低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)方案設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)因其覆蓋范圍廣、延遲低而成為現(xiàn)代通信的重要組成部分。然而，動態(tài)信道條件對通信質(zhì)量的影響使得傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)面臨挑戰(zhàn)。文章通過分析現(xiàn)有自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)方案的不足，提出了一種基于實時信道評估的自適應(yīng)調(diào)制方法并優(yōu)化了解調(diào)算法，旨在提高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸效率和可靠性，為低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)調(diào)制；解調(diào)算法；通信質(zhì)量

中圖分類號：TN927" 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（Low Earth Orbit， LEO）因低延遲和全球覆蓋的特點，在通信領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。低軌衛(wèi)星比傳統(tǒng)的高軌衛(wèi)星更靠近地面，特別是在物聯(lián)網(wǎng)、遠程教育、應(yīng)急通信等場景下，能提供更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，通信時延更低。但是，低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也面臨著一些挑戰(zhàn)，特別是動態(tài)信道條件對通信質(zhì)量的影響。傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)很難適應(yīng)這種動態(tài)變化，因為低軌衛(wèi)星的高速運動、多普勒效應(yīng)和遠近效應(yīng)，導(dǎo)致通信質(zhì)量和可靠性下降，從而導(dǎo)致信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）變化頻繁。針對這些問題，本文提出了適應(yīng)調(diào)制解調(diào)的低軌衛(wèi)星網(wǎng)方案，期望能為今后優(yōu)化發(fā)展低軌衛(wèi)星網(wǎng)提供借鑒。

1 低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的主要問題

當(dāng)前的調(diào)制解調(diào)技術(shù)在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中面臨多方面的局限性：（1）傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)多適用于靜態(tài)或緩慢變化的信道環(huán)境，而在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，由于衛(wèi)星的高速運動和多普勒效應(yīng)，信道狀態(tài)信息（CSI）頻繁變化，傳統(tǒng)的調(diào)制方式難以適應(yīng)這種動態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致通信質(zhì)量和可靠性下降；（2）現(xiàn)有的調(diào)制解調(diào)技術(shù)在不同信道條件下的表現(xiàn)各異，單一的調(diào)制方式無法滿足多樣化的通信需求，特別是在復(fù)雜的多路徑傳播和干擾環(huán)境下，性能下降更為明顯；（3）現(xiàn)有的自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)方案雖然能夠在一定程度上調(diào)整調(diào)制方式和傳輸速率，但在靈活性和實時性方面仍有不足，無法快速響應(yīng)信道狀態(tài)的變化；（4）傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)在處理高數(shù)據(jù)速率傳輸時，對硬件資源的要求較高，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本^［1］。因此，為了解決這些局限性，需要開發(fā)新的自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以提高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的通信性能和可靠性。

2 自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)方案設(shè)計

2.1 自適應(yīng)調(diào)制方法選擇

2.1.1 調(diào)制方式的選擇機制

在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)制方式的選擇機制是自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)方案的核心部分，主要通過導(dǎo)頻信號和快速傅里葉變換（FFT）等方法實時獲取信道狀態(tài)信息（CSI），包括信噪比（SNR）、信道增益和時延擴展等參數(shù)。這些參數(shù)能夠全面反映當(dāng)前信道的傳輸特性。根據(jù)獲取的CSI，評估不同調(diào)制方式的適用性。常用的調(diào)制方式包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM等。每種調(diào)制方式在不同的信道條件下有不同的性能表現(xiàn)。例如，BPSK適用于低信噪比的惡劣信道條件，而16QAM和64QAM適用于高信噪比的良好信道條件。計算每種調(diào)制方式在當(dāng)前信道條件下的性能指標(biāo)，如誤碼率（BER）、吞吐量和傳輸延遲等，進而量化不同調(diào)制方式的優(yōu)劣。根據(jù)性能指標(biāo)的綜合評估，選擇最優(yōu)的調(diào)制方式。選擇標(biāo)準可以根據(jù)實際需求進行調(diào)整，例如在高可靠性的應(yīng)用場景中，優(yōu)先選擇誤碼率低的調(diào)制方式；在高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用場景中，優(yōu)先選擇吞吐量高的調(diào)制方式^［2-3］。系統(tǒng)定期或根據(jù)信道變化情況動態(tài)調(diào)整調(diào)制方式，確保通信系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)。通過實時監(jiān)測和反饋機制，及時發(fā)現(xiàn)信道變化并進行調(diào)制方式的切換，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

