CN115102606A - 一种无中心mf-tdma卫星通信系统及其组网和资源按需调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无中心MF‑TDMA卫星通信系统及其组网和资源按需调整方法，每两个远端站之间通过公共载波的帧结构内的时隙、业务载波的帧结构内的时隙进行通信并完成业务传输；公共载波的每帧结构包括参考时隙、测距时隙、若干申请时隙、若干公共时隙；参考时隙用于传送参考信息；测距时隙用于传送测距突发；申请时隙用于传输各远端站的通信申请信息；公共时隙用于传输远端站中主叫端的业务需求表；业务载波的每帧结构包括若干时隙大小相同的数据时隙，数据时隙用于传输业务信息；卫星用于接收远端站开设业务载波的申请并根据该申请开设满足各远端站自身的业务需求的业务载波。本发明能够基于无主站的情况下实现整个通信网络内所有设备的互联互通。

Description

一种无中心MF-TDMA卫星通信系统及其组网和资源按需调整 方法

技术领域

本发明卫星通信技术领域，具体是涉及一种无中心MF-TDMA卫星通信系统及其组网和资源按需调整方法。

背景技术

当前有中心的军事卫星通信系统应用较为广泛，因为有中心的军事卫星通信系统能通过主站发布指令，来为每一个子站去分配信道或者时隙资源。这种方式能最大化的使用信道或时隙资源。但是完全依靠主站来调度的做法很容易导致主站在军事战争中成为敌方的重要打击目标。主站如果被毁会导致所有的子站陷入瘫痪而无法正在工作，会使我方在军事通信方面处于不利状态。基于这种情况，为了提高整个军事卫星通信系统的抗毁能力，无中心卫星通信系统应运而生。

国内外基于无中心卫星通信系统做了大量研究工作，如何治平等人提出一种自组织VSAT卫星通信系统实现一种FDMA的自组网的方式，该方式通过把信道资源划分成一条公共信道和若干条业务信道，各站在公共信道中发送业务通信申请并以自收自发占用空闲业务信道。但是由于其工作在多载波的模式，需要一直监控上行链路的频率和功率。其信道固定分配导致其不能充分利用卫星的功率和频谱，造成资源利用率不高的现象。并且用纯ALOHA的竞争方式导致其吞吐量仅有18％，但又由于不能做到全网时间同步，所以不能采用时隙ALOHA的方式导致不能有效的提高其吞吐量。基于此王一江等人提出一种基于单频TDMA的卫星通信系统自组网方案。将单频载波划分成对称时隙的方式。实现了主叫端与被叫端的对称业务传输。但是这种方式有一定的局限性，首先是主叫端与被叫端的业务度不一定对称。当某一方的业务与实际占用的时隙资源不匹配时，就可能会导致通信传输故障或是资源的浪费。其次由于是单频载波可能会出现该载波速率较低不能满足一些需要高载波速率的业务或是载波速率较高则对于一些只需要低载波速率的业务就会造成资源的浪费。综上所述现有的无中心FDMA和TDMA组网方式有限且无法对卫星资源进行按需调整。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种无中心MF-TDMA卫星通信系统，能够基于无主站的情况下实现整个通信网络内所有设备的互联互通，避免主站发生故障时导致所有站点无法调度，提升了整个通信网络的扛毁坏性和特殊地形的应急能力。同时，本发明还提供无中心MF-TDMA卫星通信系统的组网和资源按需调整的方法，使用该方法使得无中心MF-TDMA卫星通信系统能够正常并按需通信。

技术方案：为解决上述问题，本发明提供一种无中心MF-TDMA卫星通信系统，包括若干远端站、卫星；每两个远端站之间通过公共载波上的帧结构内的时隙、业务载波上的帧结构内的时隙进行通信并完成业务传输；所述公共载波的每帧结构包括参考时隙、测距时隙、若干申请时隙、若干公共时隙；参考时隙用于传送参考信息，参考时隙始终由第一个入网的远端站占用；测距时隙用于传送测距突发；申请时隙用于传输各远端站的通信申请信息；公共时隙用于传输远端站中主叫端的业务需求表，主叫端为申请通信传输的远端站，被叫端为接受主叫端通信数据的远端站；所述业务载波的每帧结构包括若干时隙大小相同的数据时隙，数据时隙用于传输业务信息；业务载波的数量C由各个远端站自身的业务需求决定，C∈1……c，c为正整数；所述卫星用于接收远端站开设业务载波的申请并根据该申请开设满足各远端站自身的业务需求的业务载波。

