DVB－S2網絡中優化資源分配的新方案

楊富銀，黃 焱，張白愚

(解放軍信息工程大學信息工程學院，河南鄭州450002)

1 衛星通信中的ACM

衛星通信由于具有覆蓋范圍廣、通信容量大、經濟效益高、不受地理環境限制等優點，已成為信息化的主要支柱之一［1］。DVB-S2是2005年3月歐洲數字視頻廣播組織(Digital Video Broadcasting，DVB)發布的寬帶衛星應用的第二代傳輸標準，它采用了多種信道編碼和調制方案組合，采用LDPC碼與BCH碼級聯的糾錯編碼方案，支持1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5/6，8/9，9/10 共 11種編碼碼率，可采用的調制方式包括QPSK，8PSK，16APSK和32APSK，它的核心技術是自適應編碼調制(Adaptive Coding and Modulation，ACM)技術［2］。

與DVB-S采用的固定編碼調制(Constant Coding and Modulation，CCM)技術不同的是，DVB-S2采用的ACM技術將衛星終端接收的信道狀態信息通過回傳信道反饋給網關，網關根據該信息來調整調制方式和編碼碼率，以此來應對信道的變化，從而使系統的整體傳輸性能達到最優［3］。它要求根據單個用戶的鏈路條件來最優化傳輸參數，比如，在一些無線系統里，傳輸效率是根據瞬時的信道條件針對每個終端進行單獨調整的。DVB-S2的ACM鏈路如圖1所示。

圖1 DVB-S2 ACM鏈路圖

通常ACM技術在優化無線系統的性能方面是很有效的，但是在衛星環境中仍存在一些嚴重影響ACM系統性能的因素，其中一個非常重要的因素就是自適應回路延時，它會嚴重影響系統跟蹤信道變化的能力。自適應回路延時有多個組成部分，包括衛星終端報告信道狀態傳輸延時、回傳鏈路傳播延時、網關引入的延時和固定的240～250 ms衛星前向鏈路延時(根據衛星終端所處的經緯度不同而不同)［4］。在衛星環境中，很高的回路延時增加了信道的時變性，這將明顯降低ACM系統的效率。另外，在這樣不可靠的網絡中，反饋的信令信息通過一個不可靠的傳輸協議(比如UDP)來避免頻繁轉發，這將導致：萬一出現包丟失的情況，使用的將是過時的信道狀態信息。例如，在文獻［5］中，作者提出了一種編碼方案的平均頻譜效率算法，來幫助選擇最合適的編碼調制方案。然而，在給出的模型中，作者明顯地忽略了在非對稱的衛星環境下由反饋信道產生的有抑制作用的延時問題，這造成了該模型在具有非常高的傳播延時的衛星網中是無效的。

鑒于以上所述，本文提出采用基于預測的信道估計來取代瞬時估計的信道狀態信息，以此來應對過多的回路延時帶來的不利影響。本文所提出的基于預測的方案主要依賴于LMS算法，該算法的特點就是具有相對較低的復雜度，很適合實時處理。

另外，有一些研究提出通過設置合適的固定門限值來動態地調整編碼調制方案，但是，在這樣的情況下，錯誤的門限值設置將會嚴重降低吞吐量性能［6］。由于門限值應該是信道根據本身的環境來調整的，因此在選擇最優的編碼調制方案時，固定的門限值設定是不可行的。因此，在對信道狀態信息預測的基礎上，本文提出了一種新的編碼調制方案選擇算法來選擇更穩健的編碼調制方案，該算法考慮到測量的損傷，引入了一些余裕。另外，本文還設計了一種滑動窗口技術，來應對編碼調制方案的頻繁轉換和由此引起的系統性能的振蕩問題。通過以上的方法，能夠得到與當前傳播條件相一致的最優編碼調制方案，而傳統的方法則是依賴于最新測量的瞬時值。

