MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道載波動(dòng)態(tài)調(diào)整算法

許 楠

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

多頻時(shí)分多址(MF-TDMA)衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一種采用頻分和時(shí)分相結(jié)合的二維多址方式進(jìn)行組網(wǎng)通信的衛(wèi)星通信系統(tǒng)[1]，由于其具有靈活的接入和交換能力、靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、高效的衛(wèi)星資源利用率和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力[2]，可以較好地滿足中速率節(jié)點(diǎn)間以及以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的用戶間組網(wǎng)通信[3]，在國內(nèi)外衛(wèi)星通信中被廣泛應(yīng)用[4]。

MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)之所以高效，是因?yàn)榭稍诓煌俾实妮d波上靈活進(jìn)行時(shí)隙資源的分配[5]。但是由于載波配置由網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃決定，當(dāng)網(wǎng)內(nèi)的業(yè)務(wù)量不規(guī)則持續(xù)變化時(shí)，載波速率和數(shù)量固定不變[6]，使得遠(yuǎn)端站的業(yè)務(wù)需求長期得不到滿足或者信道利用率大大降低[7]。

因此，如何動(dòng)態(tài)地根據(jù)網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù)量和業(yè)務(wù)量變化實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)載波的配置[8]，在滿足用戶需求的前提下努力提高信道帶寬資源的利用率[9]，使整個(gè)通信系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效地進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，一直是MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵課題[10]。

本文提出一種動(dòng)態(tài)調(diào)整載波的算法，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整信道內(nèi)的載波配置情況，使得信道傳輸能力滿足實(shí)際需求的同時(shí)，不會造成信道內(nèi)帶寬資源的浪費(fèi)，長期空閑的資源可用于其他網(wǎng)系或任務(wù)，極大地提高了系統(tǒng)的整體性能。

1 載波預(yù)規(guī)劃

1.1 分配約束條件

MF-TDMA系統(tǒng)的信道可以抽象理解為一個(gè)二維矩陣[11]，其中行表示不同頻率的載波，列表示劃分的時(shí)間周期[12]。載波配置過程可以看作是：在一定的約束條件下，將一段頻帶資源劃分為不同的載波，供網(wǎng)內(nèi)的終端進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[13]。約束條件主要有以下3個(gè)方面：① 每一個(gè)類型的終端站至少對應(yīng)一個(gè)收發(fā)載波；② 每一類型的載波數(shù)量和規(guī)劃終端站數(shù)量相匹配；③ 不同載波之間存在保護(hù)間隔，所有載波帶寬資源之和不超過總頻帶資源。

1.2 分配過程

目前，最常見的載波配置方法是采取預(yù)規(guī)劃的方式。該方法的計(jì)算需要在組網(wǎng)工作之前的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)完成。載波預(yù)規(guī)劃的具體流程如圖1所示。

圖1 載波預(yù)規(guī)劃的流程

首先規(guī)劃網(wǎng)內(nèi)所需的終端類型，確定每一類型終端的收發(fā)能力；其次分別規(guī)劃每一類型終端的數(shù)量，并預(yù)測每一個(gè)終端的業(yè)務(wù)量需求；然后根據(jù)已規(guī)劃的終端能力和業(yè)務(wù)量，配置生成不同速率的載波；將載波配置和可用的頻帶資源進(jìn)行比較，是否能夠滿足，若不能滿足所有載波需求，對所有類型的載波數(shù)量進(jìn)行等比例壓縮；最終的載波配置結(jié)果下發(fā)至網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行組網(wǎng)工作，載波的速率、數(shù)量都不再進(jìn)行調(diào)整變化。

1.3 算法分析

載波預(yù)規(guī)劃的優(yōu)點(diǎn)是過程簡單、容易實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程穩(wěn)定可靠[14]。

缺點(diǎn)是在不同場景下會出現(xiàn)信道的效率低下和用戶的業(yè)務(wù)需求滿足率低[15]。在組網(wǎng)初始階段或正常組網(wǎng)時(shí)，遠(yuǎn)端站終端入網(wǎng)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)劃時(shí)會出現(xiàn)大量載波空閑導(dǎo)致的信道浪費(fèi)[16]。

當(dāng)某種類型的終端入網(wǎng)數(shù)量或業(yè)務(wù)量激增時(shí)，信道內(nèi)該速率的載波利用率達(dá)到滿載荷，依然不能全部滿足業(yè)務(wù)需求。而信道內(nèi)的其他載波依然空閑，得不到利用[17]。

