優(yōu)化衛(wèi)星通信技術(shù)研究

伍 萍

（信息工程大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州450002）

0 引言

衛(wèi)星通信自20世紀(jì)40年代提出，并經(jīng)過了半個多世紀(jì)的發(fā)展，已逐漸成為區(qū)域與跨洋通信、國家基礎(chǔ)干線通信、國防軍事通信、行業(yè)及企業(yè)專網(wǎng)通信乃至個人通信的重要手段，隨著信息全球化、互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字多媒體通信以及視頻、音頻廣播業(yè)務(wù)的增長、通信個體化、機(jī)動性及無縫覆蓋的需求，衛(wèi)星通信將會發(fā)揮越來越重要的戰(zhàn)略作用。優(yōu)化衛(wèi)星通信鏈路可以很大程度上節(jié)省成本，優(yōu)化衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以從以下幾個方面：對基帶數(shù)據(jù)有效壓縮、提高轉(zhuǎn)發(fā)器功率利用率、提高轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬利用率、降低設(shè)備成本等等。本文從星組網(wǎng)技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)進(jìn)行討論優(yōu)化衛(wèi)星通信。

1 優(yōu)化衛(wèi)星通信的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)技術(shù)

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)可分為星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和混合網(wǎng)三種。采用星狀結(jié)構(gòu)的VSAT網(wǎng)最適合于廣播、收集等進(jìn)行點(diǎn)到多點(diǎn)間通信的應(yīng)用環(huán)境，例如具有眾多分支機(jī)構(gòu)的全國性或全球性單位作為專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，以改善其自動化管理、發(fā)布、收集信息等。采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)VSAT網(wǎng)較適合于點(diǎn)到點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時性通信的應(yīng)用環(huán)境，比如建立單位內(nèi)的VSAT專用電話網(wǎng)等。采用混合結(jié)構(gòu)的VSAT網(wǎng)最適合于點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)之間進(jìn)行綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)膽?yīng)用環(huán)境。此種結(jié)構(gòu)的VSAT網(wǎng)在進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)間傳輸或?qū)崟r性業(yè)務(wù)傳輸時采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而進(jìn)行點(diǎn)到多點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時采用星狀結(jié)構(gòu):在星狀和網(wǎng)狀混合結(jié)構(gòu)時可采用不同的多址方式。此種結(jié)構(gòu)的VSAT網(wǎng)綜合了前兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，允許兩種差別較大的VSAT站(即小用戶用小站，大用戶用大站)在同一個網(wǎng)內(nèi)較好地共存，能進(jìn)行綜合業(yè)務(wù)傳輸，能擇優(yōu)選擇最合適的多址方式，估計(jì)會有較大的發(fā)展[1]。

1.2 VAST組網(wǎng)方式

VSAT組網(wǎng)非常靈活，可根據(jù)用戶要求單獨(dú)組成一個專用網(wǎng)，也可與其它用戶一起組成一個共用網(wǎng)(多個專用網(wǎng)共用同一個主站)。一個VSAT網(wǎng)實(shí)際上包括業(yè)務(wù)子網(wǎng)和控制子網(wǎng)兩部分，業(yè)務(wù)子網(wǎng)負(fù)責(zé)交換、傳輸數(shù)據(jù)或話音業(yè)務(wù)，控制子網(wǎng)負(fù)責(zé)對業(yè)務(wù)子網(wǎng)的管理和控制。傳輸數(shù)據(jù)MIA話音業(yè)務(wù)的信道可稱為業(yè)務(wù)信道，傳輸管理或控制信息的信道稱為控制信道。目前，典型VSAT網(wǎng)的控制子網(wǎng)都是星狀網(wǎng)，而業(yè)務(wù)子網(wǎng)的組網(wǎng)則視業(yè)務(wù)的要求而定，通常數(shù)據(jù)網(wǎng)為星狀網(wǎng)而話音網(wǎng)為網(wǎng)狀網(wǎng)。

2 優(yōu)化衛(wèi)星通信的調(diào)制、編碼技術(shù)