2 基于信噪比預測的最優編碼調制方案選擇

2.1 總體環境

在本文中研究的是一個DVB-S2同步衛星，它的下行鏈路具有再生的有效載荷，回傳鏈路(即上行鏈路)采用DVB-RCS，這些在歐盟資助項目IMOSAN中有詳細的介紹。在這樣的再生結構中，不同的上行鏈路上傳輸的所有通信都在下行鏈路上被轉播，這是通過建立一種兩層的單點到多點的網絡來完成的。IMOSAN介紹了一套完整的使衛星頻譜得到最佳利用的方法，它采用了強大的物理層前向糾錯編碼方案，它保證了可以準確無誤碼地工作在距香農極限0.7～1 dB處。它采用了自適應編碼調制(ACM)技術，根據傳播條件進行動態的鏈路自適應調整，從而為個人終端或群體用戶提供更精確的信道保護。IMOSAN DVB-S2/DVB-RCS網絡的整體結構如圖2所示。

圖2 IMOSAN DVB-S2/DVB-RCS網絡的整體結構

2.2 基于預測的信噪比估計算法

前面的論述已經提到，同步衛星網絡在使用ACM技術的時候遇到了一些限制因素。這主要是因為該網絡具有非常高的傳播延時和變化的信道(比如SNR)，從而使得最優編碼調制方案的選擇變得更加復雜。

傳統的方法是利用瞬時估計的信噪比的值來選擇最優的編碼調制方案，這個方法在非對稱的衛星網絡中是不適合的，因為該網絡中信道被估計的時間與發射機接收到信道狀態信息的時間之間有很大的延遲。為了克服這個限制，本文提出根據預測的信噪比估計瞬時值來進行編碼調制方案的選擇。

本文提出的使用預測信噪比估計瞬時值的方法是基于最小均方誤差(LMS)算法，該算法采用的是基于梯度的最陡下降法。在第n步預測的信噪比的值^s是根據式(1)計算得出的，其中權向量W的初始值是隨機的，向量S包含信噪比的N個最新值。

這個算法利用下面的步驟來更新權向量W，這樣就可以在經過很多次的迭代后得到最小均方誤差。

式中，μ是步長因子，用來控制算法的收斂特性。

文獻［7］中指出，當滿足如下條件時，LMS算法的穩定性條件就能夠得到保證

式中，λmax是矩陣Rn=SnSTn的最大特征值。Rn是一個對稱矩陣，它的最大特征值和矩陣的跡是一致的。因此，μ的值可以按照如下式子進行更新

2.3 新的編碼調制方案選擇算法

最優編碼調制方案的選擇是在衛星終端和衛星網關的協作下共同完成的。每個衛星終端首先對信道信噪比進行估計，然后通過回傳信道向網關報告信噪比值和衛星終端支持的最有效的編碼調制方案，網關根據該信道狀態信息來選擇合適的編碼調制方案。在雨水的情況下，網關采用穩健性較強的低階調制和低速率編碼，以保證一定的誤碼率要求;而在晴天的時候，則采用更高頻譜效率的編碼調制方案，提高了發送給衛星終端的信息速率［8］。

本文提出了一種新的編碼調制方案選擇算法，該算法在變化的信道環境下更有利于選擇合適的編碼調制方案，這是因為它去除了一些效率較低的編碼調制方案，并且給不同的信噪比區間增加了一定的余裕來保證總是選擇使數據速率最大化的最穩健的編碼調制方案。其中，引入的余裕的值取決于測量的精度。具體如表1所示。

表1 SNR區間及其對應的編碼調制方案

頻繁的編碼調制方案轉換將會導致性能的振蕩和不穩定，為了避免此類狀況的發生，如圖3所示，本文提出使用一種滑動窗口技術來使編碼調制方案的調整變得更平滑，同時把瞬態變化的影響降到最小。因此，本文研究的信噪比需要和每個窗口Ck測量的信噪比的平均值

