一言難盡的TDMA（第二回）
——《馬路上的衛(wèi)星》之三

一席VSAT

圖1 RA+DA/PAMA組合

三、復(fù)雜一些的TDMA

從前面對(duì)TDMA技術(shù)里最基本的衛(wèi)星信道訪問方式的介紹中可以看出，RA和DA中的PAMA都不完美，都會(huì)出現(xiàn)時(shí)隙及帶寬浪費(fèi)的情況，而解決之道一是將兩者組合起來使用，二是引入DAMA，以取長補(bǔ)短，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高衛(wèi)星信道的利用率。不過“亂花漸欲迷人眼，潛心才能解難題。”，要是不怕患老花眼的話，就請(qǐng)耐心接著觀賞幾種令人眼花的RA和DA組合技術(shù)吧。

1.RA+DA/PAMA

首先介紹一個(gè)最簡單的組合。如果在某一網(wǎng)絡(luò)中，有些站點(diǎn)的業(yè)務(wù)為稀路由型，而其余站點(diǎn)為重業(yè)務(wù)型，則一個(gè)最簡單的解決方案就是對(duì)時(shí)隙進(jìn)行一下劃分，將其中的一部分規(guī)定為RA時(shí)隙，其余部分規(guī)定為DA時(shí)隙。其中，RA時(shí)隙分配給稀路由站點(diǎn)以隨機(jī)訪問方式共用，而DA時(shí)隙則分配給重型業(yè)務(wù)站點(diǎn)以PAMA固定占用方式專用。（見圖1）

如圖所示，假設(shè)在某一TDMA幀中共有12個(gè)時(shí)隙，其中前4個(gè)時(shí)隙（TS-1至TS-4）被規(guī)定為RA時(shí)隙，為斐濟(jì)、湯加、塞班等稀路由站點(diǎn)以Aloha方式共用，即隨機(jī)占用；而后8個(gè)時(shí)隙（TS-4至TS-12）則被規(guī)定為DA時(shí)隙，分別預(yù)分配給了北京、上海、廣州和烏魯木齊等重型業(yè)務(wù)站點(diǎn)以PAMA固定占用方式專用。

2.RA+DA/DAMA

但是，倘若覺得那后幾個(gè)DA時(shí)隙由于被PAMA固定占用，還有可能會(huì)出現(xiàn)空閑和浪費(fèi)的話，則還可以采用前面提到過的DAMA按需分配多址（Demand Assigned Multiple Access）技術(shù)一塊兒共享，即根據(jù)各個(gè)站點(diǎn)的實(shí)際需要，按需予以分配。（見圖2）

如圖所示，前5個(gè)時(shí)隙（TS-1至TS-5）被規(guī)定為RA時(shí)隙，可以為網(wǎng)絡(luò)中的所有站點(diǎn)（包括北京、上海、斐濟(jì)、塞班等）以Aloha隨機(jī)訪問方式共用；而后7個(gè)時(shí)隙（TS-6至TS-12）則被規(guī)定為DA時(shí)隙，會(huì)被“按需分配”給那些有較多、較重或較持續(xù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)牡孛嬲臼褂?，即DAMA。

這里需要注意有幾個(gè)地方出現(xiàn)了變化：

圖2 RA+TDMA/DAMA組合

一是前面的RA時(shí)隙不僅只用于稀路由站點(diǎn)（如斐濟(jì)、湯加、塞班等），而且還用于了重業(yè)務(wù)站點(diǎn)（如北京、上海等），即所有站點(diǎn)都可以用Aloha的方式隨機(jī)訪問這幾個(gè)RA時(shí)隙。

二是這些RA時(shí)隙不僅用于傳輸業(yè)務(wù)，而且還用于各個(gè)站點(diǎn)傳輸帶寬請(qǐng)求。即當(dāng)某一站點(diǎn)需要傳輸較多、較重或較持續(xù)的業(yè)務(wù)時(shí)，可先通過這幾個(gè)RA時(shí)隙向網(wǎng)絡(luò)控制中心（NCC）發(fā)送申請(qǐng)，請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)將一個(gè)或多個(gè)DA時(shí)隙分配給該站點(diǎn)（當(dāng)然，在申請(qǐng)過程當(dāng)中是有可能發(fā)生碰撞，并不得不重新發(fā)送申請(qǐng)的）。

三是后面的DA時(shí)隙也不再是以PAMA方式只固定地預(yù)分配給某幾個(gè)站點(diǎn)了（如北京、上海、廣州和烏魯木齊等），而是可以根據(jù)各個(gè)站點(diǎn)的實(shí)際業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)量，按需分配給任意站點(diǎn)（包括斐濟(jì)、湯加和塞班等），即DAMA按需分配。

