衛(wèi)星通信網(wǎng)中ACM技術(shù)研究

茍曉剛，董銀虎，潘申富

(1.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室，河北石家莊 050081;2.石家莊國耀電子科技有限公司，河北石家莊 050035)

0 引言

衛(wèi)星通信以其獨特的空間、地域優(yōu)勢成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭通信保障和非戰(zhàn)狀態(tài)下應(yīng)急通信的有效手段。為了更好地利用有限的頻率資源，衛(wèi)星通信系統(tǒng)都會利用網(wǎng)管中心對頻率進行統(tǒng)一的調(diào)度管理，上行鏈路采用頻分(FDMA)、時分(TDMA)和碼分(CDMA)復(fù)用的方式支持多用戶共用同一個信道。下行鏈路為了避免多載波工作的互調(diào)干擾，一般采用時分多路(TDM)的廣播方式使每個網(wǎng)絡(luò)用戶都可以接收到。

在這種使用方式下，中心站通過配置交換機的路由表，對通信網(wǎng)的頻率或時隙資源進行管理和分配，根據(jù)地面站的業(yè)務(wù)申請，在上行鏈路預(yù)先分配帶寬或時隙，并采用固定的調(diào)制編碼方式建立信道;在下行鏈路使用固定帶寬，所有時隙采用固定不變的調(diào)制編碼方式。地面站的業(yè)務(wù)可以來自地面網(wǎng)絡(luò)或IP業(yè)務(wù)終端。

這種使用方式將面臨3個問題:①網(wǎng)內(nèi)有多種站型時，為保證最小能力的站正常工作，其他站的傳輸能力被浪費;②Ku、Ka頻段受雨衰影響大。對于QPSK等恒包絡(luò)體制，功放能夠工作在接近飽和點處，可以有效地抵抗雨衰的影響，但是傳輸效率偏低。對于16APSK等高階調(diào)制方式，傳輸效率很高，但是需要的信噪比也較高，而且需要功放在線性區(qū)工作，受雨衰影響較大;③對于IP業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)流量的變化范圍較大，如果采用固定的傳輸帶寬和通信體制，在業(yè)務(wù)量變小的時候，造成系統(tǒng)資源浪費;在業(yè)務(wù)量變大的時候，由于信道傳輸能力的限制，而產(chǎn)生擁塞。

這些問題將導(dǎo)致衛(wèi)星實際使用效率偏低的情況。目前來看，采用自適應(yīng)編碼調(diào)制(ACM)技術(shù)是解決上述問題的較好的方法。

1 ACM技術(shù)背景

ACM技術(shù)，首先被應(yīng)用在ETSI(歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織)的衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-S2中。其核心方法是接收站通過衛(wèi)星信號提取鏈路質(zhì)量信息(如信噪比)，并將該信息回傳到發(fā)送站，發(fā)送站根據(jù)鏈路質(zhì)量在預(yù)先規(guī)定的編碼調(diào)制方案中選擇合適的方式，保證鏈路的可用性［1］。

在DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)中，采用BCH碼和LDPC碼級聯(lián)的糾錯編碼方案，支持 1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9 和 9/10 等多種編碼碼率，可采用的調(diào)制方式包括 QPSK、8PSK、16APSK和32APSK。能夠逐幀使用不同的糾錯編碼和調(diào)制方式，傳輸效率得以大大提高。

由于DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)是為數(shù)字視頻廣播應(yīng)用制定的，自適應(yīng)調(diào)整沒有考慮適應(yīng)IP業(yè)務(wù)流量的變化，因此，如果將其應(yīng)用到衛(wèi)星通信網(wǎng)中，需要進行以下適應(yīng)性改變:①設(shè)計自適應(yīng)調(diào)整的策略和流程，使得自適應(yīng)調(diào)整可以適應(yīng)業(yè)務(wù)流量的變化，同時，保證在雨衰發(fā)生時，通信盡量不中斷，即使發(fā)生通信中斷，也能夠快速恢復(fù);② 重新設(shè)計幀結(jié)構(gòu)以適應(yīng)透明點對點和基于星上處理的模式下自適應(yīng)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2 自適應(yīng)調(diào)整策略

