在VSAT衛星通信系統中,其多址技術也包括常用的頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)以及空分多址(SDMA)等。VSAT系統的這四種多址連接方式各有特點,各有不同適用的場合,它們的簡要比較詳見表1。
但與多址連接方式密切相關的還一個信道分配問題。多址分配制度是衛星通信體制的一個重要組成部分。信道分配方式關系到整個VSAT系統的通信容量、轉發器資源利用率、各站的通道配置和通道的工作效率以及對用戶的服務質量,當然也關系到設備的復雜程序。因此,在采用信道的分配方式時,應考慮的因素有:較高的衛星信道利用率;較短的響應時間;較好的穩定性;能承受較惡劣誤碼條件及設備性能惡化條件;結構簡單、價格低廉。下面對VSAT系統這幾種信道分配方式的特點做以簡單介紹。
在信道分配中,信道一詞的含義在FDMA中是指各地球站占用的轉發器頻段;在TDMA中是指各站占用的時隙;在CDMA中是指各站使用的碼型。常用的信道分配方式包括:
1、固定分配方式
固定分配FA(Fixed Assignment)是將轉發器資源以固定形式分配給端站使用。這種分配方式也叫預分配方式(PA)。這種方式所要求的系統技術和設備相對簡單,但當某端站的瞬間業務量大于系統所分配的容量時,端站只能存儲或拒絕業務請求,從而會造成時延增加或產生呼叫阻塞,而另外的端站即使有多余容量也不能使用,網絡資源未能得到充分利用。
2、按需分配方式
按需分配DA(Demand Assignment)是根據各個端站的傳輸量的需求來分配系統資源的。這些需求信息或者通過一個專用的信息信道上傳輸,或者在業務信道上分段送回到主站的網管中心,網管中心響應需求并臨時分配一個信道給這個業務使用,當業務完成后,又收回此信道的使用以便分配給下一個需求者,可以看出按需分配方式可以較好地利用衛星資源,所以連續業務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,比如傳送請求信號的信令信道會占據系統容量,當信令信道采用固定載波傳輸時,為了把信令信道的使用限制在系統總容量的合理范圍內,便會限制網絡中VSAT端站的數量。如果為了方便地在網絡中增加新的端站而避開這種限制,可以采用隨機接入信令信道的方案,但這又可能會使信令造成碰撞,從而增加了業務通信建立所需要的時延。
在按需分配系統中,在信息被傳送前,必須先進行請求信令的傳輸和信道配置,所以該業務信息必須首先在站內等待,傳播時間加上處理時間,總的時延可能高達1~2秒。如果送一條消息就必須建立一次連接,那么這種方案就很不適應突發業務短信息的傳輸。比如傳送一條信息其長度為200字節,傳輸速率為64kb/s,則所需時間為25ms,而連接建立的時延約1.5s,則在傳輸該消息之前的報頭時延是信息傳輸時間的60倍,效率非常低下。對于這種突發性短信息業務,就必須用到后面將討論的隨機多址方式。
3、隨機分配方式
隨機分配方式RA(Random Assignment)是面向用戶需要而選取信道的方法,通信網中的每個用戶可以隨機的選取(占用)信道。因數據通信一般發送數據的時間是隨機的、間斷的,通常傳送數據的時間很短促,對于這種“突發式”的業務,如果仍使用預分配或者按需分配,則信到利用率就很低。采用隨機占用信道的方式可以大大提高信道利用率。當然這時每逢兩個以上用戶同時爭用信道時,勢必發生“碰撞”。因此必須采取措施減少或避免“碰撞”,并重發已遭“碰撞”的數據。例如根據碰撞解決算法CRA(Collision Resolution Algorithm)等。
具體的隨機多址分配方式又分為P-ALOHA、S-ALOHA、C-ALOHA、R-ALOHA和SREJ-ALOHA等多種方式。ALOHA是一種為交互計算機傳輸而設計的按需分配時分多址方式,所采用的多址方式實質上是一種無規則的時分多址。1986年開始研究,最初由夏威夷大學應用于地面網絡,1973年第一次用于衛星系統。