四是站點(diǎn)在按需獲得了后面的若干DA時(shí)隙后，就可以在每一個(gè)TDMA幀里都循環(huán)反復(fù)地使用這些時(shí)隙，暢行無阻地傳輸業(yè)務(wù)，直至業(yè)務(wù)結(jié)束，其間不必再擔(dān)心遭到碰撞。

五是站點(diǎn)在利用DA時(shí)隙完成業(yè)務(wù)傳輸之后，又會(huì)將這些時(shí)隙再釋放出來，交還給網(wǎng)絡(luò)供其它站點(diǎn)申請(qǐng)和使用。

以上過程其實(shí)就是TDMA/DAMA，雖然看著會(huì)覺得有點(diǎn)兒亂，但倘若對(duì)SCPC/DAMA有所了解的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)二者在帶寬按需分配的道理上是一樣的，只不過SCPC/DAMA分配的是一段一段的頻率帶寬，而TDMA/DAMA分配的則是一個(gè)一個(gè)的時(shí)隙帶寬而已。當(dāng)然二者在其它方面，比如組網(wǎng)，也還是有很多和很大差別的，這里就暫且不表了。

3.AA/TDMA

無論是RA+DA/PAMA，還是RA+DA/DAMA，這兩種組合訪問方式都是把時(shí)隙人為地分成了RA和DA兩個(gè)固定的部分。但倘若碰上了一些難纏的用戶抬杠，就像劉三姐[1]怒懟莫老爺?shù)溃?/p>

你歌哪有我歌多，我有十萬八千籮。

平時(shí)全都不吭氣，突然冒個(gè)秀多多。

只因那年漲大水，山歌塞斷九條河。

TDMA可奈何，DARA奈若何？

意思是說：在大多數(shù)情況下，雖然所有站點(diǎn)都是稀路由業(yè)務(wù)（比如信用卡交易），全部時(shí)隙均為RA最好，但在個(gè)別情況下，也不知道會(huì)有哪個(gè)個(gè)別站點(diǎn)突發(fā)重型業(yè)務(wù)（比如大文件傳輸），所以此時(shí)如果很多時(shí)隙，甚至全部時(shí)隙都是DA則又會(huì)更佳。那這又該如何是好呢？

在這種情況下，有一種將RA和DA時(shí)隙混為一體的，稱作AA/TDMA自適應(yīng)分配時(shí)分多址（Adaptive Assignment TDMA）的技術(shù)，可以用來解決這一難題。這里不妨還拿那個(gè)太平洋別墅小區(qū)來舉例做個(gè)說明。

比如某一天塞班家為孩子慶祝生日，邀請(qǐng)親朋好友辦了個(gè)大型的Party（聚會(huì)）。雖然塞班家平時(shí)門可羅雀，車流稀少，沒什么訪客挺清靜的，用的都是Aloha隨機(jī)訪問方式上路，但生日Party那天卻陸陸續(xù)續(xù)、熙熙攘攘聚集了很多很多的客人，開來了很多很多的車輛。

Party結(jié)束后，這些客人紛紛開車離去，在短時(shí)間內(nèi)形成一股不小的車流?？梢韵胂?，當(dāng)這股車流在小區(qū)的道路上行駛的時(shí)候，如果湯加、貝勞、斐濟(jì)等其它住戶還冒冒失失、隨隨便便地開車上路的話，就一定會(huì)發(fā)生碰撞。而如前所述，根據(jù)Aloha的規(guī)則，發(fā)生碰撞的車輛全都必須退回原位，等候一段時(shí)間之后才可以再次隨機(jī)重新上路，而隨機(jī)重新上路則難免又會(huì)再次發(fā)生碰撞。如此反反復(fù)復(fù)，從塞班家開出的車流，不知要?dú)v盡千難萬險(xiǎn)遭到多少次碰撞，重傳多少回，花費(fèi)多少時(shí)間，才能跌跌撞撞地全部駛離小區(qū)。（見圖3）

針對(duì)這種某戶人家偶發(fā)大隊(duì)人馬的情況，采用AA/TDMA自適應(yīng)分配時(shí)分多址技術(shù)又是如何來應(yīng)對(duì)的呢？為便于講解，這里不妨假設(shè)一共有20部車輛需要從塞班家連續(xù)開出。

首先，從塞班家開出的第一輛車還是以Aloha隨機(jī)訪問方式上路的，當(dāng)然這難免會(huì)遭到碰撞。不過在其殺出一條血路僥幸突出重圍后，就可以立即向交管部門報(bào)告，申明還有19部車量滯留在塞班家急需上路，要求交管部門實(shí)施臨時(shí)的交通管制，為這19輛車預(yù)留出一段上路的時(shí)間和空間，而這就相當(dāng)于某一VSAT遠(yuǎn)端站向NCC網(wǎng)控中心預(yù)約時(shí)隙。（見圖4）

