2.2.3 下行廣播時(shí)隙

每個(gè)子幀固定預(yù)留了3個(gè)下行固定分配廣播時(shí)隙（A01～A03），每個(gè)廣播時(shí)隙可采用寬帶傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)勤務(wù)信息的傳輸。

2.2.4 下行語音/數(shù)據(jù)時(shí)隙

每個(gè)子幀固定預(yù)留了5個(gè)下行語音/數(shù)據(jù)時(shí)隙（B04～B08），每個(gè)時(shí)隙可采用寬帶傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)下行語音/數(shù)據(jù)的廣播。

2.3 混合多址協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖2所示。在網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中，多址接入控制功能劃分在數(shù)據(jù)鏈路層。設(shè)計(jì)過程，根據(jù)混合多址接入?yún)f(xié)議原理，對(duì)各功能部分進(jìn)行細(xì)化。圖2中對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路層的部分功能進(jìn)行劃分，網(wǎng)絡(luò)鏈路層主要包括MAC層和LLC層協(xié)議，MAC層負(fù)責(zé)無線信道訪問控制，包括TDMA時(shí)隙控制、網(wǎng)絡(luò)同步控制、時(shí)隙動(dòng)態(tài)預(yù)約控制、CSMA競(jìng)爭接入控制、物理收發(fā)控制等模塊；LLC層主要包括鏈路收發(fā)管理機(jī)制模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)差錯(cuò)控制，提供重傳確認(rèn)機(jī)制。

圖2 混合多址協(xié)議架構(gòu)

3 結(jié)論

本文對(duì)超短波跳頻電臺(tái)多址接入技術(shù)進(jìn)行了分析，通過采用靜態(tài)TDMA、動(dòng)態(tài)TDMA、頻分多址FDMA等混合接入的優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入時(shí)的語音、小容量數(shù)據(jù)、大容量數(shù)據(jù)等多種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸。與靜態(tài)TDMA接入策略相比，該混合接入策略具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大、傳-輸時(shí)延小、支持業(yè)務(wù)種類豐富等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，通過對(duì)多址接入?yún)?shù)的靈活調(diào)整，可滿足不同使用需求的通信業(yè)務(wù)的傳輸，大大提升網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)

［1］查加林.超短波跳頻電臺(tái)多址接入技術(shù)分析［J］.通信世界，2015，7（14）：56

［2］安姍姍.超短波電臺(tái)混合多址接入技術(shù)研發(fā)［D］.西安電子科技大學(xué)，2013.

［3］Narrow Band Voice Coder［S］， NATO Standard STANAG 4591， 2002.

For a VHF radio access network hybrid channel access scheme

Huang Weiqiang1，Xie Yinghai1
（1.Guangzhou Haige Communications Group Limited by Share Ltd 510663）

Abstract：For the VHF radio access network provides a hybrid channel access scheme，the method uses the civilian access technology of some advanced concepts，combined with military frequency hopping radio network of the special requirements of business applications， using a static TDMA，dynamic TDMA and frequency division multiple access FDMA hybrid channel access strategy， realize the multi-user and multi service transmission QoS guarantee，to meet the special transmission requirement of military operations.

Keywords：VHF radio；wireless access network；hybrid channel access

作者簡介

黃偉強(qiáng)，1980.2，男，漢族，廣東省肇慶市，廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，工程師，學(xué)士，無線電通信技術(shù)研發(fā)

謝映海，1983.7，男，漢族，福建省莆田市，廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，高級(jí)工程師，通信與信息系統(tǒng)博士，數(shù)字語音信號(hào)處理