2.1.2 自適應(yīng)速率控制策略

在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，基于信道狀態(tài)信息（CSI）的自適應(yīng)速率控制策略，能夠確保通信系統(tǒng)在動態(tài)信道條件下高效、可靠運行，具體控制框架如圖1所示。

2.2 解調(diào)算法優(yōu)化

2.2.1 誤差控制與糾錯技術(shù)

在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，采用了前向糾錯（FEC）和自動重傳請求（ARQ）相結(jié)合的綜合糾錯策略。接收端可以利用這些冗余信息對傳輸過程中產(chǎn)生的錯誤進行糾正；在發(fā)送端添加冗余信息。常用的FEC編碼方法有卷積碼、圖博碼、低密度奇偶校驗碼（LDPC）。其中，LDPC碼尤其適用于低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，因為它具有出色的糾錯性能和較低的解碼復(fù)雜度。LDPC代碼的譯碼流程通常采用置信傳播（BP）算法，通過對譯碼的迭代來逐步修正錯誤。當(dāng)接收端偵測到錯誤時，就會發(fā)出重發(fā)請求，要求傳送端將數(shù)據(jù)重新發(fā)送一遍。突發(fā)的錯誤ARQ可以得到有效的糾正，但是傳輸延遲卻會增加。采用混合ARQ（HybridARQ）方案，結(jié)合FEC和ARQ的優(yōu)點，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸，以平衡糾錯能力和傳輸效率。通過對編碼、譯碼算法的優(yōu)化，使糾錯工作更加高效。例如，通過調(diào)整校驗矩陣的結(jié)構(gòu)和譯碼算法的參數(shù)，可以優(yōu)化LDPC碼的譯碼性能。常用的性能考核指標(biāo)包括BER（誤差率）和FER（幀誤差率）2個指標(biāo)。計算LDPC碼的譯碼性能的公式如下：

Pe=12erfcEbN0·R·d2min

其中，Pe表示誤碼率；erfc（x）是互補誤差函數(shù)；Eb/N0是每比特能量與噪聲功率譜密度之比；R是碼率；dmin是碼字的最小漢明距離。

2.2.2 解調(diào)性能提升策略

將復(fù)雜的調(diào)制信號逐級分解，逐步恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，以提高在低軌衛(wèi)星網(wǎng)中解調(diào)算法的性能。例如，對于16QAM、64QAM這樣的高階調(diào)制方法，可以通過細粒度的相位、幅度校正等方式，先進行大致的符號檢測，然后再逐步提高解調(diào)精度。在解調(diào)的過程中，將2種方法結(jié)合起來，即軟判與硬判。軟判斷提供的信息量更大，對提高解碼器糾錯能力有很大幫助；硬判詞，使解調(diào)過程簡單化，速度得到提高。軟硬判斷比例的合理分配，使業(yè)績與復(fù)雜度達到平衡。通過多次迭代，逐步優(yōu)化解調(diào)結(jié)果，采用迭代解調(diào)和譯碼技術(shù)。解調(diào)器和譯碼器在每一次迭代過程中互相傳遞信息，使誤碼率逐漸降低^［4-5］。例如，Turbo代碼和LDPC代碼的解碼過程通常采用迭代譯碼算法，將錯誤通過多次迭代的方式逐漸糾正過來，誤碼率可以表示為：

Pe=12erfcEbN0

其中，Pe為誤碼率，Eb為每比特能量，N0為噪聲功率譜密度。通過降低誤碼率，可以顯著提升系統(tǒng)的解調(diào)性能。針對多普勒頻移和多路徑效應(yīng)的影響，通過精確的信道估計予以補償并動態(tài)調(diào)整解調(diào)參數(shù)。實時估計信道狀態(tài)，采用導(dǎo)頻信號和快速傅里葉變換（FFT）等方法，提高解調(diào)性能。采用自適應(yīng)濾波器、干擾抑制算法等抗干擾技術(shù)，降低外界干擾對解調(diào)性能的沖擊。濾波器參數(shù)動態(tài)調(diào)整，通過對干擾信號的實時監(jiān)測和分析，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。濾波器的輸出信號y［n］可以表示為：

y［n］=∑M-1k=0h［k］·x［n-k］

其中，h［k］為濾波器系數(shù)，x［n-k］為輸入信號，M為濾波器階數(shù)。通過調(diào)整h［k］，可以抑制干擾信號，從而增強系統(tǒng)的解調(diào)性能。