交管部門在收到這一請(qǐng)求后，如果沒有其它什么特殊情況，就會(huì)實(shí)施臨時(shí)的交通管制，為這19部車輛預(yù)留出一個(gè)時(shí)間段兒，在馬路上騰出車道專供塞班家使用（即DA）。而為了避免發(fā)生碰撞，其它住戶的車輛在這一期間將全被禁止上路。這就相當(dāng)于NCC網(wǎng)控中心為VSAT遠(yuǎn)端站預(yù)分配時(shí)隙。如此一來，滯留在塞班家里的剩余車輛就可以暢行無阻地順利駛離了。（見圖5）

不過像這樣的請(qǐng)求也許不只一家有，可能會(huì)有好幾戶人家都需要DA時(shí)隙傳輸業(yè)務(wù)，而且還都把申請(qǐng)成功地發(fā)送到了交管中心。在這種情況下，就需要根據(jù)這些人家及其車輛的重要性和優(yōu)先級(jí)（如QoS）來分配DA時(shí)隙了。比如說，如果只有劉三姐家和阿牛哥家[1]的十八手牛糞車要求上路，那么DA時(shí)隙就可以分配給這兩戶門當(dāng)戶對(duì)的貧苦人家平均使用；但是倘若莫老爺家[1]有運(yùn)送金銀財(cái)寶的勞斯萊斯豪車要上路，那么DA時(shí)隙就會(huì)被首先分配給莫老爺家使用了。

圖3 偶發(fā)重型業(yè)務(wù)時(shí)的RA

圖4 AA/TDMA-時(shí)隙初始均為RA

圖5 AA/TDMA-大部分時(shí)隙轉(zhuǎn)變?yōu)镈A

圖6 AA/TDMA幀結(jié)構(gòu)

圖7 AA/TDMA操作過程

也許有人覺得AA/TDMA方式與前面的RA+DA/DAMA方式很相似，但如果仔細(xì)注意一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)：在RA+DA/DAMA方式中，RA和DA時(shí)隙還是被分開的；而在AA/TDMA方式中，就不分什么RA和DA時(shí)隙了，每個(gè)時(shí)隙都既可能是RA，也可能是DA，究竟哪些是RA，哪些是DA，什么時(shí)候是RA，什么時(shí)候是DA，則全靠自適應(yīng)了。（見圖6）

如果搞得正式一點(diǎn)兒的話，則上述AA/TDMA的主要過程可以通過圖7來進(jìn)行描述：

AA/TDMA中的主要過程，包括VSAT遠(yuǎn)端站如何隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包，如何爭搶時(shí)隙和發(fā)生碰撞，如何延時(shí)重發(fā)，如何最后獲得固定時(shí)隙，以及如何以DA方式連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)等步驟，均已在圖中標(biāo)明，這里就不再一一贅述了。不過細(xì)心一些的讀者或許會(huì)問：“圖中怎么沒有見到主站發(fā)射？主站為VSAT遠(yuǎn)端站分配DA時(shí)隙的信令又是怎樣發(fā)送到VSAT遠(yuǎn)端站的呢？”

由于主站不僅是全網(wǎng)的業(yè)務(wù)中心（Hub），而且還往往是全網(wǎng)的控制中心（NCC）和管理中心（NMS），還負(fù)責(zé)把各種各樣的控制和管理信息及時(shí)無誤地傳達(dá)給所有站點(diǎn)，所以其作用和地位極為重要，一般是不會(huì)與VSAT遠(yuǎn)端站“摻和”在一起，用Aloha這樣low（低級(jí)）的隨機(jī)訪問方式去爭搶時(shí)隙的，而是會(huì)單獨(dú)占據(jù)一段帶寬專門傳送信令，以免因碰撞而耽誤了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制和管理，影響全網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

比如在一個(gè)典型的TDM/TDMA星狀網(wǎng)中，或在一個(gè)以TDM/TDMA為CSC公共信令信道[2]的SCPC/DAMA網(wǎng)絡(luò)中，主站就是通過獨(dú)占一段頻率帶寬，發(fā)射一個(gè)TDM出境載波，以廣播方式向所有VSAT遠(yuǎn)端站發(fā)號(hào)施令，來分配時(shí)隙帶寬或頻率帶寬的；而在一個(gè)典型的純TDMA或MFTDMA網(wǎng)狀網(wǎng)中，主站則是通過占用一到幾個(gè)專用時(shí)隙，把包括TDMA同步參考在內(nèi)的信令，以廣播的方式傳送所有站點(diǎn)，為各個(gè)站點(diǎn)分配時(shí)隙帶寬。由于不同VSAT系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的通信體制各不相同，而圖7著重想要說明的是VSAT遠(yuǎn)端站訪問和占用TDMA信道的過程，并非主站的工作方式，所以就有意略去了對(duì)主站的標(biāo)注。