进一步的，公共载波上的每帧结构按照参考时隙、测距时隙、若干申请时隙、若干公共时隙的顺序依次划分；其中，参考时隙与测距时隙之间、测距时隙与申请时隙之间、申请时隙与申请时隙之间、申请时隙与公共时隙之间，公共时隙与公共时隙之间均设有间隔时隙；业务载波上的每两个数据时隙之间设有一个间隔时隙，所述间隔时隙用于保护相邻时隙之间互不干扰。

此外，本发明还提供一种无中心MF-TDMA卫星通信系统的组网和资源按需调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)所有远端站接受参考时隙内的参考信息与测距时隙内的测距突发调整自身站点的发送时间，完成全网时间同步；所述的参考信息由第一个开机的远端站发送至参考时隙内；完成全网时间同步后，空闲状态的远端站保持每帧监听申请时隙是否存在有关自身站点的通信请求；

(2)当主叫端准备与被叫端建立通信业务时，主叫端先分析自身的业务类型并根据分析结果在现有业务载波中寻找与自身业务匹配的业务载波；若存在与自身业务匹配的业务载波，转至步骤(3)；否则，主叫端向卫星发送请求，卫星接收该请求后开设一条与主叫端自身业务匹配的业务载波，主叫端再以自收自发的方式占用匹配的业务载波中一个空闲的数据时隙M，转至步骤(4)；

(3)主叫端扫描匹配的业务载波是否存在空闲的时隙资源，若存在则以自收自发的方式占用其中一个空闲的数据时隙M；若不存在，则放弃本次通信回归监听申请时隙状态；

(4)主叫端成功占用一个空闲的数据时隙M后以时隙ALOHA的争用方式在申请时隙中向被叫端发送通信请求，同时主叫端生成业务需求表；所述业务需求表内容为本次通信所需要被叫端向主叫端发送具体的业务内容和业务量的大小；

(5)被叫端在监听申请时隙时监听到主叫端发送的通信请求时，分析该通信请求并判断需要向主站端发送的业务类型；根据分析结果被叫端寻找与自身业务匹配的业务载波；若存在与自身业务匹配的业务载波，转至步骤(6)；否则，被叫端向卫星发送请求，卫星接收该请求后开设一条与被叫端自身业务匹配的业务载波，被叫端再以自收自发的方式占用匹配的业务载波中一个空闲的数据时隙N，转至步骤(7)；

(6)被叫端扫描匹配的业务载波是否存在空闲的时隙资源，若存在则以自收自发的方式占用其中一个空闲的数据时隙N；若不存在，则放弃本次通信回归监听申请时隙状态；

(7)被叫端在占用的数据时隙N中向主叫端所占用的数据时隙M发送导通测试，发送导通测试后监听公共时隙；主叫端判断在数据时隙M中是否接收到导通测试，若未接受到导通测试，则进行超时重传，即重复步骤(4)至步骤(6)，进行超时重传次数超过预定次数后仍未接受到导通测试，主叫端放弃本次通信，回归监听申请时隙的状态中；若接受到导通测试后，主叫端继续以自收自发的方式占用与自身业务匹配的业务载波中的空闲的时隙资源；若主叫端占用到自己所需的数据时隙资源时则以时隙ALOHA的争用方式通过公共时隙向被叫端发送业务需求表；若主叫端未占用到自己所需的数据时隙资源，进一步判断与主叫端业务量匹配的业务载波中剩余的空闲的数据时隙资源是否满足主叫端自身业务的最低需求；若满足则同样以时隙ALOHA的争用方式通过公共时隙向被叫端发送业务需求表；若不满足主叫端在数据时隙M中向被叫端所占用的数据时隙N中发送占用失败信令包，并同时释放所占用的时隙资源和载波资源，回归监听申请时隙状态；

(8)若被叫端在公共时隙中监听到主叫端发送的业务需求表时，被叫端根据接收到业务需求表解析自身的业务量；若被叫端在公共时隙中未监听到主叫端发送的业务需求表时或在数据时隙N中收到占用失败信令包，则被叫端放弃本次通信并释放所占用的数据时隙资源和载波资源；

