衛(wèi)星通信體制MF-TDMA

MF-TDMA多頻時分多址接入(MF-TDMA)是將FDMA和TDMA體制相結合的一種混合多址接入方式。作為目前寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)所采用的主流體制，MF-TDMA允許眾多用戶終端共享一系列不同速率的載波，每個載波進行時隙劃分，通過綜合調度時頻二維資源，達到資源的靈活分配。在MF-TDMA系統(tǒng)中，每個載波是時分使用的，每個載波的TDMA速率可以相同也可以不同，甚至同一載波不同時隙的載波速率也可以不同。同傳統(tǒng)單載波TDMA系統(tǒng)相比，由于載波速率降低，大大降低了用戶終端的發(fā)送能力要求，通過使用不同速率載波的組合可構成一個能夠同時兼容大、小用戶終端且具有靈活組網能力的寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)。當MF-TDMA系統(tǒng)的空中速率逐步提高，載波數(shù)逐漸變小，當空中速率高到一定程度載波數(shù)為1時，對應的就是傳統(tǒng)的高速TDMA體制。當MF-TDMA系統(tǒng)的空中速率逐步降低，載波數(shù)逐漸增多，當空中速率低到用戶終端的速率時，對應的就是FDMA(SCPC)體制。根據用戶終端的跳頻能力，MF-TDMA可分為靜態(tài)MF-TDMA和動態(tài)MF-TDMA兩種。靜態(tài)MF-TDMA是指一個終端在連續(xù)發(fā)送信號的過程中，載波的速率、時隙的寬度及突發(fā)的配置(調制編碼方式等)都保持不變，即靜態(tài)MF-TDMA不能在不同速率載波上連續(xù)跳頻，只能在速率相同、頻點不同的載波上進行跳頻，而且載波時隙的大小、突發(fā)的配置也必須是一樣的，如果用戶終端需要不同速率的載波，則需要網控中心進行配置，終端將通信中斷，調整過后繼續(xù)工作；而動態(tài)MF-TDMA在連續(xù)發(fā)送信號過程中，載波的速率、時隙的寬度、突發(fā)的配置都可以實時靈活改變。即動態(tài)MF-TDMA可以在不同速率的載波上連續(xù)跳頻，動態(tài)MF-TDMA的優(yōu)點是可以更有效的適應多媒體業(yè)務的通信需求。根據用戶終端的頻率切換速度，MF-TDMA可分為快速跳頻(fasthop)和慢速跳頻(slowhop)兩種，快速跳頻是指終端可以在連續(xù)的時隙上“跳頻”，利用時隙突發(fā)中的保護時間進行頻率的切換，保護時間通常根據實際情況為幾個到十幾個符號長度?！奥偬l”指終端無法在連續(xù)的時隙“跳頻”，頻率之間的切換需要至少1個時隙的時間，但通常切換時間不超過1s。慢速跳頻終端在實現(xiàn)代價上相對較低，快速跳頻終端則更加靈活，可以更好的適應多媒體業(yè)務需求。在設計資源分配算法時需要考慮到終端的跳頻能力，對于“慢速跳頻”終端，一幀內的時隙通常連續(xù)分配在同一個載波內，即“慢速跳頻”終端在幀內不跳頻。MF-TDMA的優(yōu)點：具備一點到多點通信能力，可靈活組成各種網絡結構，具有中高速數(shù)據通信能力，可對信道資源進行動態(tài)分配，實現(xiàn)對IP多媒體業(yè)務的靈活支持。MF-TDMA的缺點：需要多個載波上實現(xiàn)全網同步，資源分配算法更復雜，由于是多載波工作，因此會帶來互調噪聲的影響。MF-TDMA體制分類MF-TDMA體制的實現(xiàn)需要解決時間基準的提供、初始捕獲、同步保持、功率和頻率控制、突發(fā)發(fā)送和接收、資源申請和分配以及綜合業(yè)務接入等諸多關鍵技術。MF-TDMA技術體制既可應用于基于透明轉發(fā)器又可應用于再生轉發(fā)器，但需要根據不同的衛(wèi)星轉發(fā)方式及應用情況對MF-TDMA技術體制進行合理設計。根據MF-TDMA體制應用的轉發(fā)器類型可分為透明轉發(fā)體制和再生轉發(fā)體制兩大類。透明轉發(fā)體制透明轉發(fā)即衛(wèi)星不對信號進行再生，也稱彎管式轉發(fā)，可進一步分為單波束內透明轉發(fā)和多波束間透明轉發(fā)，多波束間透明轉發(fā)需要通過微波交換矩陣或波束交鏈實現(xiàn)。