马路上的卫星（二）| 一言难尽的TDMA（下）
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——谈“航天+”的理念与实践设想
2015年3月，《卫星与网络》杂志在腾讯、搜狐、新浪、和讯等100多家网站与相关媒体重磅推出了“航天+”理念及系列专题共6篇深度阐述文章，并于2015年6月和7月分两次，刊发于《卫星与网络》杂志。为了持续不断地推广航天+的理念与实践设想，《卫星与网络》公众号自2015年起，持续多次将这些深度文章推送给各位读者，链接如下，期待交流：
作者 | 一席VSAT
本文原载于《卫星与网络》杂志2019年7月刊
从前面对TDMA技术里最基本的卫星信道访问方式的介绍中可以看出，RA和DA中的PAMA都不完美，都会出现时隙及带宽浪费的情况，而解决之道一是将两者组合起来使用，二是引入DAMA，以取长补短，发挥各自优势，进一步提高卫星信道的利用率。不过“乱花渐欲迷人眼，潜心才能解难题。”要是不怕患老花眼的话，就请耐心接着观赏几种令人眼花的RA和DA组合技术吧。
首先介绍一个最简单的组合。如果在某一网络中，有些站点的业务为稀路由型，而其余站点为重业务型，则一个最简单的解决方案就是对时隙进行一下划分，将其中的一部分规定为RA时隙，其余部分规定为DA时隙。其中，RA时隙分配给稀路由站点以随机访问方式共用，而DA时隙则分配给重型业务站点以PAMA固定占用方式专用。见下图：
图-3.1 RA+DA/PAMA组合
如图所示，假设在某一TDMA帧中共有12个时隙，其中前4个时隙(TS-1至TS-4)被规定为RA时隙，为斐济、汤加、塞班等稀路由站点以Aloha方式共用，即随机占用；而后8个时隙(TS-4至TS-12)则被规定为DA时隙，分别预分配给了北京、上海、广州和乌鲁木齐等重型业务站点以PAMA固定占用方式专用。
但是，倘若觉得那后几个DA时隙由于被PAMA固定占用，还有可能会出现空闲和浪费的话，则还可以采用前面提到过的DAMA按需分配多址(Demand Assigned Multiple Access)技术一块儿共享，即根据各个站点的实际需要，按需予以分配。见下图：
图-3.2 RA+TDMA/DAMA组合
如图所示，前5个时隙(TS-1至TS-5)被规定为RA时隙，可以为网络中的所有站点(包括北京、上海、斐济、塞班等)以Aloha随机访问方式共用；而后7个时隙(TS-6至TS-12)则被规定为DA时隙，会被“按需分配”给那些有较多、较重或较持续业务传输的地面站使用，即DAMA。
这里需要注意有几个地方出现了变化：
一是前面的RA时隙不仅只用于稀路由站点(如斐济、汤加、塞班等)，而且还用于了重业务站点(如北京、上海等)，即所有站点都可以用Aloha的方式随机访问这几个RA时隙；
二是这些RA时隙不仅用于传输业务，而且还用于各个站点传输带宽请求。即当某一站点需要传输较多、较重或较持续的业务时，可先通过这几个RA时隙向网络控制中心(NCC)发送申请，请求网络将一个或多个DA时隙分配给该站点(当然，在申请过程当中是有可能发生碰撞，并不得不重新发送申请的)。
三是后面的DA时隙也不再是以PAMA方式只固定地预分配给某几个站点了(如北京、上海、广州和乌鲁木齐等)，而是可以根据各个站点的实际业务需求和业务量，按需分配给任意站点了(包括斐济、汤加和塞班等)，即DAMA按需分配。
四是站点在按需获得了后面的若干DA时隙后，就可以在每一个TDMA帧里都循环反复地使用这些时隙，畅行无阻地传输业务，直至业务结束，其间不必再担心遭到碰撞。
五是站点在利用DA时隙完成业务传输之后，又会将这些时隙再释放出来，交还给网络供其它站点申请和使用。
以上过程其实就是TDMA/DAMA，虽然看着会觉得有点儿乱，但倘若对SCPC/DAMA有所了解的话，就会发现其实二者在带宽按需分配的道理上是一样的，只不过SCPC/DAMA分配的是一段一段的频率带宽，而TDMA/DAMA分配的则是一个一个的时隙带宽而已。当然二者在其它方面，比如组网，也还是有很多和很大差别的，这里就暂且不表了。
无论是RA+DA/PAMA，还是RA+DA/DAMA，这两种组合访问方式都是把时隙人为地分成了RA和DA两个固定的部分。但倘若碰上了一些难缠的用户抬杠，就像刘三姐(注1)怒怼楚霸王道：