本文中默認各站的發(fā)射功率是合適的，不需要進行調(diào)整，自適應(yīng)調(diào)整的對象不包括發(fā)射功率。在此基礎(chǔ)上進行自適應(yīng)調(diào)整策略的討論。

在通信過程中，所有小站都不斷地對接收信號進行信噪比估計，并將估計結(jié)果反饋給中心站的網(wǎng)管。網(wǎng)管根據(jù)接收信噪比的變化，對小站的編碼調(diào)制方式進行調(diào)整，策略如下:

①某個小站的信道條件改善，信噪比變大時，調(diào)高編碼調(diào)制的檔位，降低帶寬或減少時隙的占用。

②信道條件惡化，信噪比變小時，在帶寬或時隙充足時，降低編碼調(diào)制檔位，同時增大帶寬或增加時隙滿足業(yè)務(wù)傳輸要求。在帶寬或時隙不足時，進行本站的流量控制或在全網(wǎng)范圍內(nèi)進行資源重配置。

③在信道發(fā)生突發(fā)衰減時，小站估計SNR并反饋至發(fā)送端，發(fā)送端對調(diào)制編碼參數(shù)進行調(diào)整的時間為t，一般不超過500 ms。編碼調(diào)制方式的切換門限由式(1)決定:

式中，ν為雨衰的最大衰減速率，單位為dB/s，不同地區(qū)的降雨統(tǒng)計情況決定了ν的大小;ε為信噪比估計誤差補償，由估計算法的誤差決定。在實際設(shè)計中，根據(jù)可靠性要求，針對不同的站設(shè)計不同的切換門限。

④由低檔向高檔切換應(yīng)相對緩慢，可以經(jīng)過多個中間檔位，而從高檔向低檔切換必須及時。

⑤在突發(fā)衰減變化量超過設(shè)計值時，通信可能產(chǎn)生中斷。此時，收發(fā)2端應(yīng)按照預(yù)案將調(diào)制編碼方式降到最低檔位，盡快恢復(fù)通信。

⑥對于透明點對點工作方式，信道的最大帶寬和可用功率已經(jīng)確定，ACM調(diào)整是按照業(yè)務(wù)流量最大原則，根據(jù)信噪比估計結(jié)果，盡量選擇高階的調(diào)制編碼方式。

⑦在組網(wǎng)應(yīng)用中，下行鏈路采用TDM方式，帶寬和發(fā)射功率是固定的，中心站網(wǎng)管根據(jù)各站的接收能力和雨衰情況，動態(tài)配置各時隙的調(diào)制編碼方式，滿足業(yè)務(wù)流量要求。

3 自適應(yīng)調(diào)整流程

3.1 透明點對點方式

設(shè)計的透明點對點方式幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 透明點對點模式幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)采用連續(xù)的突發(fā)結(jié)構(gòu)，每幀數(shù)據(jù)的起始位置為導(dǎo)播時隙，內(nèi)容包括信噪比估計值、本幀載荷數(shù)據(jù)的調(diào)制編碼方式以及載荷數(shù)據(jù)長度，導(dǎo)播時隙的編碼調(diào)制方式采用固定的最低階的QPSK+1/2LDPC組合，保證所有接收站都可以正確接收，從而能夠獲取后續(xù)數(shù)據(jù)載荷信息的調(diào)制編碼方式，數(shù)據(jù)載荷的調(diào)制編碼方式可變，數(shù)據(jù)段每隔2016 bit插入導(dǎo)頻字，輔助實現(xiàn)時鐘和載波的相位跟蹤。

載荷信息的編碼調(diào)制方式是可以根據(jù)信道條件和業(yè)務(wù)流量而改變的，自適應(yīng)調(diào)整過程如圖2所示。

圖2 透明點對點模式工作流程

自適應(yīng)調(diào)整是由發(fā)送站根據(jù)接收站的信道估計結(jié)果和業(yè)務(wù)流量變化發(fā)起的，發(fā)送站的編碼調(diào)制方式改變時，接收站從接收的幀頭信息中獲取改變后的調(diào)制編碼方式，并改變本地的調(diào)制編碼方式，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整。