單波束內透明轉發(fā)體制單波束透明轉發(fā)體制較為簡單，它一般由一個中心站和若干個遠端站組成。中心站發(fā)送參考信號作為全網的時間基準，其它遠端站以該信號為基準在分配給本站的時隙內發(fā)送突發(fā)數(shù)據。單波束透明轉發(fā)MF-TDMA系統(tǒng)組網以及系統(tǒng)功能的實現(xiàn)全部由地面終端來完成，因此它的幀結構及參數(shù)、捕獲與同步等可以根據具體應用情況靈活設計。跳載波設計也可以根據需要設計為發(fā)跳收不跳、發(fā)不跳收跳或收發(fā)全可跳方式。典型系統(tǒng)有德國諾達公司的SkyWAN系統(tǒng)等。星上微波交換矩陣多波束體制微波矩陣交換方式下，對于需要與其他波束內用戶終端進行通信的某個用戶終端來說，其上行鏈路的突發(fā)發(fā)射時間必須要處在某個特定的時隙上，以便轉發(fā)器能夠根據其時隙位置選路到相應的下行鏈路波束上。與透明轉發(fā)TDMA系統(tǒng)相比，資源分配的靈活性降低。另外由于星上采用多波束交換方式，處于某個波束內的用戶終端發(fā)射的信號可能被選路到其他波束，用戶終端無法通過信號收發(fā)自環(huán)實現(xiàn)定時。解決辦法有兩種：一是將所有站同步到參考突發(fā)上；二是在每幀中設置一個同步時隙，在此時隙內，星上交換矩陣都把每個上行鏈路波束的信號回送到同一波束的下行鏈路。該體制下的MF-TDMA系統(tǒng)的網絡初始捕獲時間一般較長，另外需要針對TDMA體制對轉發(fā)器進行復雜和特殊設計，如微波矩陣的切換方式等，日本于2008年發(fā)射的寬帶多媒體通信衛(wèi)星“WINDS”就配置了這種微波交換矩陣。靜態(tài)交鏈頻段轉發(fā)多波束體制靜態(tài)交鏈頻段轉發(fā)多波束體制可與多波束FDMA等體制兼容，主要通過幀結構的特殊設計以及用戶終端功能的合理配置來實現(xiàn)MF-TDMA系統(tǒng)的組網，對星上設備的要求較低，只需具備波束間的交鏈功能即可。實現(xiàn)方式可分為兩類：一類是單參考站系統(tǒng)；另一類是多參考站系統(tǒng)。單參考站設計主要用于波束數(shù)目較少的場合；在多參考站體制下，所有參考站需要標校在一個主參考站。目前Viasat公司的LinkwayS2可基于MF-TDMA實現(xiàn)多波束交鏈組網，如圖5所示。再生轉發(fā)體制對于再生轉發(fā)體制，MF-TDMA信號在星上經過下變頻和數(shù)字采樣后，還要進行解調和譯碼的再生處理，比較有代表性的是MF-TDMA/TDM體制；基于MF-TDMA/TDM體制，星上實現(xiàn)信號再生后送入交換機，由交換機選路到合適的下行波束進行調制轉發(fā)，典型代表有美國休斯網絡系統(tǒng)公司的Spaceway3系統(tǒng)。MF-TDMA/TDM系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：可以增大衛(wèi)星的EIRP(有效全向輻射功率)，并降低對終端用戶的EIRP要求，允許用戶終端采用小口徑天線；上行鏈路可以靈活地支持綜合業(yè)務傳輸和大小用戶終端的同時工作，下行可以更有效地利用衛(wèi)星寶貴的EIRP資源。MF-TDMA/TDM系統(tǒng)的設計需要解決以下幾個主要關鍵技術：MF-TDMA幀結構設計MF-TDMA帶寬動態(tài)分配技術用戶終端初始捕獲、同步保持、功率和頻率控制技術星載高速交換技術星載多載波群路解調技術星帶寬資源劃分方式在MF-TDMA系統(tǒng)中，帶寬資源主要是指“時-頻”二維資源，為了實現(xiàn)帶寬資源的高效靈活分配，MF-TDMA系統(tǒng)通過超幀、幀、時隙、突發(fā)等多個層次在“時-頻”二維空間進行劃分。超幀超幀是無線資源分配的基本單元，由于衛(wèi)星覆蓋區(qū)內通常會有多個相對獨立的網絡，這些網絡分屬不同的服務提供商，為便于管理，通常將一個服務提供商網絡分為一個或若干組，每組用戶共同使用一組不同速率的載波，這樣組內的用