圖3 SNR計算的滑動窗口技術

因此，接收到的信噪比表達式為

式中，C是窗口的尺寸。經過大量的仿真，得出最佳的C值為5，以下采用的就是該值。

3 實驗仿真及結果

3.1 實驗設置

前面章節已經對本文提出的技術方案進行了詳細描述，在本章主要通過仿真對其性能進行評估。圖2給出了一個典型的DVB-S2網絡。本次實驗測試時間是1 400 s，這個時間足夠來觀察實驗涉及到的方案在不同的環境下的性能。在仿真的第1階段，系統里是沒有噪聲的;在仿真第2階段的開始，在t=245 s，引入一個噪聲源，該噪聲源使信噪比的值下降大約4 dB;在仿真第3階段的開始，在t=790 s，第2個噪聲源引入，該噪聲源使信噪比的值下降大約2 dB;仿真的最后階段從t=1 000 s開始，分別在t=1 000 s和t=1 200 s時依次撤銷第1和第2個噪聲源。這樣的性能評估可以看出本文采用的方案適應噪聲水平變化的速度和精確度。

3.2 仿真結果與分析

圖4給出了衛星終端仿真實驗的信噪比瞬時值和預測值對比圖?？梢钥闯?，估計的精確度非常高，這說明了此預測機制是非常有效的。

圖5和圖6從可靠性和吞吐量方面顯示了實驗方案保持一致。的性能。圖5為實驗過程中基于瞬時值的ACM原方案和基于預測值的ACM新方案的誤碼率變化對比圖。圖6為實驗過程中固定編碼調制方案、基于瞬時值的ACM原方案和基于預測值的ACM新方案的吞吐量對比圖。由圖5可以看出，本文提出的ACM新方案在實驗過程中體現了較高的可靠性，無論是在信道條件好還是信道條件差的情況下誤碼率都比ACM原方案的低，這也說明了新方案在不斷變化的信道環境下，能夠根據信道環境很好地快速地調整編碼調制方案，極大地降低了系統的誤碼率。通過圖6可以看出3種方案下系統吞吐量的情況，采用ACM技術時系統的性能明顯比采用固定編碼調制技術的要好，在采用固定編碼調制技術的系統中，當誤碼率高到一定程度時，系統的吞吐量直接降到0 bit/s，同時從整體來看，與采用ACM原方案相比，采用ACM新方案的吞吐量有了一定的改善。

圖4 信噪比瞬時值和預測值的對比

圖5 實驗過程中ACM原方案和ACM新方案的誤碼率變化

圖6 實驗過程中固定編碼調制方案、ACM原方案和ACM新方案的吞吐量

綜上所述，本文提出的DVB-S2網絡中優化資源分配的新方案能夠精確地對信道狀態進行預測，有效地消除了自適應回路延時對DVB-S2自適應編碼調制系統性能的影響，同時，與傳統方案相比，新方案能夠更好地完成最佳編碼調制方案的選擇，也避免了頻繁的編碼調制方案轉換導致的系統性能振蕩和不穩定狀況。新方案改善了系統的性能，使網絡資源得到了更有效的利用。

4 結束語

本文主要對DVB-S2網絡中優化資源分配的方案進行了研究，首先提出了一種基于預測的信噪比估計算法，來解決衛星網絡中反饋帶來的過多延時的問題。在預測值的基礎上，本文提出了一種新的編碼調制方案選擇算法，該算法考慮到了測量損傷，通過引入一些余裕來完成更穩健的編碼調制方案的選擇。另外，本文還提出了一種滑動窗口技術，來解決編碼調制方案頻繁轉換以及其帶來的系統性能的振蕩問題。大量的實驗仿真證實了本文提出的方案能夠對信道環境進行精確預測，在實時處理中能夠更好地選擇最合適的編碼調制方案，性能比傳統的方案更優。

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［8］方霖，雷菁，雍玲.自適應編碼調制技術在DVB-S2中的應用［J］.中國有線電視，2006(17)：1697-1700.