混合型多址接入方案详解

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：混合型多址方式基于不同卫星结构场景，将多种经典多址协议进行结合，以弥补单一方式的缺点，实现灵活性接入和最大化资源利用率。MF-TDMA作为良好的混合型协议，结合多波束星间通信方式，成为较成熟的混合型星间多址协议之一。3）LDMA方式研究者提出了结合CSMA和TDMA的LDMA多址接入方式。用户节点处于LCL模式下时，则采用CSMA协议实现用户的多址接入。研究结果表明LDMA协议的信道利用率可达0.73，相同情况下，CSMA与TDMA的利用率分别只有0.43和0.61。

混合型多址方式基于不同卫星结构场景，将多种经典多址协议进行结合，以弥补单一方式的缺点，实现灵活性接入和最大化资源利用率。

1）MF-TDMA方式

结合FDMA和TDMA两种方式，MF-TDMA允许用户终端共享一系列不同速率的载波，并将每个载波进行时隙划分，通过综合调度时频二维资源，达到资源的灵活分配。

如今，MF-TDMA方式已成为宽带多媒体卫星系统的主流体制，包括德国诺达的Sky WAN系统、日本的WINDS系统、美国Spaceway3系统以及加拿大的VSATPlus3系统，然而这些系统也主要是运用星地之间通信。其中MF-TDMA方式在星间通信中也有所运用。

可将星间卫星通信距离范围分为一般距离（NR）和扩展距离（ER）两种情况，NR主要支持的是10～100 km范围内的高速率业务通信，而ER主要是指100 km以上的基本指控业务，其业务速率需求较小。然后根据这两种范围情况，对MF-TDMA的时隙和带宽进行自适应分配，以节约功率开销和提升频带利用率。特殊情况下，通过改变帧结构为Dual Mode形式，并设置远端接入节点以及释放其周围节点的方式来接入ER距离范围的高速率业务。这种自适应的MF-TDMA方式可实现远端高速业务，但同时加重了系统的复杂性，多跳方式也将会带来严重时延影响。

MF-TDMA作为良好的混合型协议，结合多波束星间通信方式，成为较成熟的混合型星间多址协议之一。不过随着技术的深入发展和卫星网络日趋复杂，MF-TDMA的帧结构设计也愈加困难，这需要对其帧结构的设计找出新的解决思路。同时，为更好地优化资源分配以及服务质量，带宽动态分配，用户终端初始捕获、同步保持、功率和频率控制等问题也还需进一步的研究和讨论。

2）T-CDMA方式

T-CDMA结合TDMA和CDMA两种方式，在集群式卫星拓扑结构基础上，通过综合调度扩频码字和时隙二维资源，实现集群内用户之间通信与集群间主星通信的两种场景分离，满足通信需求。已有研究分析了两种不同模式下T-CDMA多址方式的吞吐量以及时延性，结果表明该方式较其他方式具有较高的吞吐性能和较小的时延性能。主要是两种具体方式：①TDMA中心式。如图7-6所示，以M1主星、S7、S5、S10、S11为一个集群的类似M2，M3为主星构成的3个卫星集群。该方式的帧结构如图7-7所示，TDMA中心式为集群内每颗卫星提供良好的控制信道，根据不同业务的数据分组大小来分配可变数量的时隙（自适应TDMA）。同一集群则采用相同的CDMA码字，不同集群码字不同，以达到集群间CDMA多址复用。不过，主星的发送需要明确群内卫星的发送时间，以避免碰撞。其中对于主星的选择，作者从优化传播功率损耗的角度考虑并使用基于卫星距离的接近中心算法来选取最优的中心卫星作为集群中的主星。然后利用主星实现集群内卫星的通信交互以及完成集群间的通信。该方法无需像无线传感器网络那样定期修改主星，从而避免对集群成员进行定期更新，可减少通信开销。可以看出，T-CDMA协议适用于结构较为固定的集群型拓扑结构。在恶劣环境和较高动态的拓扑结构情况下，主星很可能无法持续运作，此时需要实时运行中心算法来更新主卫星，这在一定程度上增加了系统的计算。②CDMA中心式。针对TDMA中心式的同步困难，主从卫星的发送会产生串扰等问题，已有研究提出了CDMA中心式方式，其帧结构如图7-8所示。CDMA中心式的集群内卫星均分配相应的码字，对于主星间通信，则采用自适应的TDMA方式，可根据总集群内总业务量动态的调整时隙大小。以CDMA为中心的混合协议，其主要用于广播任务和分组大小相对固定的任务。

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图7-6　基于T-CDMA协议的集群式卫星分布场景

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图7-7　TDMA中心式帧结构

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图7-8　CDMA中心式帧结构

研究结果如图7-9所示，在3颗300 km高度卫星为一个集群的9组集群模型条件下，当业务到达率为0.5时，CSMA／CA协议的时延高达1 000 s，而T-CDMA多址时延主要体现在传播时延上，仅为10～20 s。另一方面，CSMA／CA协议由于竞争碰撞等因素，其最大归一化吞吐量只有0.18，而T-CDMA的吞吐量始终趋近于平稳，随着数据包数量的增加，吞吐量可接近于1（由于存在误码和丢包等情况影响）。

T-CDMA协议的上述两种模式可运用于不同的业务场景。以TDMA为中心的混合协议可以用于数据包长度变化大的任务。当分组大小相对一致并且还需要向集群成员广播一些重要信息的任务（如接近操作）时，则可以使用以CDMA为中心的系统，不同方式的选择主要取决于任务目标和整个系统中的卫星数量，但其帧结构的设计较为复杂，需要进一步改进。

3）LDMA方式

研究者提出了结合CSMA和TDMA的LDMA多址接入方式。LDMA方式原理如图7-10所示。在LDMA中，根据网络节点中的竞争情况可将用户终端分为两种接入模式：低争用级别（LCL）和高争用级别（HCL）。当节点在最后一个周期内从接入端接收到明确争用通知（ECN）消息时，可从LCL模式切换至HCL模式。用户节点处于LCL模式下时，则采用CSMA协议实现用户的多址接入。此外，CSMA方式下不采用RTS-CTS的握手方式传输数据包，而是根据碰撞数据包个数情况，适时发送广播ECN通知，进行LCL与HCL模式的切换。当节点处于HCL模式下时，接入端为各用户分配不同的时隙，避免碰撞。该方式基于高度为1 400 km的LEO极地轨道卫星拓扑结构模型比较了LDMA，CSMA，TDMA 3种方式下的时延和信道利用率。研究结果表明LDMA协议的信道利用率可达0.73，相同情况下，CSMA与TDMA的利用率分别只有0.43和0.61。与此同时，LDMA的时延性能较CSMA也有了较大改善。

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图7-9　T-CDMA／CSMA的平均端到端时延（a）、平均接入时延（b）和吞吐量（c）

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图7-10　LDMA原理实现流程

LDMA协议一方面弥补了在单一TDMA协议模式下需预知全网拓扑以及CSMA协议模式下低吞吐量、长时延等缺点。不过这种LDMA方式并没有考虑网络的扩展性能，在网络资源争用激烈的情况下，请求接入用户大大增加，切换至高争用级别HCL后仍采用TDMA方式，实现多用户的全网时钟同步的难度大大增加。

混合型多址接入方案详解

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