2.1 格狀編碼調(diào)制基本原理及應(yīng)用

格狀編碼調(diào)制(TCM)是編碼調(diào)制(Coded Modulation)的一種，所謂編碼調(diào)制，就是將調(diào)制與差錯控制編碼相結(jié)合，同時兼顧信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃?。在傳統(tǒng)通信中，調(diào)制和編碼過程是分離的，它們各自獨(dú)立考慮自己的任務(wù)，調(diào)制的作用是將基帶信號變換為適合在信道上傳輸;而編碼的作用是為了克服信道帶來的誤碼。對于調(diào)制來說，其主要考慮的是如何提高頻帶利用率，并且在相同的誤碼率條件下需要較小的Eb/N值。對于編碼來說，它是通過在信息比特序列中加入冗余比特，使得譯碼器能夠利用這些冗余比特來實(shí)現(xiàn)檢錯和糾錯，為此，編碼技術(shù)主要考慮的是如何提高碼字的檢糾錯能力。由于編碼是靠增加冗余比特來完成的，冗余比特越多，糾檢錯能力越強(qiáng)，但卻進(jìn)一步降低了單位傳輸帶寬的有效信息速率。要想提高頻帶利用率，必須采用M更大的調(diào)制方案，因此，發(fā)送的信號星座變得更密集，抗干擾能力將降低，將抵消由使用編碼所獲得的大部分好處。例如，采用碼率為1/2、約束長度為7的卷積編碼，采用軟判決Viterbi譯碼可以得到5.1 dB的編碼增益，花費(fèi)的代價是:傳輸帶寬是未編碼時的兩倍，因?yàn)榧m錯編碼增加了調(diào)制信號的速率。此時如果要保持占用帶寬不變，則必須采用更高階的調(diào)制方式，如將QPSK調(diào)制改為8PSK調(diào)制。由于8PSK調(diào)制的抗干擾能力要比QPSK低，使得它會消耗掉一部分編碼增益，從而使凈增益變少。為此，人們開始考慮如何綜合設(shè)計(jì)調(diào)制和編碼方式，以便達(dá)到更好的效果。這就產(chǎn)生了編碼調(diào)制。

編碼調(diào)制的基本思想是將編碼器和調(diào)制器當(dāng)作一個統(tǒng)一的整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得編碼器和調(diào)制器整合后產(chǎn)生的信號，通過加大調(diào)制信號集來為糾錯編碼提供所需的冗余度，并在不增加信號發(fā)射功率的情況下，擴(kuò)大信號點(diǎn)之間的歐幾里德距離(空間距離)，從而在接收端獲得最大的信噪比。編碼調(diào)制可以獲得3～6分貝的增益，在不犧牲頻帶寬度的情況下改善誤碼性能。

對于頻率資源和功率資源均受限的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，TCM技術(shù)可以成為解決帶寬和功率相互矛盾的有效方法。在不增加帶寬的前提下，TCM 所獲得的編碼增益對于改善衰落信號的質(zhì)量也相當(dāng)有利，TCM編碼調(diào)制廣泛地用于衛(wèi)星移動通信。

2.2 優(yōu)化衛(wèi)星通信的信道編碼

2.2.1 LDPC碼的基本概念[2]

LDPC碼屬于線性分組碼，它的編碼過程通常采用線性分組碼的通用編碼方法。設(shè)LDPC碼的校驗(yàn)矩陣為應(yīng)的生成矩陣為，則對任意的輸入信息序列，相應(yīng)的碼字序列應(yīng)為：

因此整個編碼的復(fù)雜度取決于式（1）的運(yùn)算復(fù)雜度，對于二元的情況，其中主要的操作包括與運(yùn)算和異或運(yùn)算（模二加），設(shè)生成矩陣G的平均列重為m，則整個編碼過程中大約需要mn次與運(yùn)算，(1)mn-次異或運(yùn)算。盡管LDPC碼的校驗(yàn)矩陣是非常稀疏的，但它的生成矩陣卻并不稀疏，通常m與n的比值是[0，l]之間不可忽略的數(shù)，這使得其編碼復(fù)雜度往往與其碼長的平方成正比。因此，相對 LDPC碼的譯碼來說，它的編碼反而具有較高的復(fù)雜度，這一點(diǎn)與Turbo碼不同（其編譯碼復(fù)雜度均為線性）。

雖然 LDPC碼的編碼復(fù)雜度與其碼長的平方成正比，但采用適當(dāng)?shù)木幋a算法，相應(yīng)的系數(shù)可以取得很小?？赏ㄟ^行列的置換將碼的校驗(yàn)矩陣變換成下三角或近似下三角形式，如圖1，圖2所示。

圖1 LDPC碼校驗(yàn)矩陣的下三角形式

圖2 LDPC碼校驗(yàn)矩陣的近似下三角形式

若LDPC碼的校驗(yàn)矩陣具有如圖1所示的下三角形式，在圖 1中所示的斜線上為全“1”，而其余的“1”均在斜線的左邊，則可以采用迭代的方式進(jìn)行編碼。設(shè)碼字向量為x=(s,p),則該碼的編碼過程可具體描述為：

①直接將信息比特的值賦給信息位向量s;