導(dǎo)致這些現(xiàn)象的根本原因是信道的規(guī)劃配置和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行后時(shí)刻變化的業(yè)務(wù)需求不能保持完全匹配[18]。這是因?yàn)檩d波預(yù)規(guī)劃算法是在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行之前，對可能出現(xiàn)的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行預(yù)測，并兼顧到所有的終端站[19]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)和預(yù)期規(guī)劃有所出入時(shí)，信道使用和用戶體驗(yàn)便不能保證處于最優(yōu)的狀態(tài)[20]。

2 載波動(dòng)態(tài)調(diào)整算法

2.1 原理

載波動(dòng)態(tài)調(diào)整算法所要解決的是MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，載波配置不能夠根據(jù)業(yè)務(wù)量變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而導(dǎo)致業(yè)務(wù)需求得不到滿足或者信道利用率低的難題。旨在提供一種可靈活適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、高效可靠的信道載波動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)。

載波動(dòng)態(tài)調(diào)整算法遵循MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本資源申請、分配和使用的原則，通過對業(yè)務(wù)帶寬申請的統(tǒng)計(jì)和分析，和當(dāng)前的信道載波容量進(jìn)行判定，自適應(yīng)地選擇載波擴(kuò)展、載波回收以及載波保持3種方式中的一種，然后調(diào)整遠(yuǎn)端站和載波的值守關(guān)系，以達(dá)到載波負(fù)載均衡的目的。載波調(diào)整完畢后，根據(jù)業(yè)務(wù)申請?jiān)谂渲玫妮d波上進(jìn)行時(shí)隙資源的分配，并下發(fā)全網(wǎng)。

該方法的本質(zhì)是對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的不斷變化業(yè)務(wù)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。資源分配單元通過監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)每一個(gè)終端、每一個(gè)業(yè)務(wù)的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并對業(yè)務(wù)量的增減進(jìn)行一定的預(yù)測，掌握了一段時(shí)間內(nèi)的業(yè)務(wù)量的變化趨勢，以此來對信道的載波配置進(jìn)行適應(yīng)性的修改，最大程度地保持信道能力和業(yè)務(wù)的一致性。

該方法需要在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整，運(yùn)算開銷較預(yù)規(guī)劃方法較大，并且載波調(diào)整的頻率不能過于頻繁，否則會影響網(wǎng)內(nèi)的正常通信。

2.2 具體實(shí)現(xiàn)

具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

① 在接收到所有遠(yuǎn)端站的業(yè)務(wù)時(shí)隙申請信息后，按照遠(yuǎn)端站的發(fā)送能力和業(yè)務(wù)目的站的接收能力，對申請信息進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。

② 對系統(tǒng)的信道容量進(jìn)行評估，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)內(nèi)不同速率的載波數(shù)量和每條載波的帶寬資源。

③ 根據(jù)網(wǎng)內(nèi)的載波配置情況和遠(yuǎn)端站的帶寬申請，比較信道內(nèi)不同速率載波的容量是否遠(yuǎn)超出遠(yuǎn)端站的業(yè)務(wù)帶寬需求。如果當(dāng)前的載波速率和數(shù)量配置遠(yuǎn)超出所有遠(yuǎn)端站的帶寬需求，則轉(zhuǎn)入步驟④；否則轉(zhuǎn)入步驟⑤。

④ 計(jì)算信道容量超出遠(yuǎn)端站需求的帶寬大小，轉(zhuǎn)換為載波的速率和數(shù)量，根據(jù)速率和數(shù)量進(jìn)行載波的回收?；厥盏倪^程中，優(yōu)先選取帶寬利用率較低的載波進(jìn)行回收，并且對回收載波上正在通信的業(yè)務(wù)向其他在載波上進(jìn)行無抖動(dòng)移植，保證用戶通信的服務(wù)質(zhì)量。

⑤ 根據(jù)網(wǎng)內(nèi)的載波配置情況和遠(yuǎn)端站的帶寬申請，比較信道內(nèi)不同速率載波的容量能否滿足遠(yuǎn)端站的業(yè)務(wù)帶寬需求。如果當(dāng)前的載波速率和數(shù)量配置能夠滿足所有遠(yuǎn)端站的帶寬需求，則轉(zhuǎn)入步驟⑦；否則轉(zhuǎn)入步驟⑥。

⑥ 計(jì)算遠(yuǎn)端站超出信道容量的帶寬大小，轉(zhuǎn)換為載波的速率和數(shù)量，根據(jù)速率和數(shù)量進(jìn)行載波的擴(kuò)展。