3 自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)方案實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)方案，設(shè)計了一個高效、靈活的系統(tǒng)架構(gòu)，主要包括如圖2所示幾個模塊。

信道狀態(tài)信息（CSI）獲取模塊通過導(dǎo)頻信號和快速傅里葉變換（FFT）實時獲取信道的信噪比（SNR）、信道增益和時延擴展等參數(shù)。調(diào)制方式選擇模塊根據(jù)CSI評估結(jié)果，選擇最優(yōu)的調(diào)制方式。該模塊通過計算不同調(diào)制方式在當(dāng)前信道條件下的性能指標(biāo)（如誤碼率BER、吞吐量和傳輸延遲），選擇綜合評分最高的調(diào)制方式。自適應(yīng)速率控制模塊根據(jù)CSI評估結(jié)果，動態(tài)調(diào)整通信速率。該模塊通過實時監(jiān)測信道變化，動態(tài)選擇最合適的速率等級，確保系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)。解調(diào)與糾錯模塊對接收到的信號進行解調(diào)和糾錯，采用多級解調(diào)、軟判決與硬判決結(jié)合、迭代解調(diào)與譯碼等技術(shù)，提高解調(diào)精度和糾錯能力^［6］?？刂葡到y(tǒng)負責(zé)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和管理，確保各模塊之間的無縫銜接和高效協(xié)同工作，同時處理用戶的請求和反饋。

3.2 硬件與軟件實現(xiàn)

為了實現(xiàn)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)方案，系統(tǒng)主要包括高性能DSP（數(shù)字信號處理器）、FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）、高速ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）。DSP負責(zé)復(fù)雜的信號處理和算法運算，F(xiàn)PGA用于實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和實時控制，ADC和DAC用于信號的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換，確保信號的高質(zhì)量傳輸。

在軟件方面，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要包括以下幾個部分：（1）CSI獲取模塊，編寫高效的信道狀態(tài)信息（CSI）獲取算法，通過導(dǎo)頻信號和快速傅里葉變換（FFT）實時獲取信道參數(shù)；（2）調(diào)制方式選擇模塊，開發(fā)調(diào)制方式選擇算法，根據(jù)CSI評估結(jié)果選擇最優(yōu)的調(diào)制方式，確保通信質(zhì)量；（3）自適應(yīng)速率控制模塊，編寫自適應(yīng)速率控制算法，根據(jù)實時信道變化動態(tài)調(diào)整通信速率，提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性；（4）解調(diào)與糾錯模塊，實現(xiàn)多級解調(diào)、軟判決與硬判決結(jié)合、迭代解調(diào)與譯碼等算法，提高解調(diào)精度和糾錯能力；（5）控制系統(tǒng)，開發(fā)控制系統(tǒng)軟件，負責(zé)各模塊的協(xié)調(diào)和管理，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，并處理用戶的請求和反饋。

4 方案性能評估

4.1 自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)方案測試方法

為了評估自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)方案的性能，搭建了一個模擬低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的實驗平臺，包括發(fā)射端和接收端的硬件設(shè)備，如高性能DSP、FPGA、高速ADC和DAC。實驗平臺還配備了可調(diào)節(jié)的信道仿真器，用于模擬多普勒效應(yīng)、多路徑傳播和噪聲等動態(tài)信道條件。使用導(dǎo)頻信號和快速傅里葉變換（FFT）方法，實時采集信道狀態(tài)信息（CSI），包括信噪比（SNR）、信道增益和時延擴展等參數(shù)。根據(jù)獲取的CSI，運行調(diào)制方式選擇算法，選擇最優(yōu)的調(diào)制方式。記錄不同信道條件下的調(diào)制方式選擇結(jié)果。根據(jù)實時信道狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整通信速率。記錄不同信道條件下的速率調(diào)整過程和結(jié)果。對接收到的信號進行解調(diào)和糾錯處理，采用多級解調(diào)、軟判決與硬判決結(jié)合、迭代解調(diào)與譯碼等技術(shù)，記錄解調(diào)和糾錯的性能指標(biāo)，如誤碼率（BER）和吞吐量。通過控制系統(tǒng)軟件，實時監(jiān)測各模塊的運行狀態(tài)，記錄系統(tǒng)的工作日志和性能數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)性能分析