(9)被叫端以自收自发的方式占用匹配的业务载波中与自身业务量匹配的数据时隙资源，若成功占用则被叫端在数据时隙N中向主叫端所占用的数据时隙M中发送成功占用和导通测试请求信令包；若未成功占用与自身业务量匹配的数据时隙资源，则进一步比较剩余的空闲的数据时隙是否满足被叫端自身业务的最低需求；若满足则被叫端同样在数据时隙N中向主叫端所占用的数据时隙M中发送成功占用和导通测试请求信令包；若不满足则被叫端在数据时隙N中向主叫端发送占用失败信令包后释放所占用的数据时隙资源和载波资源；

(10)判断主叫端在数据时隙M中是否收到被叫端发送的成功占用信令包和导通测试请求信令包，若收到则表示双方通信建立成功，双方开始发送和传输数据；若未收到则进行超时重传，即主叫端延迟预设时间后再以时隙ALOHA的争用方式通过公共时隙向被叫端发送业务需求表，重复步骤(8)至步骤(9)；超时重传次数超过预设次数后主叫端仍未收到被叫端发送的成功占用信令包和导通测试请求信令包，主叫端放弃本次通信业务，释放所占用的数据时隙资源和载波资源；

(11)主叫端与被叫端完成发送和传输数据任务后，通信双方释放所占用的业务载波和业务载波中的数据时隙资源，回归监听申请时隙的状态。

进一步的，主叫端或者被叫端以自收自发的方式占用与自身业务量匹配的业务载波中的空闲时隙资源的过程中，若发生主叫端或被叫端与其他远端站发生碰撞，则采用二进制指数退避算法降低碰撞概率。

进一步的，步骤(8)中若被叫端在公共时隙中未监听到主叫端发送的业务需求表时并且在时隙N中未收到占用失败信令包时，则等待预设时间后，若仍未接收到业务需求表，被叫端放弃本次通信并释放所占用的时隙资源和载波资源。

进一步的，超时重传的次数设定为三次。

此外，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

有益效果：本发明所述，其显著优点是：1、与传统有中心的MF-TDMA相比，通过取消主站的调度使得所有的站点的功能和作用都相同，无中心的方式能让整个通信网络内的所有设备互联互通，避免了主站发生了故障而导致所有站点因不能调度陷入瘫痪的情况；2、与无中心的FDMA和TDMA系统相比，无中心MF-TDMA系统中每个站点能够根据自身所需的业务需求载波和业务需求量来按需调整，弥补了无中心卫星通信系统不能做到资源按需分配，资源利用率低的问题。还通过加入指数退避算法和超时重传算法能够提升无中心MF-TDMA的鲁棒性；3、采取业务载波按需动态调整的方式，这种调整的方式相比于按照业务类型进行预分配的方式能极大程度的提高载波以及载波上的时隙资源利用率，防止卫星资源空闲过度浪费。

附图说明

图1所示为本发明所述系统的载波分配图；

图2所示为本发明所述系统中公共载波和业务载波的时隙结构划分图；

图3所示为本发明所述方法的通信流程图；3(a)为主叫端整个通信过程中的流程，3(b)为被叫端整个通信过程中的流程；

图4所示为本发明所述系统进行仿真的结果与现有技术中的无中心的TDMA系统仿真结果的对比图；图4(a)为用户数与呼通率的曲线图；图4(b)为用户数与业务匹配率的曲线图；图4(c)为业务需求速率与呼通率的曲线图；图4(d)为业务需求速率与互通率的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明提供的一种无中心MF-TDMA卫星通信系统，该系统包括若干远端站、卫星；每两个远端站之间通过一条公共载波与C条业务载波上的时隙资源进行通信。

在无中心MF-TDMA卫星通信系统中，由于没有主站的统一调度，所有远端站都是在公共载波上进行申请通信请求或是监听是否有关于自身的通信请求，故公共载波的载波速率要满足所有大小的站点的需求，公共载波的载波速率要尽可能低。

所述若干业务载波的数量C取决于各远端站自身业务量需求，C∈1……c，c为正整数。在通信初始阶段业务类型和业务量较少时，只需先开设一条业务载波进行业务传输，当慢慢有对载波速率要求高的业务申请通信时，并且当前的业务载波的载波速率不能满足当前业务所需要的载波速率时，就会开设一个新的满足该业务类型的业务载波来进行业务传输。当传输完毕时，通信双方监听当前所在自身载波中是否还有其他正在通信的站点或是有站点正在申请该载波资源，若不存在这种现象则会立刻释放载波资源，系统回收载波，避免卫星资源的浪费。以此类推，每当有新的业务要进行通信时，且判断当前存在的载波的速率不能满足当前业务时，都会开设一条新的业务载波。当传输完毕时，且监听到没有正在进行的业务或是正在申请当前载波的站点时，此时会释放信道资源，卫星回收载波。

