卫星通信中坑爹的“先进”技术—— TDMA跳收
郭 威（德国诺达卫星通信系统（北京）有限公司，北京 100016）
摘要：卫星通信中常有一些看起来十分漂亮，听起来也非常诱人的“先进”技术。许多用户往往受到表面华丽词藻的诱
惑，不求甚解，很轻易地就相信这些技术先进得不得了。而相应的厂家对于用户的这种盲从也往往睁一只眼，闭一只眼，很少把这些“先进”技术的代价和弊端告知用户，结果使得用户在实际应用中总是莫名其妙地蒙受重大损失。本文就这些所谓的“先进”技术进行深入分析，以协助用户能够对于各种各样的卫星通信技术得到更加全面和透彻的了解。关键词：卫星通信；TDMA；跳收d o I：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2018.Z1.008
中图分类号：TN927+.2文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2018）z1-0035-06
1 跳频TDMA
现代的绝大多数TDMA （时分多址）VSAT卫星通信系统都支持多频操作，即所谓MF-TDMA
（多频时分多址），其含义是说“在不同时刻，从地面站发射出来的突发载波可以在多个不同的频率信道上来回跳跃（即跳发）”，因而这种技术也常被称
作跳频TDMA。
比如如图1左所示，地面站在t 0~t1期间将发射频率调整到f ，向信道-1上发射了一个短小的
1
TDMA载波信号（即突发A）；在T1~T2期间则又跳转到频点F2，向信道-2上发射了另一个短小的TDMA载波信号（即突发b），等等，依此类推。
这里有两个地方需要注意一下：首先，信道和载波是两个不同的概念。可是在卫星通信行业中却 有不少人把这两者混为一谈，不加区分，结果造成了不少混乱，令用户愈发难以理解卫通网络技术。有关信道和载波的具体介绍及其差别，可参阅《马路上的卫星之–载波和信道》等有关技术文件。另外，图中载波的波形是用虚线来表示的，其含义是指该波形是由来自于多个站点的、不连续的、时有时无的突发凑成的，以示与SCPC等FDMA频分多
址技术中从一个站点发出的连续载波相区别。
可是一说到跳频，就能听到有的厂家还宣称其
MF-TDMA系统不仅能够跳发，而且还能跳收，即
“在不同时刻，地面站还能接收来自不同频率信道
上的突发信号”，所以技术上更加先进。比如如图1右所示，地面站在t0~t1期间，将其接收频点调整到f 2，
接收信道-2上的Tdma载波（即突发x）；在tn~tn+1期间，则又跳转到频点FM，接收信道-M上的TDMA载波（即突发z）；等等依此类推。
乍看起来，“既能跳发，又能跳收”似乎是挺先进的，因为能跳当然要比不能跳强嘛。但倘若能够静下心来认真地思考，仔细地研究一下，就会发现这种所谓的“先进”其实是很坑爹的。
2 值守信道技术
为了搞清TDMA跳收有什么问题，我们不妨先了解一下不跳收的MF-TDMA有什么特点。这里对应于不跳收，或者说对应于固定接收有一个“值守信道”的概念，它指的是“在卫星上设置有多路频率信道（即MF ）的情况下，某一组地面站总是固定接收其中的一路信道，而从不跳转到别的频点上接
收其他信道，则这个信道即被称作该组地面站的值守信道（Home Channel）”。见图2：
如图2所示，假设在卫星上设置有CH-1、CH-2、CH-3三路频率信道，而在地面上则将所有站点分为A、B、C三组。其中：
⊙ A组站点以CH-1为值守信道，即只接收
CH-1信道上的载波信号。
⊙ B组站点以CH-2为值守信道，即只接收
CH-2信道上的载波信号。
⊙ C组站点以CH-3为值守信道，即只接收
CH-3信道上的载波信号。这里请注意，虽然接收都是固定的，但发射却并不固定。各个站点在发射载波的时候，还是可以在不同的频率信道上来回地跳跃，即跳发。而跳发技术与值守信道技术相结合，即可通过卫星单跳实现任意站点之间同时的双向通信。
例如，假设有站点想与A组中的某一站点通信，则只需将载波发射到A组站点的值守信道CH-1上即可。见图3.1：
如果把信道比喻成马路，把地面站比喻成单位的
话，CH-1、CH-2和CH-3就好比是南京路、广州路和成都路，而A组中的站点就好比是南京路上的各个单位。这些单位把大门儿开在了南京路上，如果有人想访问它们的话，只需把车开到南京路上即可到达。
同理，与B组或C组中的站点的通信则分别如图3.2与图3.3所示：
这样，通过把载波发射到对端站点的值守信道上，即可在每个站点只配备一个Modem（1个调制器和1个解调器）的情况下，通过卫星单跳实现所有站点之间同时的双向通信，即全网状网（Full Mesh）。见图3.4：
2.1 值守信道技术的同步优势