⑦ 根據(jù)遠(yuǎn)端站的實(shí)際業(yè)務(wù)需求和載波數(shù)量，對遠(yuǎn)端站對載波的值守情況進(jìn)行調(diào)整，保證所有載波上的業(yè)務(wù)均衡。

⑧ 根據(jù)所有遠(yuǎn)端站的業(yè)務(wù)帶寬申請，在配置完畢的載波上進(jìn)行時(shí)隙資源的分配，將載波配置結(jié)果和載波時(shí)隙分配結(jié)果通過參考突發(fā)下發(fā)到每一個(gè)遠(yuǎn)端站。

⑨ 遠(yuǎn)端站接收到載波配置和時(shí)隙分配信息后，在規(guī)劃的時(shí)間和頻點(diǎn)上進(jìn)行突發(fā)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

載波動(dòng)態(tài)調(diào)整算法的具體流程如圖2所示。

圖2 載波動(dòng)態(tài)調(diào)整算法流程

3 仿真優(yōu)化

針對MF-TDMA系統(tǒng)，對載波預(yù)規(guī)劃的過程和動(dòng)態(tài)調(diào)整算法進(jìn)行模擬和仿真。仿真的具體條件設(shè)定如下：

① 網(wǎng)絡(luò)的終端站規(guī)模為1 000；

② 頻帶資源池為100 MHz；

③ 終端站根據(jù)收發(fā)能力分為8類；

④ 與終端站能力對應(yīng)，載波類型按速率也分為8檔，分別為64 ksps，128 ksps，256 ksps，512 ksps，1 Msps，2 Msps，4 Msps，8 Msps；

⑤ 終端站的開機(jī)入網(wǎng)時(shí)間服從泊松分布；

⑥ 終端站入網(wǎng)后的業(yè)務(wù)需求服從隨機(jī)分布，范圍為[0，N]，N為終端發(fā)送能力上限。

3.1 預(yù)規(guī)劃

預(yù)規(guī)劃算法的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)如圖3所示。圖3中的2條曲線分別表示網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程的不同階段，系統(tǒng)的信道利用率和用戶的業(yè)務(wù)滿足率變化情況。

圖3 預(yù)規(guī)劃算法的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)

由仿真結(jié)果可知，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的不同階段，信道利用情況和用戶業(yè)務(wù)需求滿足情況會隨著入網(wǎng)用戶數(shù)量和業(yè)務(wù)需求的變化而變化。

在組網(wǎng)的初始階段，網(wǎng)內(nèi)的入網(wǎng)用戶較少，而信道大量資源處于空閑狀態(tài)，因此用戶的業(yè)務(wù)滿足率處于100%，而信道利用率很低。

隨著入網(wǎng)用戶的增多和業(yè)務(wù)量的增長，信道利用率逐步增加，直到所有的資源全部被占用，利用率達(dá)到100%；而用戶的業(yè)務(wù)滿足率逐漸下降。

3.2 載波動(dòng)態(tài)調(diào)整算法

載波動(dòng)態(tài)調(diào)整算法的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)如圖4所示。

由仿真結(jié)果可知，無論是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的初始階段還是穩(wěn)定運(yùn)行階段，信道的利用率始終穩(wěn)定保持在較高的水平。而用戶的業(yè)務(wù)滿足率也保持在較高水平，直到用戶數(shù)量和業(yè)務(wù)量超出信道能力上限后，業(yè)務(wù)滿足率開始逐步下降。

圖4 載波動(dòng)態(tài)調(diào)整算法的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)

通過對比可知，載波動(dòng)態(tài)調(diào)整算法能夠在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化的過程中，自適應(yīng)地調(diào)整信道的容量，始終保持信道與用戶需求的一致，保證了MF-TDMA通信系統(tǒng)的高效和穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

通過對MF-TDMA系統(tǒng)頻帶資源的載波預(yù)規(guī)劃算法進(jìn)行分析，提出了載波動(dòng)態(tài)調(diào)整算法。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)業(yè)務(wù)量，根據(jù)業(yè)務(wù)量變化趨勢，在頻帶資源池內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整載波的配置情況，滿足用戶業(yè)務(wù)需求的同時(shí)提高了信道利用率。通過仿真分析，表明本文方法可以有效地保證MF-TDMA系統(tǒng)內(nèi)信道的載波配置和用戶需求變化的一致性。