如图2所示，所述公共载波的时隙结构依次划分为参考时隙、测距时隙、若干申请时隙、若干公共时隙；

参考时隙是保证无中心卫星通信系统在开启状态下，始终占用发送参考信息的。与有中心的MF-TDMA由主站来进行发送参考信息不同，无中心的MF-TDMA的参考时隙是默认第一个开机(即入网的)的远端站进行占用的。第一个开机的远端站向其他远端站发送参考信息，其他远端站点在开机后立刻监听参考时隙，进而调整自身时间，实现全网同步。每个远端站在开机时首先监听参考时隙内是否存在参考信息，若不存在则当前开机的远端站为第一个开机的远端站，否则不认定为第一个开机的远端站。

测距时隙用于传送测距突发，测距时隙是为了弥补卫星和地球站可能会由于移动带来的时间误差。当所有的远端站在参考时隙中完成了全网时间同步后，以时隙ALOHA的形式向测距时隙中发送测距突发，并在接下来的时间内保持接收该测距突发，各远端站根据收到的测距突发来调整自身发送的时间做到更精确的全网同步。

申请时隙用于传输各远端站的通信申请信息；具体的，当所有远端站在经过参考时隙和测距时隙完成了精确的时间同步后，开始监听申请时隙中是否有关于自身的通信申请，当有远端站想要发送通信请求时，在申请时隙中以时隙ALOHA的形式进行发送通信请求。

公共时隙用于传输远端站中主叫端的业务需求表，主叫端为申请通信传输的远端站，被叫端为接受主叫端通信数据的远端站；当主叫端在申请时隙中收到被叫端的回应时，且经过对业务量的估算后占用上了自身所需的时隙资源后，会在公共时隙中以时隙ALOHA的形式向被叫端发送业务需求表。同时一些正在监听公共时隙中的站点也会监听到时隙占用情况。

所述公共载波中各类型时隙之间均设有间隔时隙，间隔时隙用于保护各个时隙类型之间互不干扰。

如图2所示，相较于传统的有中心MF-TDMA卫星通信系统的业务载波划分，在业务载波起始位置不再设有申请时隙，每一条业务载波都是一个业务时隙，一个业务时隙包括N个时隙大小相同的数据时隙，数据时隙用于传输业务信息。数据时隙之间还设有间隔时隙，间隔时隙用于保护各数据时隙之间互不干扰。各个远端站可以根据自身业务量的需求去占用所需的时隙资源来进行业务传输，实现资源的按需动态调整。由于各个业务载波中未设有申请时隙，从而保证可以分配出更多的数据时隙，使每个载波获得更多的时隙资源以满足更多业务量大的通信请求。

如图3(a)、3(b)所示，本发明还提供一种无中心MF-TDMA卫星通信系统的组网和资源按需调整方法，包括以下步骤：设远端站点A为主叫端，远端站点B为被叫端。

(1)所有远端站点首先接收公共载波信道中的参考时隙的参考信息与测距时隙内的测距突发调整自身站点的时间，完成全网时间同步；完成全网时间同步后，空闲状态的远端站(未发出通信请求的远端站)保持每帧监听申请时隙是否存在有关自身站点的通信请求；

(2)当站点A准备与站点B建立通信业务时，站点A先对自己准备进行的业务进行初步业务分析，判断自身业务类型以及需要多少速率的载波，后寻找已有的业务载波中是否存在能满足自身需要的业务载波；若不存在，站点A向卫星发送请求，开通一条与自身业务匹配的业务载波，站点A则会从公共载波中跳频到匹配的业务载波中并且以自收自发的方式占用其中的一个空闲的数据时隙M，转至步骤(4)；若存在，则转至步骤(3)；

(3)站点A扫描与自身业务匹配的业务载波中是否有空闲的数据时隙，若该载波中没有空闲的数据时隙，则立刻放弃本次通信回归监听申请时隙状态；若该载波中存在空闲的数据时隙，则站点A则会从公共载波中跳频到所匹配的业务载波中并且以自收自发的方式占用其中的一个空闲的数据时隙M。

