一种FDMA模式卫星地球站的终端分系统研究

一种FDMA模式卫星地球站的终端分系统研究
作者：奚炜弘
来源：《无线互联科技》2017年第03期
摘要：FDMA是卫星通信中最早使用的一种多址方式。

文章对一种基于FDMA模式的卫星地球站的终端分系统进行研究，并着重分析了地球站的构成、终端分系统的模块划分以及其中的一些重要通信流程。

关键词：卫星通信；FDMA；地球站
卫星通信是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个地球站之间的通信。

它综合利用了现代通信技术、计算机技术、航天技术和半导体集成电路技术，是当前通信领域发展迅速的方向之一。

卫星通信中有着众多的通信方式，其中的频分多址（FrequencyDivision Multiple Access，FDMA），是把总带宽分隔成多个正交的频道，每个用户占用一个频道。

FDMA以其信道复用率高，容许复用的路数多，分路方便而成为一种重要的卫星通信方式。

本文主要介绍了基于FDMA模式的卫星通信地球站的组成，并对其中的终端分系统的模块划分、功能实现进行重点研究。

1.终端分系统分析
在卫星通信系统中，地面通信终端设备被称为地球站（Earth Station）。

典型的地球站由天线分系统、发射分系统、接收分系统、终端分系统、监控分系统、电源分系统、地面接口及传输分系统等组成。

终端分系统的主要功能是实现地面接口线路传来的各种用户信令和卫星信道传输的基带信号之间的转换。

根据其功能，主要分成信道处理模块、监控接口模块和其他设备接口模块。

信道处理模块主要完成与网控中心（Network ControlCenter，NCC）的协议解析以及具体通信业务的具体承载。

其主要功能包括：实时接收来自NCC的信道选用通告，实现对控制信道发送频点的选择；向NCC发起注册或注销申请，实现终端的注册与注销；向NCC发起呼叫申请或接收NCC下发的通信检测，实现信道的链路建立、频点分配、业务类型指定等功能；向NCC发起结束申请或接收NCC下发的结束应答，实现信道的链路拆除；实现卫星通信的具体承载，完成数据的传输和匹配。

监控接口模块主要完成与外部监控单元（MonitoringControl Unite，MCU）的协议解析，其主要功能包括上报信道的状态和参数；接受MCU的参数设置和控制等功能。

其他设备接口模块主要完成与其他设备（根据终端分系统的实际业务能力，可以是声码器、视频编解码器等设备）的协议解析，其主要功能包括查询设备状态和参数；设置参数和控制等功能。

2.主要通信流程研究
2.1注册和注销流程研究
注册流程如图1所示。

终端分系统启动后，读取预置的信道参数，通过读取到的广播信道（BDC）频点来设置BDC信道，等待接收NCc下发的信道选用通告信令。

此时将信道状态为搜索BDC状态，同时启动BDC主备切换定时器。

当超过切换时间接收不到NCC下发的信道选用通告信令时，将BDC信道的频点切换为备用BDC频点，同样当再次超过切换时间接收不到NCc下发的信道选用通告信令时，BDC信道的频点切换为主BDC频点，以此循环下去。

当收到来自NCC下发的信道选用通告后，重置BDC主备切换定时器的时间，通过解析信道选用通告信令，可以获取NCC下发给终端分系统的主备BDC频点和控制信道（CUC）频点，并将其保存，同时发送注册申请控制信令，将信道状态设置为正在注册。

当未收到NCC 应答时，注册申请控制信令会重发。

当NCC通过CUC信道接收到终端分系统的注册申请控制信令，该地球站标记为在线状态，应答信令通过NCc的BDC信道发出，通过星载转发器转发到终端分系统的BDC信道。

当终端分系统通过BDC信道接收到应答信令以后，将信道状态置为信道空闲，此状态为用户可进行业务操作状态，可对用户提供任何已有服务。

如果重发多次后仍收不到应答信令，则将信道状态设置为注册失败。

注销流程如图2所示。

NCC通过CUC信道接收终端分系统的注销申请控制信令，该地球站标记为离线状态，应答信令通过NCC的BDc信道发出，通过星载转发器转发到终端分系统的BDc信道。

终端分系统通过BDC信道接收到应答信令以后，将信道状态设置为注销成功，此状态为用户只可进行注册操作状态，如果重发多次后仍收不到应答信令，则将信道状态置为注销失败。

通过以上研究，可以发现这种基于FDMA模式的卫星地球站的终端分系统拥有完善注册和注销流程。

通过该流程可以加强网控中心对地球站的管理，包括对地球站的身份合法性进行验证、对地球站的实时状态进行显示等功能。

2.2建链和拆链流程研究
建链的过程采取了动态信道分配（Dynamic ChannelAllocation，DCA）策略。

在DcA策略中所有波束都没有固定分配的信道，由网控中心统一分配。

网控中心要根据所采用的成本函数算法计算每条信道在每个波束中使用的成本，当一个呼叫到达时，选择一条成本最低的信道来分配。

I（x）：到波束x的距离小于共信道复用距离D的所有波束（即波束x的干扰波束）的集合；
△（x）：呼叫到达波束x时刻的可用信道的集合；
FD（k）：根据完全固定分配算法（Fixed A110cationAlgorithm，FCA）预先固定分配给波束后使用的信道合集，或者说是波束k的最优标称信道集。

建链流程如图3所示。

当信道状态处于信道空闲时，允许MCU发起建链。

建链时通过CUC信道发送建链信令，建链信令包括对端号码、业务类型、业务速率等信息，主叫方进入建链等待状态，星载转发器转发到NCC的CUC信道上，NCC通过其BDC信道向主叫方发送建链等待信令，向被叫方发送通信检测信令。

被叫方也需要有注册的过程，且进入信道空闲状态，否则NCC直接发送拒绝建链信令，并给出原因。

主叫方进入信道分配状态，NCC进入等待通信检测应答状态。

被叫方在BDC信道上收到通信检测信令，并且其在信道空闲状态下，被叫方会在它通过CUC时给出通信检测应答信令。

ycc在cuc信道上收到通信检测应答信令以后，对通信双方发送信道分配信令，对通信双方的频点进行重新分配。

通信终端双方收到信道分配信令以后，进入业务通信阶段。

拆链流程如图4所示。

通信需求结束以后，为了资源的反复利用，要对资源进行回收，包括终端资源和星载转发器资源，特别是星载转发器资源，因而加入了拆链过程。

拆链可以由通信双方终端的任何一方发起，MCU发出拆链信令以后，向对端发出拆链信令，然后切换频点，向NCC发出拆链申请信令，自身状态切换为拆链中，收到拆链应答信令或拆链申请信令发送超时后，将自身状态切换为信道空闲。

对端收到拆链方的拆链信令或NCc发出的拆链应答信令后，自身状态切换为信道空闲。

通过以上研究，可以发现这种基于FDMA模式的卫星地球站的终端分系统拥有完善的建链和拆链流程。

DCA策略的应用使所有的信道都由网控中心进行分配，提高了系统的容量，使信道的利用率更高、无需信道预规划、可以自动适应各种通信业务需求。

3.结语
随着卫星通信技术的不断发展，卫星通信系统开始受到人们广泛的关注和应用。

本文对一种FDMA卫星地球站的应用方式进行了研究，包括地球站的构成、终端分系统的功能以及一
些主要流程。

通过研究可以发现，FDMA方式具有的技术成熟、实现简单、成本较低、对每个载波采用的基带信号类型、调制方式、编码方式、载波信息速率及占用带宽等均没有限制等优点，使其成为现在卫星通信的主流通信方式之一。