在MF-TDMA网络中采用值守信道技术是有很多优势的，而首先就是有利于TDMA载波的快速同步和解调。
大家都知道，TDMA的载波都是不连续的，网
络中各TDMA站点发出的信号都是一个个短小而快速的突发，稍纵即逝。所以对于接收站来讲，一项重要的工作就是要迅速而准确地捕捉、同步和解调这些突发信号。
显然，假如站点中解调器所监听的信道是固定
的，就像Fdma频分多址系统中的modem那样总是一心一意、守株待兔地接收一个频点，捕捉、同步
和解调这一频道上出现的TDMA突发就会相对轻松。这尤其对于那些变化频繁，要求快速同步的应
用（如“动中通”）是十分有利的（注1）。虽然“守株待兔”本为贬义，但在这里却反而发挥出了其特殊的优势。
但倘若站点中的解调器三心二意，接收频点老是在几个信道上跳来跳去的话，由于每到一个新的频点都需要从头进行调整，捕捉、同步和解调
TDMA突发的难度不仅会加大，花销和代价也会相应增高，从而影响TDMA站点的同步性能以及TDMA网络的带宽效率（注2）。
如前所述，假如还把信道比作马路，把站点比作单位的话，那么解调器就好比是单位里负责值守
大门和接待访客的门卫。如图4所示，假设某单位只有一座南门，只在南大街上开门迎客，即所有访客都是走南大街，经南门进入该单位，那么即使仅有一名门卫，这座大门也可以常开，访客也可以连续不断地进入，接待访客的工作也就能够非常顺利地完成。
但是，假如在单位的前后左右还有东大街、西大街和北大街等好几条大街，而单位在每条大街上都开门迎客的话，由于门卫（解调器）只有一名，那不管这名门卫的本领有多大，不管他如何地跳来跳去，某一时刻他也只能值守其中的一座大门，也只能接待从一条大街上来造访的客人，而不可能同时接待从所有大街上来到的访客。见图5.1～图5.4：
从一座大门跳到另一座大门，在路上是有耽搁的。而且，在跳到一处新的地方后，重新打开那里的大门也需要花费时间，所以接待速度和质量一定是会受到影响的。虽然这可以通过安排多名门卫（解调器），在每座大门各设置一名门卫来改善接待质量，但这无疑又会增加不少成本。
2.2 值守信道技术的带宽优势
“跳收”对于TDMA的快速同步和解调有不利
影响，这还是比较容易看出来的。可实际上，在“跳收”的光环之下还隐藏着一个很容易被忽视，但却
对VSAT的网络性能影响更大的问题，那就是带宽
的利用率，即时隙的填充率—— Fill Rate。
我们知道，带宽在TDMA网络中是通过时隙的
数量来表征的。所谓为了满足各个站点的数据、话音和图像等业务的传输需求而为其分配带宽，其实就是给这些站点分配一个或多个时隙。而当某一站点从网络中获得了一个时隙后，接下来的工作就是如何通过一些手段充分地、高效地利用该时隙来尽可能
多地传输业务，以减少空闲和避免浪费。见图6：
如图6所示，假设在某一TDMA的VSAT卫星通信网络中，网络将tn至t n+1期间的时隙N分配给了站点VSAT-X，即允许VSAT-X利用时隙N传输业务。那么当TN时刻到来时，VSAT-X就会将一个准备好的突发，打入到tn至tn+1的那个时隙中，而该突发中则含有VSAT-X想要传输给其他站点（如VSAT-A、B、C等）的数据、话音和视频等业务。这就相当于VSAT-X把要传输给其他站点的各种业务都填入到
时隙N中。显然，最理想的情形是整个时隙N能够
被充分利用，能够被用户业务完全填满；而不太理想的情形则是该时隙没能被填满，出现了不少的空白空间，从而导致了带宽浪费。
这就如同运送快递。在TDMA网络中，给某一
站点分配时隙传输业务，就好比是快递公司派遣车 辆到某座写字楼，为该写字楼送货一样。显然，大家都希望能够充分利用货车的全部空间，把整个货车装得越满越好（见图7左），而最简单和最有效的方式就是把送往多个不同地方的各种各样的货物，如书信、文件、文具、家具、电器等等，全都一股脑儿地往里装。而这其实就相当于卫星通信中为了提高载波及带宽的利用率，而对多种业务实施的复用和封装。
否则，如果派出了好几辆车，而每辆车却只给
一个目的地递送了一件货物的话（见图7右），就实在是太不划算了。这就是时隙填充率低下，会影响
TDMA的带宽效率，弄得不好会导致相当严重的带宽浪费。
所以说，能否在各个时隙中尽可能多地把发往不同目的地的用户业务进行复用，以充分地利用时
隙空间，减少时隙空闲，是提高整个TDMA网络带宽利用率的关键。但这和跳收又有什么关系呢？
其实，从表面上就已经不难看出，由于跳收的缘故，发往不同站点的信息就不能再被复用到同一个突发中了。为便于理解，我们这里不妨把汽车换成飞机，用乘坐飞机访客送礼来打比方。假如被访问的客人都住在同一座城市里，比如都在广州（即这些客人都以广州为值守信道），那么造访者只需要乘坐一趟航班，飞一次广州就能够访问到所有客
人，把所有礼物全都送到了。见图8.1：