在占用数据时隙时可能由于某一时刻的相同业务增多导致多个站点同时占用一个时隙，站点A与其他远端站发生碰撞。这时引入二进制指数退避算法(BEB)来进一步降低各个站点碰撞概率。在二进制指数退避算法中规定基本退避时间为2T，当站点在占用数据时隙时发生碰撞后，发生碰撞的站点会随机选择一个等待时间；等待时间是从离散的整数序列{0,1,2,…(2ⁿ-1)}中随机选择一个数记为X，则退避重传时间为X*2T。其中，n为当前重传次数R，在本实例中设置最大重传次数设为10次，则重传次数的R的计算公式如下所示：

R＝min[重传次数,10]

若超过最大重传次数，表示当前有过多其他站点正在占用该时隙，则站点A应立刻放弃本次业务，释放所占用的时隙资源。

(4)当站点A成功占用一个数据时隙M后以时隙ALOHA的争用方式在申请时隙中向站点B发送通信请求。同时，站点A解析自身在本次业务中的业务量的大小以及所需要的数据时隙的数量，生成业务需求表。

采用时隙ALOHA算法可以使时隙中只会产生三种状态分别是：成功占用状态、完全碰撞状态和空闲状态。当时隙中没有站点占用时为空闲状态；当时隙中有且只有一个站点占用并发送数据时为成功占用状态；当有两个或两个以上站点占用时为完全碰撞状态。这种算法避免了纯ALOHA算法中的部分碰撞状态，减少了碰撞周期，提高了信道的利用率。

(5)当站点B在监听申请时隙时监听到站点A发来的通信请求时，立即解析该通信请求并判断需要向站点A发送何种业务，该业务对应何种速率的载波。站点B寻找已有的业务载波中是否存在能满足自身需要的业务载波；若不存在，站点B向卫星发送请求，开通一条与自身业务匹配的业务载波，站点B以自收自发的方式占用其中的一个空闲的数据时隙N，转至步骤(7)；若存在，则转至步骤(6)。

(6)站点B继续扫描匹配的业务载波是否存在空闲的数据时隙，若存在空闲的数据时隙则会通过自收自发的方式占用一个空闲的数据时隙N；若不存在空闲的数据时隙，则站点B放弃通信，回归监听申请时隙状态。

(7)站点B在数据时隙N中向站点A所占用的数据时隙M发送导通测试后开始监听公共时隙，判断站点A是否收到了站点B发来的导通测试；若站点A在数据时隙M中未收到了站点B从数据时隙N发来的导通测试，则具有两种可能。第一种：站点B未能成功占用所需的载波的时隙资源；第二种：由于通信环境的影响，站点B给站点A发送的导通测试信令包出现丢包现象。由于是无中心的卫星通信系统，在没有主站的参与下，站点A若没收到站点B发来的导通测试，若无法分清站点B是由于何种情况的，均可以采取自适应超时重传算法来提升整个系统的鲁棒性。

所述自适应超时重传算法为进行超时重传，即重复步骤(4)至步骤(6)。在本实例中将设置最大重传次数为3次，当重传次数大于3次站点A仍然未收到导通测试，则表明通信业务建立失败，站点A立刻放弃本次通信并释放占用资源，回归监听申请时隙的状态中。

自适应超时重传算法中重传时间间隔RRT的计算公式如下所示：

RRT＝α*RRT_l+(1-α)*RRT_n

式子,RRT_l表示上次往返时间间隔的平均加权值；RRT_n表示本次数据包传输的往返时间间隔；α表示一个常数权重因子，范围为0≤α<1，当其越接近0时则表示其往返的时间间隔的估计值越接近本次往返的时间间隔，当其越接近1时会使得加权的平均值对短暂的时延变化不敏感即与本次往返的时间间隔关系不大。

若站点A在数据时隙M中收到了站点B从数据时隙N发来的导通测试表示通信的初步建立，站点A开始以自收自发的方式占用更多空闲的数据时隙资源；若站点A能够占用到自己所需的数据时隙资源时则以时隙ALOHA的争用方式通过公共时隙向站点B发送业务需求表；若站点A未占用到自己所需的数据时隙资源时，进一步判断与站点A业务量匹配的业务载波中剩余数据时隙资源是否满足站点A自身的最低需求，若满足则同样以时隙ALOHA的争用方式通过公共时隙向站点B发送业务需求表，若不满足站点A在数据时隙M中向站点B所占用的数据时隙N中发送占用失败信令包，并同时释放所占用的数据时隙资源和载波资源。

