MF—TDMA卫星通信系统数据广播技术研究

摘 要 在使用透明转发器的MF-TDMA（多频时分多址）卫星通信系统内，利用频率跳变收发、变速率调制解调技术结合信道资源分时按需分配机制，可实现点对点业务对全部载波资源的高效利用，极大的扩展了系统容量。但多载波组网的特点也使广播业务所占用的信道资源成倍增加。通过对透明转发的MF-TDMA体制特点和常见广播实现方式的研究，提出了一种基于多解调器分路解调的解决方案，有效解决了多载波扩容和广播业务实现间的矛盾。

关键词 MF-TDMA；广播；信道资源

中图分类号：TN927 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0027-02

1 MF-TDMA卫星通信系统简介

MF-TDMA卫星通信系统是在传统单载波TDMA系统的基础上引入了频率跳变发送和接收、变速率调制解调技术，从而可以利用一套调制解调设备，使得各地面站可以分时在多个载波进行收发。如图1所示，除了参考时隙所有站均跳到载波1的频点速率接收参考外，其他时刻，各站的解调器职守在某一条载波上，发往某站的数据将在分配的时隙内跳到该站的职守载波进行发送，也就“发跳收不跳”。通过有针对性的将业务站分配到不同载波职守，可将业务数据分摊到多个载波发送。并结合TDMA按需分配机制，将各站对信道资源的共享扩展到多条载波上。图1MF-TDMA系统中，AB站和CD间业务分散到了载波2和载波3上，同时，对业务量不大的E站，则职守在一条较低速率载波，以减少带宽使用。

图1 MF-TDMA系统帧结构示意

MF-TDMA系统提高了系统应用的灵活性，实现了TDMA系统的扩容，但也带来了一些问题。由于各站对所有载波的共享是基于跳频发送实现的，因此在一个站无法在同一时隙内在多个载波下发送。如图1所示，B站在第n时隙被分配向E站所在的1载波发送数据，那么该时隙B站将能再向2、3载波的n时隙发送数据。这种原则被称为MF-TDMA资源分配过程中的“载波间时隙分配躲避原则”。由于这条基本原则的存在，在MF-TDMA系统中，为了达到广播的目的，广播站往往需要重复占用多个载波的信道资源，大大降低了系统传输效率，这对于有着大量多点广播业务的卫星通信网络，例如IP通信网、视频会议网络等产生了很大影响，限制了系统应用。因此，有必要对MF-TDMA卫星通信系统数据广播技术进行研究，解决广播在多载波应用上的效率问题。

2 MF-TDMA系统三种数据广播方式

目前MF-TDMA系统实现广播的方式主要有三种：多频复制分发、定时跳频收发和星状组网广播。这三种方式各自适应于MF-TDMA系统某种应用环境，也各有优缺点。

1）多频复制分发。多频复制分发的广播方式，是通过在多个载波同时申请广播时隙，广播发送站可以在不同载波的不同时隙位置复制发送同一突发数据，使各载波的职守站在一个帧周期内均能获取同样的数据，达到广播的效果。但是，这种方式在各站间传输时延抖动较大，只适合于非实时性质业务发送；且由于发送站调制器需要发送多份数据，实际单站的最大广播发送速率为单条载波信息速率/载波数，在载波数较多时，大大限制了该种应用方式的应用。

2）定时跳频分发。定时跳频分发广播方式是利用频率跳变发送和接收技术，将广播时隙分配在一个固定载波上，在广播时隙到来时，广播发送站跳到该载波频点进行发送，同时，各接收站解调器也跳到该频点进行接收，实现“一发多收”的广播。这种广播方式最大的好处在于大大提升了单站的广播能力，避免了因多次发送同一份数据而造成的发送能力的浪费。同时，由于广播数据在同一时刻收发，各站间的时延抖动较小，比较适合于实时业务的传输。但这种广播发送方式由于各接收站均要同时跳收，因此需要将同一时隙的多个载波资源同时分配给广播使用，接收广播时，点对点数据无法接收，系统总的载波资源的占用并没有减少。

3）星状组网广播。采用星状组网广播的方式，其帧结构如图2所示。星状组网广播主要应用于中心站广播分发、远端站向中心回传的星状应用环境。处于中心地位的广播站单独使用一条前向载波发送数据（如图2所示载波1），其所有发送数据均为广播，所有远端站通收；其他远端小站使用其他TDMA载波（如图2所示载波2）向中心站进行回传。通过单独配置多个解调器或采用多载波并行解调技术，中心站可以同时接收多条返向载波的数据；同时，通过提高中心站发送能力，可令前向载波使用较高速率，实现高速的广播分发；甚至，通过中心站的转发，远端小站还可以实现远端站间互通或经由中心转发的二次广播分发。

星状组网广播由于广播占用单独的前向载波实现，无须考虑MF-TDMA系统中时隙躲避的问题，因此，具有最高效的信道使用效率。但是，这种组网方式并不适用于多点广播需求，因为远端站发送广播数据时需要同时占用返向和前向载波，用于数据发往中心站和中心站前向转发，资源开销大；且传输有两次上星过程，传输时延翻倍。因此星状组网广播方式仅适应于单中心广播的应用环境。

图2 三种广播方式帧结构示意图

3 广播载波应用方式的实现

广播载波应用方式的其核心思想是利用MF-TDMA体制中多载波的优势，增加一条专门的广播载波用于广播发送，并在地面终端上增加一路解调器，专门用于接收该载波广播数据。如图3所示，为具备双路解调的地面终端设备组成带广播载波的MF-TDMA系统的帧结构。

图3 广播载波广播方式帧结构示意

广播发送端数据发送过程中，地面终端需根据业务数据的目的地址，区分出该数据是否为广播数据。如果为广播数据，则在广播载波上申请时隙资源完成发送；反之，则根据目的站的职守载波申请对应载波的时隙资源完成发送。接收站两个解调器分别解调一般业务载波和广播载波两路载波信号，并在基带数据出口合路，同时接收。通过以上方法，达到了以下目的。

1）将广播统一发送到广播载波，相当于恢复了单载波系统的天然广播特性，大大节省了信道资源。

2）实现了广播数据的一发多收，各站可以实现广播数据的同时接收，业务实时性能得到较好保障。

3）点对点和广播数据分路解调，使得广播数据接收和点对点业务接收可以同时进行。

4 应用实例

下面以一个应用实例来对比以上几种广播方式在实现过程中，在资源占用和实时性方面的情况。某MF-TDMA卫星通信系统由3个地面站构成，可用系统资源为2-3条4Mbps载波，广播业务量为1 Mbps，如果各站均有可能广播。那么，分别采用四种广播方式广播业务占用资源对比情况如下。

5 总结

从以上分析可以看出，三种传统的MF-TDMA系统广播方式都具有各自的缺陷和局限性，对实现广播业务灵活的应用产生了较大限制。通过在地面终端中增加解调器，引入广播载波的广播方式，则能够较好的解决传统广播方式固有的问题，大大减小了MF-TDMA卫星通信系统中广播业务占用的信道资源，并使之能与对点对点业务共存，具有高效、简洁、实时性好的特点。

参考文献

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作者简介

陈杰（1982-），男，重庆人，工程师，研究生，研究方向：卫星通信技术、计算机网络技术。

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