卫星通信体制MF-TDMA

MF-TDMA多频时分多址接入(MF-TDMA)是将FDMA和TDMA体制相结合的一种混合多址接入方式。作为目前宽带多媒体卫星通信系统所采用的主流体制，MF-TDMA允许众多用户终端共享一系列不同速率的载波，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。在MF-TDMA系统中，每个载波是时分使用的，每个载波的TDMA速率可以相同也可以不同，甚至同一载波不同时隙的载波速率也可以不同。同传统单载波TDMA系统相比，由于载波速率降低，大大降低了用户终端的发送能力要求，通过使用不同速率载波的组合可构成一个能够同时兼容大、小用户终端且具有灵活组网能力的宽带多媒体卫星通信系统。当MF-TDMA系统的空中速率逐步提高，载波数逐渐变小，当空中速率高到一定程度载波数为1时，对应的就是传统的高速TDMA体制。当MF-TDMA系统的空中速率逐步降低，载波数逐渐增多，当空中速率低到用户终端的速率时，对应的就是FDMA(SCPC)体制。根据用户终端的跳频能力，MF-TDMA可分为静态MF-TDMA和动态MF-TDMA两种。静态MF-TDMA是指一个终端在连续发送信号的过程中，载波的速率、时隙的宽度及突发的配置(调制编码方式等)都保持不变，即静态MF-TDMA不能在不同速率载波上连续跳频，只能在速率相同、频点不同的载波上进行跳频，而且载波时隙的大小、突发的配置也必须是一样的，如果用户终端需要不同速率的载波，则需要网控中心进行配置，终端将通信中断，调整过后继续工作；而动态MF-TDMA在连续发送信号过程中，载波的速率、时隙的宽度、突发的配置都可以实时灵活改变。即动态MF-TDMA可以在不同速率的载波上连续跳频，动态MF-TDMA的优点是可以更有效的适应多媒体业务的通信需求。根据用户终端的频率切换速度，MF-TDMA可分为快速跳频(fasthop)和慢速跳频(slowhop)两种，快速跳频是指终端可以在连续的时隙上“跳频”，利用时隙突发中的保护时间进行频率的切换，保护时间通常根据实际情况为几个到十几个符号长度。“慢速跳频”指终端无法在连续的时隙“跳频”，频率之间的切换需要至少1个时隙的时间，但通常切换时间不超过1s。慢速跳频终端在实现代价上相对较低，快速跳频终端则更加灵活，可以更好的适应多媒体业务需求。在设计资源分配算法时需要考虑到终端的跳频能力，对于“慢速跳频”终端，一帧内的时隙通常连续分配在同一个载波内，即“慢速跳频”终端在帧内不跳频。MF-TDMA的优点：具备一点到多点通信能力，可灵活组成各种网络结构，具有中高速数据通信能力，可对信道资源进行动态分配，实现对IP多媒体业务的灵活支持。MF-TDMA的缺点：需要多个载波上实现全网同步，资源分配算法更复杂，由于是多载波工作，因此会带来互调噪声的影响。MF-TDMA体制分类MF-TDMA体制的实现需要解决时间基准的提供、初始捕获、同步保持、功率和频率控制、突发发送和接收、资源申请和分配以及综合业务接入等诸多关键技术。MF-TDMA技术体制既可应用于基于透明转发器又可应用于再生转发器，但需要根据不同的卫星转发方式及应用情况对MF-TDMA技术体制进行合理设计。根据MF-TDMA体制应用的转发器类型可分为透明转发体制和再生转发体制两大类。透明转发体制透明转发即卫星不对信号进行再生，也称弯管式转发，可进一步分为单波束内透明转发和多波束间透明转发，多波束间透明转发需要通过微波交换矩阵或波束交链实现。单波束内透明转发体制单波束透明转发体制较为简单，它一般由一个中心站和若干个远端站组成。中心站发送参考信号作为全网的时间基准，其它远端站以该信号为基准在分配给本站的时隙内发送突发数据。单波束透明转发MF-TDMA系统组网以及系统功能的实现全部由地面终端来完成，因此它的帧结构及参数、捕获与同步等可以根据具体应用情况灵活设计。跳载波设计也可以根据需要设计为发跳收不跳、发不跳收跳或收发全可跳方式。典型系统有德国诺达公司的SkyWAN系统等。星上微波交换矩阵多波束体制微波矩阵交换方式下，对于需要与其他波束内用户终端进行通信的某个用户终端来说，其上行链路的突发发射时间必须要处在某个特定的时隙上，以便转发器能够根据其时隙位置选路到相应的下行链路波束上。与透明转发TDMA系统相比，资源分配的灵活性降低。另外由于星上采用多波束交换方式，处于某个波束内的用户终端发射的信号可能被选路到其他波束，用户终端无法通过信号收发自环实现定时。解决办法有两种：一是将所有站同步到参考突发上；二是在每帧中设置一个同步时隙，在此时隙内，星上交换矩阵都把每个上行链路波束的信号回送到同一波束的下行链路。该体制下的MF-TDMA系统的网络初始捕获时间一般较长，另外需要针对TDMA体制对转发器进行复杂和特殊设计，如微波矩阵的切换方式等，日本于2008年发射的宽带多媒体通信卫星“WINDS”就配置了这种微波交换矩阵。静态交链频段转发多波束体制静态交链频段转发多波束体制可与多波束FDMA等体制兼容，主要通过帧结构的特殊设计以及用户终端功能的合理配置来实现MF-TDMA系统的组网，对星上设备的要求较低，只需具备波束间的交链功能即可。实现方式可分为两类：一类是单参考站系统；另一类是多参考站系统。单参考站设计主要用于波束数目较少的场合；在多参考站体制下，所有参考站需要标校在一个主参考站。目前Viasat公司的LinkwayS2可基于MF-TDMA实现多波束交链组网，如图5所示。再生转发体制对于再生转发体制，MF-TDMA信号在星上经过下变频和数字采样后，还要进行解调和译码的再生处理，比较有代表性的是MF-TDMA/TDM体制；基于MF-TDMA/TDM体制，星上实现信号再生后送入交换机，由交换机选路到合适的下行波束进行调制转发，典型代表有美国休斯网络系统公司的Spaceway3系统。MF-TDMA/TDM系统具有以下优点：可以增大卫星的EIRP(有效全向辐射功率)，并降低对终端用户的EIRP要求，允许用户终端采用小口径天线；上行链路可以灵活地支持综合业务传输和大小用户终端的同时工作，下行可以更有效地利用卫星宝贵的EIRP资源。MF-TDMA/TDM系统的设计需要解决以下几个主要关键技术：MF-TDMA帧结构设计MF-TDMA带宽动态分配技术用户终端初始捕获、同步保持、功率和频率控制技术星载高速交换技术星载多载波群路解调技术星带宽资源划分方式在MF-TDMA系统中，带宽资源主要是指“时-频”二维资源，为了实现带宽资源的高效灵活分配，MF-TDMA系统通过超帧、帧、时隙、突发等多个层次在“时-频”二维空间进行划分。超帧超帧是无线资源分配的基本单元，由于卫星覆盖区内通常会有多个相对独立的网络，这些网络分属不同的服务提供商，为便于管理，通常将一个服务提供商网络分为一个或若干组，每组用户共同使用一组不同速率的载波，这样组内的用