(8)若站点B在公共时隙中监听到主叫端发送的业务需求表时，站点B根据接收到业务需求表解析自身的业务量；若站点B在公共时隙中未监听到站点A发送的业务需求表时且未在数据时隙N中收到占用失败信令包，则等待预设时间后仍未监听到业务需求表或未收到占用失败信令包，则站点B放弃本次通信并释放所占用的数据时隙资源；若站点B在数据时隙N中收到了站点A的占用失败的信令包，则站点B释放所占用的数据时隙和载波资源；

(9)站点B根据接收到业务需求表解析自身的业务量后以自收自发的方式占用与自身业务量匹配的数据时隙资源。若成功占用则站点B在数据时隙N中向站点A所占用的数据时隙M中发送成功占用和导通测试请求信令包；若未成功占用与自身业务量匹配的数据时隙资源，则进一步比较剩余的空闲的数据时隙是否满足站点B自身最低需求，若不满足则站点B在数据时隙M中向站点A发送占用失败信令包后释放所占用的数据时隙和载波资源，若满足则站点B在数据时隙N中向站点A所占用的数据时隙M中发送成功占用和导通测试请求信令包；

(10)站点A在数据时隙M中收到站点B发送的成功占用信令包和导通测试请求信令包，则表示双方通信建立成功，双方开始发送和传输数据；若站点A未收到站点B发送的成功占用信令包和导通测试请求信令包，则进行超时重传，即站点A延迟一段时间后再以时隙ALOHA的争用方式通过公共时隙向站点B发送业务需求表，重复步骤(8)至步骤(9)；超时重传次数超过三次后站点A仍未收到站点B发送的成功占用信令包和导通测试请求信令包，站点B放弃本次通信业务，释放所占用的数据时隙和载波资源；

(11)站点A与站点B完成发送和传输数据任务后，通信双方释放所占用的业务载波和业务载波中的时隙资源，回归监听申请时隙的状态。

在对本实例的过程进行通信仿真测试时，可以设置所有站点的业务需求、业务需求速率、业务量的大小都服从泊松分布。此外，除主叫端被叫端外还会设有一个仲裁端。仲裁端的功能包括：1、当站点A或站点B扫描业务信道时没有所需的载波时，会向仲裁端发送申请开设载波请求，仲裁端代替卫星的作用为其开设所需业务载波。2、当站点A或站点B扫描匹配的业务载波中是否存在空闲数据时隙时，仲裁端返回一个时隙状态来告知其是否存在空闲数据时隙。3、当站点A或被站点B以自发自收的方式占用时隙时，由仲裁端来回复是否占用成功或者是否发生碰撞。4、当站点A在申请时隙中发起申请或是站点B向主叫端发送导通测试请求时，仲裁端视为一个转发中介，将根据不同的环境设置对应的丢包率对其进行丢包处理。5、当双方通信业务完成后，站点A发送释放时隙和载波资源请求，仲裁端转发给站点B后处理该请求。

进行仿真测试时，设一个时间间隔内的站点进行通信请求的概率服从泊松分布，则在时间间隔T内有n个站点进行通信请求的概率为：

式中，μ为在单位时间内正在进行通信请求的站点数。

假定一个时间t₁时刻只有一个站点进行发送通信请求，且设发送这一个数据需要的时间长度为t，则在(t₁,t₁+t)这段时间内没有其他站点发送通信请求的概率为：

P(0)＝e^-μt

令G＝u*t，则G代表该载波的负载情况。则在这个t时间范围内，当只有一个站点发送通信请求时，那这一个站点一定能占用该时隙资源。所以该站点能成功发送通信请求的概率为：

P(x)＝P(0)＝e^-G

由此可以得到时隙ALOHA算法的吞吐量为

S(G)＝G*p(x)＝G*e^-G

对上述其吞吐量对G求导后令其导数等于0，可求出吞吐量的极大值点为G＝1时，S(1)＝0.368。又由于G>0所以当G＝1时，吞吐量取得最大值为36.8％。

可通过对设置一个中间端来记录仿真过程中参与的用户数N，整个仿真过程中不同用户数所需要的通信业务次数为X以及能够成功建立通信业务的次数为Y，不同业务的业务平均需求速率K，不同业务的业务匹配度P。绘制出实际通信中(有碰撞，有丢包)用户数和呼通率的曲线关系，用户数和业务匹配度的曲线关系，业务需求速率和呼通率的曲线关系，业务需求速率和业务匹配度的曲线关系。计算时采用的呼通率z的计算公式如下所示：