自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)方案在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出色，具體如表1所示。

在靜態(tài)信道條件下，系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制，信噪比為15 dB，通信速率為1000000 bps，誤碼率僅為1×10^-5，吞吐量達到950000 bps，延遲為10 ms，表明系統(tǒng)在理想條件下具有高穩(wěn)定性和低延遲。在動態(tài)信道（多普勒效應(yīng)）條件下，系統(tǒng)選擇16QAM調(diào)制，信噪比為20 dB，通信速率為2000000 bps，誤碼率為5×10^-6，吞吐量為1900000 bps，延遲為15 ms，顯示了良好的動態(tài)適應(yīng)性和高吞吐量。在多路徑傳播信道中，系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制，信噪比為10 dB，通信速率為500000 bps，誤碼率為2×10^-5，吞吐量為480000 bps，延遲為12 ms，表明系統(tǒng)在復(fù)雜信道條件下仍能保持較低的誤碼率。在高噪聲信道中，系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制，信噪比為5 dB，通信速率為800000 bps，誤碼率為1×10^-4，吞吐量為750000 bps，延遲為18 ms，顯示了較強的抗噪能力。在綜合信道條件下，系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制，信噪比為18 dB，通信速率為1500000 bps，誤碼率為7×10^-6，吞吐量為1400000 bps，延遲為20 ms，表明系統(tǒng)在多種復(fù)雜信道條件下的綜合性能良好。

5 結(jié)語

針對低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)信道條件，本文設(shè)計了一種高效靈活的系統(tǒng)架構(gòu)。通過實時獲取信道狀態(tài)信息并根據(jù)信道中特性對調(diào)制方式和通信速率進行動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)了信號的可靠傳輸與優(yōu)化，為今后發(fā)展衛(wèi)星通信技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。該方案在提高通信質(zhì)量、降低誤碼率和增強系統(tǒng)抗干擾能力方面取得了顯著的效果。后續(xù)的研究可進一步探索智能算法在調(diào)制和解調(diào)過程中的應(yīng)用，以提升系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和智能化水平。

參考文獻

［1］張孟旸，馬婷，劉曉宇，等.大規(guī)模低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)傳輸層關(guān)鍵技術(shù)研究與展望［J］.移動通信，2024（9）：40-49.

［2］鄧霞，郝苗苗，林武城.基于遺傳優(yōu)化和人工蜂群的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡路由算法［J］.天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，2024（2）：13-22.

［3］崔澤宇，李登峰.融合ADC和FPGA的通信系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)研究［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024（2）：32-35.

［4］史德生，武楠，王華，等.衛(wèi)星高速寬帶自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)器算法與實現(xiàn)［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2020（3）：332-338.

［5］張永超.地空通信調(diào)制解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.中國新通信，2019（5）：15.

［6］劉子健，姜泉江，劉會杰.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的低軌衛(wèi)星多波束系統(tǒng)峰均比自適應(yīng)限幅法［J］.中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報，2023（5）：670-676.

（編輯 沈 強）

Design and implementation of adaptive modulation and demodulation scheme in low orbit satellite network

ZHOU" Shilei， WANG" Li’nan*

（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract：" Low orbit satellite network has become an important part of modern communication because of its wide coverage and low delay. However， the influence of dynamic channel conditions on communication quality makes the traditional modulation and demodulation techniques face challenges. In this paper， an adaptive modulation method based on realtime channel evaluation is proposed to improve the efficiency and reliability of data transmission in loworbit satellite networks， and to provide technical reference for the application of loworbit satellite networks.

Key words： loworbit satellite network; adaptive modulation; demodulation algorithm; communication quality