1)純ALOHA(P-ALOHA)方式
純ALOHA又叫異步ALOHA,是一種完全隨機方式,其特點是全網不需要定時和同步。其信道不設置時隙,也沒有網絡同步信號,各個端站可以隨時向信道發送信息,當發生碰撞時,解決的辦法是隨機的延遲后重發受碰撞的分組數據。
2)時隙ALOHA(S-ALOHA)方式
S-ALOHA在P-ALOHA方式上進行了改進,即將載波在時域上分成許多固定的時隙,各端站的數據分組以固定的長度在時隙內傳送,具有嚴格的起始和結束時間,兩個分組只有在完全相同的時隙內發送才會發生碰撞,所以分組受碰撞的概率被很大程度地降低,系統吞吐量得到提高。
可見S-ALOHA的最大吞吐量比P-ALOHA大一倍,但是由于S-ALOHA需要劃分時隙并配置同步系統,因而增加了設備和網絡運行的復雜性,結果部分抵消了最大吞吐量改善所帶來的好處。
3)捕獲效應(C-ALOHA)方式
在ALOHA系統中,如果兩個用戶略為不同的功率電平發射,則容量可以得到改善。若具有不同電平的兩個分組發生碰撞時,則其中較強信號可能會被接收機正確接收(所謂強信號接收機)。如果設計合理,C-ALOHA信道的容量可以達到P-ALOHA信道容量的3倍。但是在一個非線性衛星轉發器上,由于處理大量C-ALOHA信道的AM/PM效應,可能因轉發器輸入電平的隨機起伏(AM),會在整個轉發器頻帶上產生調制轉移效應。
4)預約ALOHA(R-ALOHA)方式
為了解決長、短報文傳輸的兼容問題,人們還提出了R-ALOHA方式。即各站要發長報文時,為了避免分成許多數據分組傳輸會造成時延過長,它可以申請預約,分配它一段時隙(連續數個時隙),讓其一次發送一批數據。對于短報文則利用非預約S-ALOHA方式傳輸。這既解決了長報文的傳輸時延問題,又保留了S-ALOHA傳輸短報文信道利用率的優點。如ARRA網,發成批數據采用預約狀態,發短數據或申請消息處于S-ALOHA狀態,其最大信道利用率可達83.3%。
5)選擇拒絕ALOHA(SREJ-ALOHA)方式
在P-ALOHA方式的信息碰撞中可以發現,多數碰撞都是局部的,所以可以將該信息分組中未被碰撞的部分接收下來恢復,而只將實際碰撞的分組部分重發,從而研發出了SREJ-ALOHA方式。
在SREJ-ALOHA方式中,消息由可以獨立檢測固定長度的分組組成,每個分組有自己的報頭(Header)和捕獲前置碼(Acquisition Preamble)。SREJ-ALOHA的最大吞吐量可達0.368(不計額外開銷)。實際上,由于報頭和捕獲前置碼的存在,最大吞吐量可在0.2~0.3范圍內,約為P-ALOHA的兩倍。
SREL-ALOHA既具有一般ALOHA方式共有的不需要定時同步和適用于分組長度可變的重要特點,保持了P-ALOHA的健韌性和低的實現復雜度,又克服了由于碰撞導致信道利用率低的缺點,相應改善了延時分布和工作穩定性。
VSAT系統不同ALOHA方式的性能比較詳見下表2。
通過以上多址方式的介紹,在進行系統設計時,多址方式的選擇應考慮下表3的因素。
在進行系統設計時,應充分考慮所建網絡的目的以及需要傳輸的業務性質,然后決定采用何種接入方式。根據目前VSAT技術的發展,用于VSAT傳輸的業務性質無非可概括為兩大類:一類是以傳輸語音、大片數據和圖像、會議電視等綜合業務的高速率VSAT網絡,這時固定分配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)和TDMA(DAMA);另一類是以傳輸交互式、突發數據業務為主的VSAT網絡,這是把信息分組交換應用于衛星通信上的業務需求,其信息傳輸的特點是數據隨機、間斷地接入衛星信道,傳輸速率的峰值和平均值差別很大,在這種突發數據業務里的VSAT系統中廣泛采用隨機ALOHA接入,典型接入方式有P-ALOHA、S-ALOHA和SREJ-ALOHA等應用。