你歌哪有我歌多，我有十万八千箩。
平时全都不吭气，突然冒个秀多多。
只因那年涨大水，山歌塞断九条河。
ＴＤＭＡ可奈何，ＤＡＲＡ奈若何？
意思是说：在大多数情况下，虽然所有站点都是稀路由业务(比如信用卡交易)，全部时隙均为RA最好，但在个别情况下，也不知道会有哪个个别站点突发重型业务(比如大文件传输)，所以此时如果很多时隙，甚至全部时隙都是DA则又会更佳。那这又该如何是好呢？
在这种情况下，有一种将RA和DA时隙混为一体的，称作AA/TDMA自适应分配时分多址(Adaptive Assignment TDMA)的技术，可以用来解决这一难题。这里不妨还拿那个太平洋别墅小区来举例做个说明。
比如某一天塞班家为孩子庆祝生日，邀请亲朋好友办了个大型的Party(聚会)。虽然塞班家平时门可罗雀，车流稀少，没什么访客挺清静的，用的都是Aloha随机访问方式上路，但生日Party那天却陆陆续续、熙熙攘攘聚集了很多很多的客人，开来了很多很多的车辆。
Party结束后，这些客人纷纷开车离去，在短时间内形成一股不小的车流。可以想象，当这股车流在小区的道路上行驶的时候，如果汤加、贝劳、斐济等其它住户还冒冒失失、随随便便地开车上路的话，就一定会发生碰撞。而如前所述，根据Aloha的规则，发生碰撞的车辆全都必须退回原位，等候一段时间之后才可以再次随机重新上路，而随机重新上路则难免又会再次发生碰撞。如此反反复复，从塞班家开出的车流，不知要历尽千难万险遭到多少次碰撞，重传多少回，花费多少时间，才能跌跌撞撞地全部驶离小区。见下图：
图-3.3 偶发重型业务时的RA
针对这种某户人家偶发大队人马的情况，采用AA/TDMA自适应分配时分多址技术又是如何来应对的呢？为便于讲解，这里不妨假设一共有20部车辆需要从塞班家连续开出。
首先，从塞班家开出的第一辆车还是以Aloha随机访问方式上路的，当然这难免会遭到碰撞。不过在其杀出一条血路侥幸突出重围后，就可以立即向交管部门报告，申明还有19部车量滞留在塞班家急需上路，要求交管部门实施临时的交通管制，为这19辆车预留出一段上路的时间和空间，而这就相当于某一VSAT远端站向NCC网控中心预约时隙。
图-3.4 AA/TDMA - 时隙初始均为RA
交管部门在收到这一请求后，如果没有其它什么特殊情况，就会实施临时的交通管制，为这19部车辆预留出一个时间段儿，在马路上腾出车道专供塞班家使用(即DA)。而为了避免发生碰撞，其它住户的车辆在这一期间将全被禁止上路。这就相当于NCC网控中心为VSAT远端站预分配时隙。如此一来，滞留在塞班家里的剩余车辆就可以畅行无阻地顺利驶离了。
图-3.5 AA/TDMA – 大部分时隙转变为DA
不过像这样的请求也许不只一家有，可能会有好几户人家都需要DA时隙传输业务，而且还都把申请成功地发送到了交管中心。在这种情况下，就需要根据这些人家及其车辆的重要性和优先级(如QoS)来分配DA时隙了。比如说，如果只有刘三姐家和阿牛哥家(注1)的十八手牛粪车要求上路，那么DA时隙就可以分配给这两户门当户对的贫苦人家平均使用；但是倘若莫老爷家(注1)有运送金银财宝的劳斯莱斯豪车要上路，那么DA时隙就会被首先分配给莫老爷家使用了。
也许有人觉得AA/TDMA方式与前面的RA+DA/DAMA方式很相似，但如果仔细注意一下就会发现：在RA+DA/DAMA方式中，RA和DA时隙还是被分开的；而在AA/TDMA方式中，就不分什么RA和DA时隙了，每个时隙都既可能是RA，也可能是DA，究竟哪些是RA，哪些是DA，什么时候是RA，什么时候是DA，则全靠自适应了。见下图：
图-3.6 AA/TDMA帧结构
如果搞得正式一点儿的话，则上述AA/TDMA的主要过程可以通过下图来进行描述：
图-3.7 AA/TDMA操作过程
AA/TDMA中的主要过程，包括VSAT远端站如何随机发送数据包，如何争抢时隙和发生碰撞，如何延时重发，如何最后获得固定时隙，以及如何以DA方式连续发送数据等步骤，均已在图中标明，这里就不再一一赘述了。不过细心一些的读者或许会问：“图中怎么没有见到主站发射？主站为VSAT远端站分配DA时隙的信令又是怎样发送到VSAT远端站的呢？”