设单次业务的所需业务载波的速率为V，整个系统的帧可等均匀的分为M个时隙，则一个每个业务时隙的速率为

所以该站点的此业务所占用的时隙个数为：

由此可得单次业务的业务匹配度为：

因为整个仿真中一共建立的总通信业务为X，所以可得第i个站点的业务匹配度为：

由此可得整个系统的所有的业务匹配度为：

如图4所示为上述仿真的结果与现有技术中的无中心的TDMA系统仿真结果的对比图。图4(a)所示，相同的用户数本发明所述系统所达到的呼通率较高；图4(b)所示，相同的用户数本发明所述系统能够实现业务匹配度更高。图4(c)所示，相同的业务需求速率本发明所述系统所达到的呼通率较高；图4(d)所示，相同的业务需求速率本发明所述系统能够实现业务匹配度更高。

Claims (8)

1.一种无中心MF-TDMA卫星通信系统，包括若干远端站、卫星；其特征在于，每两个远端站之间通过公共载波的帧结构内的时隙、业务载波的帧结构内的时隙进行通信并完成业务传输；

所述公共载波的每帧结构包括参考时隙、测距时隙、若干申请时隙、若干公共时隙；参考时隙用于传送参考信息，参考时隙始终由第一个开机的远端站占用；测距时隙用于传送测距突发；申请时隙用于传输各远端站的通信申请信息；公共时隙用于传输远端站中主叫端的业务需求表，主叫端为申请通信传输的远端站，被叫端为接受主叫端通信数据的远端站；

所述业务载波的每帧结构包括若干时隙大小相同的数据时隙，数据时隙用于传输业务信息；业务载波的数量C由各个远端站自身的业务需求决定，C∈1……c，c为正整数；

所述卫星用于接收远端站开设业务载波的申请并根据该申请开设满足各远端站自身的业务需求的业务载波。

2.根据权利要求1所述的无中心MF-TDMA卫星通信系统，其特征在于，公共载波的每帧结构按照参考时隙、测距时隙、若干申请时隙、若干公共时隙的顺序依次划分；其中，参考时隙与测距时隙之间、测距时隙与申请时隙之间、申请时隙与申请时隙之间、申请时隙与公共时隙之间，公共时隙与公共时隙之间均设有间隔时隙；业务载波中的每两个数据时隙之间设有一个间隔时隙，所述间隔时隙用于保护相邻时隙之间互不干扰。

3.一种基于权利要求1所述的无中心MF-TDMA卫星通信系统的组网和资源按需调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)所有远端站接受参考时隙内的参考信息与测距时隙内的测距突发调整自身站点的发送时间，完成全网时间同步；所述的参考信息由第一个开机的远端站发送至参考时隙内；完成全网时间同步后，空闲状态的远端站保持每帧监听申请时隙是否存在有关自身站点的通信请求；

(2)当主叫端准备与被叫端建立通信业务时，主叫端先分析自身的业务类型并根据分析结果在现有业务载波中寻找与自身业务匹配的业务载波；若存在与自身业务匹配的业务载波，转至步骤(3)；否则，主叫端向卫星发送请求，卫星接收该请求后开设一条与主叫端自身业务匹配的业务载波，主叫端再以自收自发的方式占用匹配的业务载波中一个空闲的数据时隙M，转至步骤(4)；

(3)主叫端扫描匹配的业务载波是否存在空闲的时隙资源，若存在则以自收自发的方式占用其中一个空闲的数据时隙M；若不存在，则放弃本次通信回归监听申请时隙状态；

(4)主叫端成功占用一个空闲的数据时隙M后以时隙ALOHA的争用方式在申请时隙中向被叫端发送通信请求，同时主叫端生成业务需求表；所述业务需求表内容为本次通信所需要被叫端向主叫端发送具体的业务内容和业务量的大小；

(5)被叫端在监听申请时隙时监听到主叫端发送的通信请求时，分析该通信请求并判断需要向主站端发送的业务类型；根据分析结果被叫端寻找与自身业务匹配的业务载波；若存在与自身业务匹配的业务载波，转至步骤(6)；否则，被叫端向卫星发送请求，卫星接收该请求后开设一条与被叫端自身业务匹配的业务载波，被叫端再以自收自发的方式占用匹配的业务载波中一个空闲的数据时隙N，转至步骤(7)；

