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关于VSAT系统的多址方式和信道分配

浏览:6665  来源:通信人在线  日期:2010-06-15

 

VSAT卫星通信系统中,其多址技术也包括常用的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)以及空分多址(SDMA)等。VSAT系统的这四种多址连接方式各有特点,各有不同适用的场合,它们的简要比较详见表1

1VSAT系统四种多址连接的比较表

但与多址连接方式密切相关的还一个信道分配问题。多址分配制度是卫星通信体制的一个重要组成部分。信道分配方式关系到整个VSAT系统的通信容量、转发器资源利用率、各站的通道配置和通道的工作效率以及对用户的服务质量,当然也关系到设备的复杂程序。因此,在采用信道的分配方式时,应考虑的因素有:较高的卫星信道利用率;较短的响应时间;较好的稳定性;能承受较恶劣误码条件及设备性能恶化条件;结构简单、价格低廉。下面对VSAT系统这几种信道分配方式的特点做以简单介绍。

在信道分配中,信道一词的含义在FDMA中是指各地球站占用的转发器频段;在TDMA中是指各站占用的时隙;在CDMA中是指各站使用的码型。常用的信道分配方式包括:

1、固定分配方式

固定分配FAFixed Assignment是将转发器资源以固定形式分配给端站使用。这种分配方式也叫预分配方式(PA)。这种方式所要求的系统技术和设备相对简单,但当某端站的瞬间业务量大于系统所分配的容量时,端站只能存储或拒绝业务请求,从而会造成时延增加或产生呼叫阻塞,而另外的端站即使有多余容量也不能使用,网络资源未能得到充分利用。

2、按需分配方式

按需分配DADemand Assignment是根据各个端站的传输量的需求来分配系统资源的。这些需求信息或者通过一个专用的信息信道上传输,或者在业务信道上分段送回到主站的网管中心,网管中心响应需求并临时分配一个信道给这个业务使用,当业务完成后,又收回此信道的使用以便分配给下一个需求者,可以看出按需分配方式可以较好地利用卫星资源,所以连续业务的多址接入大都采用了按需分配。

按需分配也存在其固有的缺陷,比如传送请求信号的信令信道会占据系统容量,当信令信道采用固定载波传输时,为了把信令信道的使用限制在系统总容量的合理范围内,便会限制网络中VSAT端站的数量。如果为了方便地在网络中增加新的端站而避开这种限制,可以采用随机接入信令信道的方案,但这又可能会使信令造成碰撞,从而增加了业务通信建立所需要的时延。

在按需分配系统中,在信息被传送前,必须先进行请求信令的传输和信道配置,所以该业务信息必须首先在站内等待,传播时间加上处理时间,总的时延可能高达1~2秒。如果送一条消息就必须建立一次连接,那么这种方案就很不适应突发业务短信息的传输。比如传送一条信息其长度为200字节,传输速率为64kb/s,则所需时间为25ms,而连接建立的时延约1.5s,则在传输该消息之前的报头时延是信息传输时间的60倍,效率非常低下。对于这种突发性短信息业务,就必须用到后面将讨论的随机多址方式。

3、随机分配方式

随机分配方式RARandom Assignment)是面向用户需要而选取信道的方法,通信网中的每个用户可以随机的选取(占用)信道。因数据通信一般发送数据的时间是随机的、间断的,通常传送数据的时间很短促,对于这种突发式的业务,如果仍使用预分配或者按需分配,则信到利用率就很低。采用随机占用信道的方式可以大大提高信道利用率。当然这时每逢两个以上用户同时争用信道时,势必发生碰撞。因此必须采取措施减少或避免碰撞,并重发已遭碰撞的数据。例如根据碰撞解决算法CRACollision Resolution Algorithm等。

具体的随机多址分配方式又分为P-ALOHAS-ALOHAC-ALOHAR-ALOHASREJ-ALOHA等多种方式。ALOHA是一种为交互计算机传输而设计的按需分配时分多址方式,所采用的多址方式实质上是一种无规则的时分多址。1986年开始研究,最初由夏威夷大学应用于地面网络,1973年第一次用于卫星系统。