由于主站不仅是全网的业务中心(Hub)，而且还往往是全网的控制中心(NCC)和管理中心(NMS)，还负责把各种各样的控制和管理信息及时无误地传达给所有站点，所以其作用和地位极为重要，一般是不会与VSAT远端站掺和在一起，用Aloha这样low(低级)的随机访问方式去争抢时隙的，而是会单独占据一段带宽专门传送信令，以免因碰撞而耽误了对网络的控制和管理，影响全网的正常运转。
比如在一个典型的TDM/TDMA星状网中，或在一个以TDM/TDMA为CSC公共信令信道(注2)的SCPC/DAMA网络中，主站就是通过独占一段频率带宽，发射一个TDM出境载波，以广播方式向所有VSAT远端站发号施令，来分配时隙带宽或频率带宽的；而在一个典型的纯TDMA或MF-TDMA网状网中，主站则是通过占用一到几个专用时隙，把包括TDMA同步参考在内的信令，以广播的方式传送所有站点，为各个站点分配时隙带宽。由于不同VSAT系统及网络的通信体制各不相同，而图-3.7着重想要说明的是VSAT远端站访问和占用TDMA信道的过程，并非主站的工作方式，所以就有意略去了对主站的标注。
另外，这里介绍的仅仅是一路TDMA信道中的若干RA+DA组合。倘若结合多频(MF)和跳频(FH)技术，在网络中设置多路TDMA信道并实施跳频操作的话，则还可以变出更多种花样儿。比如把一路信道全部设为RA时隙，专门用于各个站点发送带宽请求信息，而其它信道则全部设为DA时隙，专门用于固定分配(PAMA)或按需分配(DAMA)给各个站点传输业务等等，这里就不一一介绍了。只要清楚一点，折腾这些的目的都是要取长补短，充分发挥RA和DA，PAMA和DAMA的各自优势，以提高包括响应时间、信道利用率等在内的TDMA性能就可以了。
二、三十年前还没有移动通信的时候，VSAT就已经在世界各地红红火火地发展并得到了广泛应用，而那时的一个热门话题就是SCPC和TDMA孰优孰劣。可二十几年后的今天，当移动通信都已经发展到4G，并大踏步迈向5G的时候，VSAT却没有什么实质性的变化，很多VSAT系统仍然徘徊在FDMA和TDMA之间，甚至仍旧停留在FDMA的水平上，而很多的讨论则仍然是对SCPC和TDMA技术的优劣进行对比。
这里姑且不说结论如何，单从这一现象就可看出卫星通信的发展还是相当缓慢的。倘若拿移动通信来作对比的话，卫星通信迄今也只发展到了2G的阶段(TDMA)，相当一部分还依旧停留在1G(SCPC)和1.5G(TDM/TDMA)的水平上。
这里面的原因很多，其中之一恐怕就是和TDMA，尤其是纯TDMA技术较难理解有关。如前所述，移动通信从1G的FDMA到2G的TDMA，再到3G的CDMA，再到现在4G的OFDMA，原理是越来越复杂，懂得的人也是越来越少，真可谓从“下里巴人”到“阳春白雪”，“其曲弥高，其和弥寡”。而同样在卫星通信中，相比于SCPC等频分多址技术，真正懂得TDMA，尤其是纯TDMA时分多址技术的人也要少得很多。
但值得一提的是，《宋玉对楚王问》的最后还有这样一段话：“故鸟有凤而鱼有鲲。凤皇上击九千里，绝云霓，负苍天，足乱浮云，翱翔乎杳冥之上。夫蕃篱之鷃(yàn)，岂能与之料天地之高哉？鲲鱼朝发昆仑之墟，暴(pù)鬐(qí)于碣石，暮宿于孟诸。夫尺泽之鲵(ní)，岂能与之量江海之大哉？”
就是说，SCPC和TDMA虽然有着“凤与鷃”和“鲲与鲵”的巨大差别，但卫星通信要有所发展，不管理解上有多少困难，都要必须努力完成从SCPC趴趴猫到TDMA跳跳虎的转变(注3)。
备注
注1：刘三姐、阿牛哥和莫老爷均为电影《刘三姐》中的人物，其中刘三姐和阿牛哥代表贫穷的老百姓，而莫老爷则代表富有的土财主。
注2：CSC意为公共信令信道，其英文原文为“Common Signaling Channel”。
注3：有关SCPC趴趴猫和TDMA跳跳虎的含义，请参阅《马路上的卫星（一）—— 信道和载波》。而有关SCPC和TDMA技术在带宽上的分析和比较，请参阅《马路上的卫星（五）—— TDMA和SCPC的带宽效率》（后续即将推出，敬请期待）。
附录：英文缩略语及中译文注释一览表
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