3.2 基于星上處理的TDM/TDMA方式

設(shè)計的TDM/TDMA模式幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 TDM/TDMA模式幀結(jié)構(gòu)

在入網(wǎng)前，小站通過接收衛(wèi)星信標(biāo)獲得本地信噪比估計值，由測距幀發(fā)送到中心站(測距幀采用固定調(diào)制方式，占用固定帶寬，并只在入網(wǎng)前發(fā)送)，中心站根據(jù)小站的鏈路和業(yè)務(wù)情況確定其調(diào)制編碼方式、占用帶寬和時隙，形成幀計劃，通過導(dǎo)播時隙下發(fā)給小站。小站按照幀計劃要求進行自適應(yīng)調(diào)整。

TDM下行鏈路的自適應(yīng)調(diào)整流程也是由中心站發(fā)起的，小站將信道估計結(jié)果和業(yè)務(wù)流量變化情況通過業(yè)務(wù)幀上傳到中心站，中心站根據(jù)TDM時隙資源情況和TDMA上行數(shù)據(jù)量的變化，決定新的幀結(jié)構(gòu)排列，確定改變后的小站數(shù)據(jù)在幀結(jié)構(gòu)中的位置、調(diào)制編碼方式和占用時隙的數(shù)量。接收站根據(jù)導(dǎo)播時隙的信息獲取到以上信息，并自適應(yīng)地改變接收參數(shù)，實現(xiàn)ACM。

小站在入網(wǎng)和正常工作過程中的自適應(yīng)調(diào)整流程是不同的，具體表現(xiàn)在:

(1)入網(wǎng)過程

轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬充足時，新入網(wǎng)的載波在可用的調(diào)制編碼方式中選擇功率譜密度最低的低階調(diào)制方式。

轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬緊張但功率充足時，新入網(wǎng)的載波在可用的調(diào)制編碼方式中選擇帶寬占用最小的高階調(diào)制方式。

在星上轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和功率都不足時按照帶寬優(yōu)先，中心站自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整軟件依據(jù)圖4的流程進行操作。

圖4 帶寬和功率不足時的自適應(yīng)調(diào)整

在流程中，中心站按照載波占用帶寬從大到小的順序，利用數(shù)學(xué)運算的方式，虛擬調(diào)整調(diào)制編碼方式，嘗試降低各載波的帶寬占用。如果這種調(diào)試可以達到目的，中心站將按照虛擬結(jié)果重新配置各載波的調(diào)制編碼方式，完成新站的入網(wǎng);如果不能滿足新站的入網(wǎng)要求，中心站嘗試2種解決方法:

①按照預(yù)先規(guī)定的優(yōu)先級規(guī)則，強迫優(yōu)先級低的站進行流量控制，直至退網(wǎng)，或者禁止新站入網(wǎng);

②通知新站最大可用帶寬，要求新站進行流量控制，降低帶寬要求。

通過以上流程，小站開始正常的通信過程。

(2)工作過程中

中心站自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整軟件流程如圖5所示。

圖5 工作過程中的自適應(yīng)調(diào)整

在流程中，中心站不斷地查詢各小站的接收信噪比，根據(jù)信噪比變化和帶寬或時隙占用情況確定合適的調(diào)制編碼方式。

采用本文設(shè)計的幀結(jié)構(gòu)，在實際調(diào)試過程中，結(jié)合現(xiàn)有的突發(fā)信號解調(diào)技術(shù)，在調(diào)制編碼方式已知，誤碼率小于1×10-4情況下，同步頭長度為180個，即可以保證解調(diào)器能夠跟蹤調(diào)制器的編碼調(diào)制變化，實現(xiàn)逐幀可變的自適應(yīng)接收。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)在運行過程中存在使用效率不高的問題，在透明點對點和組網(wǎng)應(yīng)用中，引入ACM技術(shù)，通過重新設(shè)計自適應(yīng)調(diào)整策略和流程以及幀結(jié)構(gòu)，并確定自適應(yīng)調(diào)整門限值的計算方法，使得ACM技術(shù)可以在新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。

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