1ALOHAP-ALOHA方式

ALOHA又叫异步ALOHA,是一种完全随机方式,其特点是全网不需要定时和同步。其信道不设置时隙,也没有网络同步信号,各个端站可以随时向信道发送信息,当发生碰撞时,解决的办法是随机的延迟后重发受碰撞的分组数据。

2时隙ALOHAS-ALOHA方式

S-ALOHAP-ALOHA方式上进行了改进,即将载波在时域上分成许多固定的时隙,各端站的数据分组以固定的长度在时隙内传送,具有严格的起始和结束时间,两个分组只有在完全相同的时隙内发送才会发生碰撞,所以分组受碰撞的概率被很大程度地降低,系统吞吐量得到提高。

可见S-ALOHA的最大吞吐量比P-ALOHA大一倍,但是由于S-ALOHA需要划分时隙并配置同步系统,因而增加了设备和网络运行的复杂性,结果部分抵消了最大吞吐量改善所带来的好处。

3捕获效应(C-ALOHA)方式

ALOHA系统中,如果两个用户略为不同的功率电平发射,则容量可以得到改善。若具有不同电平的两个分组发生碰撞时,则其中较强信号可能会被接收机正确接收(所谓强信号接收机)。如果设计合理,C-ALOHA信道的容量可以达到P-ALOHA信道容量的3倍。但是在一个非线性卫星转发器上,由于处理大量C-ALOHA信道的AM/PM效应,可能因转发器输入电平的随机起伏(AM),会在整个转发器频带上产生调制转移效应。

4预约ALOHAR-ALOHA)方式

为了解决长、短报文传输的兼容问题,人们还提出了R-ALOHA方式。即各站要发长报文时,为了避免分成许多数据分组传输会造成时延过长,它可以申请预约,分配它一段时隙(连续数个时隙),让其一次发送一批数据。对于短报文则利用非预约S-ALOHA方式传输。这既解决了长报文的传输时延问题,又保留了S-ALOHA传输短报文信道利用率的优点。如ARRA网,发成批数据采用预约状态,发短数据或申请消息处于S-ALOHA状态,其最大信道利用率可达83.3%

5选择拒绝ALOHASREJ-ALOHA方式

P-ALOHA方式的信息碰撞中可以发现,多数碰撞都是局部的,所以可以将该信息分组中未被碰撞的部分接收下来恢复,而只将实际碰撞的分组部分重发,从而研发出了SREJ-ALOHA方式。

SREJ-ALOHA方式中,消息由可以独立检测固定长度的分组组成,每个分组有自己的报头(Header)和捕获前置码(Acquisition Preamble)SREJ-ALOHA的最大吞吐量可达0.368(不计额外开销)。实际上,由于报头和捕获前置码的存在,最大吞吐量可在0.2~0.3范围内,约为P-ALOHA的两倍。

SREL-ALOHA既具有一般ALOHA方式共有的不需要定时同步和适用于分组长度可变的重要特点,保持了P-ALOHA的健韧性和低的实现复杂度,又克服了由于碰撞导致信道利用率低的缺点,相应改善了延时分布和工作稳定性。

VSAT系统不同ALOHA方式的性能比较详见下表2

2VSAT系统不同ALOHA方式的性能比较表

通过以上多址方式的介绍,在进行系统设计时,多址方式的选择应考虑下表3的因素。

3多址方式的选择应考虑的因素

在进行系统设计时,应充分考虑所建网络的目的以及需要传输的业务性质,然后决定采用何种接入方式。根据目前VSAT技术的发展,用于VSAT传输的业务性质无非可概括为两大类:一类是以传输语音、大片数据和图像、会议电视等综合业务的高速率VSAT网络,这时固定分配FA和按需分配DA方式是很有效的接入方式,其典型的接入方式有FDMA(DAMA)TDMA(DAMA);另一类是以传输交互式、突发数据业务为主的VSAT网络,这是把信息分组交换应用于卫星通信上的业务需求,其信息传输的特点是数据随机、间断地接入卫星信道,传输速率的峰值和平均值差别很大,在这种突发数据业务里的VSAT系统中广泛采用随机ALOHA接入,典型接入方式有P-ALOHAS-ALOHASREJ-ALOHA等应用。

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