另外，這里介紹的僅僅是一路TDMA信道中的若干RA+DA組合。倘若結(jié)合多頻（MF）和跳頻（FH）技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置多路TDMA信道并實(shí)施跳頻操作的話，則還可以變出更多種花樣兒。比如把一路信道全部設(shè)為RA時(shí)隙，專門用于各個(gè)站點(diǎn)發(fā)送帶寬請(qǐng)求信息，而其它信道則全部設(shè)為DA時(shí)隙，專門用于固定分配（PAMA）或按需分配（DAMA）給各個(gè)站點(diǎn)傳輸業(yè)務(wù)等等，這里就不一一介紹了。只要清楚一點(diǎn)，折騰這些的目的都是要取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮RA和DA，PAMA和DAMA的各自優(yōu)勢(shì)，以提高包括響應(yīng)時(shí)間、信道利用率等在內(nèi)的TDMA性能就可以了。

后記：SCPC和TDMA之爭

二、三十年前還沒有移動(dòng)通信的時(shí)候，VSAT就已經(jīng)在世界各地紅紅火火地發(fā)展并得到了廣泛應(yīng)用，而那時(shí)的一個(gè)熱門話題就是SCPC和TDMA孰優(yōu)孰劣?？啥畮啄旰蟮慕裉?，當(dāng)移動(dòng)通信都已經(jīng)發(fā)展到4G，并大踏步邁向5G的時(shí)候，VSAT卻沒有什么實(shí)質(zhì)性的變化，很多VSAT系統(tǒng)仍然徘徊在FDMA和TDMA之間，甚至仍舊停留在FDMA的水平上，而很多的討論則仍然是對(duì)SCPC和TDMA技術(shù)的優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比。這里姑且不說結(jié)論如何，單從這一現(xiàn)象就可看出衛(wèi)星通信的發(fā)展還是相當(dāng)緩慢的。倘若拿移動(dòng)通信來作對(duì)比的話，衛(wèi)星通信迄今也只發(fā)展到了2G的階段（TDMA），相當(dāng)一部分還依舊停留在1G（SCPC）和1.5G（TDM/TDMA）的水平上。

這里面的原因很多，其中之一恐怕就是和TDMA，尤其是純TDMA技術(shù)較難理解有關(guān)。如前所述，移動(dòng)通信從1G的FDMA到2G的TDMA，再到3G的CDMA，再到現(xiàn)在4G的OFDMA，原理是越來越復(fù)雜，懂得的人也是越來越少，真可謂從“下里巴人”到“陽春白雪”，“其曲彌高，其和彌寡”。而同樣在衛(wèi)星通信中，相比于SCPC等頻分多址技術(shù)，真正懂得TDMA，尤其是純TDMA時(shí)分多址技術(shù)的人也要少得很多。

但值得一提的是，《宋玉對(duì)楚王問》的最后還有這樣一段話：“故鳥有鳳而魚有鯤。鳳皇上擊九千里，絕云霓，負(fù)蒼天，足亂浮云，翱翔乎杳冥之上。夫蕃籬之鷃（yàn），豈能與之料天地之高哉？鯤魚朝發(fā)昆侖之墟，暴（pù）鬐（qí）于碣石，暮宿于孟諸。夫尺澤之鯢（ní），豈能與之量江海之大哉？”。

就是說，SCPC和TDMA雖然有著“鳳與鷃”和“鯤與鯢”的巨大差別，但衛(wèi)星通信要有所發(fā)展，不管理解上有多少困難，都要必須努力完成從SCPC“趴趴貓”到TDMA“跳跳虎”的轉(zhuǎn)變[3]。

注釋

[1]劉三姐、阿牛哥和莫老爺均為電影《劉三姐》中的人物，其中劉三姐和阿牛哥代表貧窮的老百姓，而莫老爺則代表富有的土財(cái)主。

[2]CSC意為公共信令信道，其英文原文為“Common Signaling Channel”。

[3]有關(guān)SCPC趴趴貓和TDMA跳跳虎的含義，請(qǐng)參閱《馬路上的衛(wèi)星之一：信道和載波》。而有關(guān)SCPC和TDMA技術(shù)在帶寬上的分析和比較，請(qǐng)參閱本系列后續(xù)文章《TDMA和SCPC的帶寬效率》。