其中,ijh 表示校驗(yàn)矩陣第i行、第j列上的元素。

2.2.2 Turbo碼的基本概念[3]

在1993年的國際通信會議上，法國不列顛通信大學(xué)的Claude Berrou教授等人提出的Turbo碼方案由于很好地應(yīng)用了Shannon信道編碼定理中的隨機(jī)性編譯碼條件而獲得了幾乎接近Shannon理論極限的譯碼性能。

最初提出的Turbo碼采用的是并行級聯(lián)卷積碼的結(jié)構(gòu)，即PCCC。下頁圖3給出了兩個分量編碼器組成的Turbo碼的編碼框圖。

圖3 Turbo碼的編碼框

Turbo碼編碼器主要由分量編碼器、交織器以及刪余矩陣和復(fù)接器組成。分量碼一般選擇為遞歸系統(tǒng)卷積碼，也可以是分組碼、非遞歸卷積碼等。當(dāng)然兩個分量碼最佳選用遞歸系統(tǒng)卷積碼，因?yàn)檫f歸卷積碼和交織器一起可以產(chǎn)生交織增益，而非遞歸卷積碼卻做不到，通常兩個分量碼采用相同的生成矩陣。

2.2.3 級聯(lián)碼的基本概念[4]

信道編碼理論指出:隨著碼長n的增加，譯碼的錯誤概率按指數(shù)接近于零。因此，為降低譯碼的錯誤概率就必須用長碼。但隨著碼長的增加，譯碼器的復(fù)雜性和計(jì)算量也相應(yīng)增加，以致難以實(shí)現(xiàn)。為了解決性能與設(shè)備復(fù)雜性的矛盾，1966年Forney提出了級聯(lián)碼的概念，把編制長碼的過程分成幾級(通常分為二級)完成。級聯(lián)碼通常包括兩個獨(dú)立的編碼，一個稱為內(nèi)碼，一個稱為外碼,外碼主要用于糾突發(fā)差錯,而內(nèi)碼主要用于糾隨機(jī)差錯。在采用級聯(lián)碼的通信系統(tǒng)中,首先將輸入數(shù)據(jù)送入糾正突發(fā)錯誤的編碼器，這個編碼器叫外編碼器(采用外碼的編碼規(guī)則)。外編碼器的輸出再送到糾正隨機(jī)錯誤的編碼器,它叫內(nèi)編碼器(采用內(nèi)碼的編碼規(guī)則)。然后對信號進(jìn)行調(diào)制并傳輸。在接收端,首先對信號進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)器的后面是與內(nèi)編碼器配合的內(nèi)譯碼器。內(nèi)譯碼器的輸出送到與外編碼器配合的外譯碼器。

2.3 載波迭加技術(shù)

載波迭加技術(shù)(DoubleTalk Carrier-in-Carrier)通過結(jié)合使用最新的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)與信號處理技術(shù)達(dá)到了一流的技術(shù)性能水平。減擾處理包括時延和頻率估計(jì)與跟蹤、適應(yīng)性濾波和相干組合。它對本地上行信號和其下行鏡象之間的所有參數(shù)差異進(jìn)行連續(xù)性的估計(jì)和跟蹤。通過專用的自適應(yīng)濾波和相位鎖定環(huán)路處理，對上行取樣信號的延時、頻率、相位與幅度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而對這些差異進(jìn)行動態(tài)性的補(bǔ)償。工作原理如圖4所示。

圖4 載波迭加技術(shù)應(yīng)用工作原理

載波迭加技術(shù)使得全雙工衛(wèi)星電路的兩端能夠在同一個頻帶上同時發(fā)送各自的載波，明顯節(jié)省衛(wèi)星帶寬；結(jié)合使用最新的前向糾錯技術(shù)和調(diào)制技術(shù)，能夠達(dá)到下列目的：提高衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器利用效率，無與倫比的節(jié)省費(fèi)用效果，優(yōu)化衛(wèi)星通信系統(tǒng)，提高通信保密性能 。

3 結(jié)語

本文對VSAT衛(wèi)星通信進(jìn)行了討論，由于其組網(wǎng)方式具有優(yōu)越性，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中越來越廣泛；對于頻率資源和功率資源均受限的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，TCM技術(shù)可以成為解決帶寬和功率相互矛盾的有效方法；TPC碼、LDPC碼、交織的應(yīng)用可以降低解調(diào)器解調(diào)門限，節(jié)省功率；波迭加技術(shù)使得全雙工衛(wèi)星電路的兩端能夠在同一個頻帶上同時發(fā)送各自的載波，明顯節(jié)省衛(wèi)星帶寬，通過以上技術(shù)的討論，對優(yōu)化衛(wèi)星通信的技術(shù)有一定的了解。

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