(6)被叫端扫描匹配的业务载波是否存在空闲的时隙资源，若存在则以自收自发的方式占用其中一个空闲的数据时隙N；若不存在，则放弃本次通信回归监听申请时隙状态；

(7)被叫端在占用的数据时隙N中向主叫端所占用的数据时隙M发送导通测试，发送导通测试后监听公共时隙；主叫端判断在数据时隙M中是否接收到导通测试，若未接受到导通测试，则进行超时重传，即重复步骤(4)至步骤(6)，进行超时重传次数超过预定次数后仍未接受到导通测试，主叫端放弃本次通信，回归监听申请时隙的状态中；若接受到导通测试后，主叫端继续以自收自发的方式占用与自身业务匹配的业务载波中的空闲的时隙资源；若主叫端占用到自己所需的数据时隙资源时则以时隙ALOHA的争用方式通过公共时隙向被叫端发送业务需求表；若主叫端未占用到自己所需的数据时隙资源，进一步判断与主叫端业务量匹配的业务载波中剩余的空闲的数据时隙资源是否满足主叫端自身业务的最低需求；若满足则同样以时隙ALOHA的争用方式通过公共时隙向被叫端发送业务需求表；若不满足主叫端在数据时隙M中向被叫端所占用的数据时隙N中发送占用失败信令包，并同时释放所占用的时隙资源和载波资源，回归监听申请时隙状态；

(8)若被叫端在公共时隙中监听到主叫端发送的业务需求表时，被叫端根据接收到业务需求表解析自身的业务量；若被叫端在公共时隙中未监听到主叫端发送的业务需求表时或在数据时隙N中收到占用失败信令包，则被叫端放弃本次通信并释放所占用的数据时隙资源和载波资源；

(9)被叫端以自收自发的方式占用匹配的业务载波中与自身业务量匹配的数据时隙资源，若成功占用则被叫端在数据时隙N中向主叫端所占用的数据时隙M中发送成功占用和导通测试请求信令包；若未成功占用与自身业务量匹配的数据时隙资源，则进一步比较剩余的空闲的数据时隙是否满足被叫端自身业务的最低需求；若满足则被叫端同样在数据时隙N中向主叫端所占用的数据时隙M中发送成功占用和导通测试请求信令包；若不满足则被叫端在数据时隙N中向主叫端发送占用失败信令包后释放所占用的数据时隙资源和载波资源；

(10)判断主叫端在数据时隙M中是否收到被叫端发送的成功占用信令包和导通测试请求信令包，若收到则表示双方通信建立成功，双方开始发送和传输数据；若未收到则进行超时重传，即主叫端延迟预设时间后再以时隙ALOHA的争用方式通过公共时隙向被叫端发送业务需求表，重复步骤(8)至步骤(9)；超时重传次数超过预设次数后主叫端仍未收到被叫端发送的成功占用信令包和导通测试请求信令包，主叫端放弃本次通信业务，释放所占用的数据时隙资源和载波资源；

(11)主叫端与被叫端完成发送和传输数据任务后，通信双方释放所占用的业务载波和业务载波中的数据时隙资源，回归监听申请时隙的状态。

4.根据权利要求3所述的无中心MF-TDMA卫星通信系统的组网和资源按需调整方法，其特征在于，主叫端或者被叫端以自收自发的方式占用与自身业务量匹配的业务载波中的空闲的数据时隙资源的过程中，若发生主叫端或被叫端与其他远端站发生碰撞，则采用二进制指数退避算法降低碰撞概率。

5.根据权利要求3所述的无中心MF-TDMA卫星通信系统的组网和资源按需调整方法，其特征在于，步骤(8)中若被叫端在公共时隙中未监听到主叫端发送的业务需求表时并且在数据时隙N中未收到占用失败信令包时，则等待预设时间后，若仍未接收到业务需求表，被叫端放弃本次通信并释放所占用的时隙资源和载波资源。

6.根据权利要求3所述的无中心MF-TDMA卫星通信系统的组网和资源按需调整方法，其特征在于，所述超时重传的次数设定为三次。

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求3至权利要求6所述方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求3至权利要求6所述的方法的步骤。

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