衛星通信網中ACM技術研究

茍曉剛，董銀虎，潘申富

(1.通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，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

衛星通信以其獨特的空間、地域優勢成為現代戰爭通信保障和非戰狀態下應急通信的有效手段。為了更好地利用有限的頻率資源，衛星通信系統都會利用網管中心對頻率進行統一的調度管理，上行鏈路采用頻分(FDMA)、時分(TDMA)和碼分(CDMA)復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干擾，一般采用時分多路(TDM)的廣播方式使每個網絡用戶都可以接收到。

在這種使用方式下，中心站通過配置交換機的路由表，對通信網的頻率或時隙資源進行管理和分配，根據地面站的業務申請，在上行鏈路預先分配帶寬或時隙，并采用固定的調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制編碼方式。地面站的業務可以來自地面網絡或IP業務終端。

這種使用方式將面臨3個問題:①網內有多種站型時，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工作，受雨衰影響較大;③對于IP業務，其業務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，在業務量變小的時候，造成系統資源浪費;在業務量變大的時候，由于信道傳輸能力的限制，而產生擁塞。

這些問題將導致衛星實際使用效率偏低的情況。目前來看，采用自適應編碼調制(ACM)技術是解決上述問題的較好的方法。

1 ACM技術背景

ACM技術，首先被應用在ETSI(歐洲電信標準化組織)的衛星數字視頻廣播標準DVB-S2中。其核心方法是接收站通過衛星信號提取鏈路質量信息(如信噪比)，并將該信息回傳到發送站，發送站根據鏈路質量在預先規定的編碼調制方案中選擇合適的方式，保證鏈路的可用性［1］。

在DVB-S2標準中，采用BCH碼和LDPC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 和 9/10 等多種編碼碼率，可采用的調制方式包括 QPSK、8PSK、16APSK和32APSK。能夠逐幀使用不同的糾錯編碼和調制方式，傳輸效率得以大大提高。

由于DVB-S2標準是為數字視頻廣播應用制定的，自適應調整沒有考慮適應IP業務流量的變化，因此，如果將其應用到衛星通信網中，需要進行以下適應性改變:①設計自適應調整的策略和流程，使得自適應調整可以適應業務流量的變化，同時，保證在雨衰發生時，通信盡量不中斷，即使發生通信中斷，也能夠快速恢復;② 重新設計幀結構以適應透明點對點和基于星上處理的模式下自適應傳輸的需求。

2 自適應調整策略

本文中默認各站的發射功率是合適的，不需要進行調整，自適應調整的對象不包括發射功率。在此基礎上進行自適應調整策略的討論。

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，并將估計結果反饋給中心站的網管。網管根據接收信噪比的變化，對小站的編碼調制方式進行調整，策略如下:

①某個小站的信道條件改善，信噪比變大時，調高編碼調制的檔位，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，降低編碼調制檔位，同時增大帶寬或增加時隙滿足業務傳輸要求。在帶寬或時隙不足時，進行本站的流量控制或在全網范圍內進行資源重配置。

③在信道發生突發衰減時，小站估計SNR并反饋至發送端，發送端對調制編碼參數進行調整的時間為t，一般不超過500 ms。編碼調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，不同地區的降雨統計情況決定了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。在實際設計中，根據可靠性要求，針對不同的站設計不同的切換門限。

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

⑤在突發衰減變化量超過設計值時，通信可能產生中斷。此時，收發2端應按照預案將調制編碼方式降到最低檔位，盡快恢復通信。

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確定，ACM調整是按照業務流量最大原則，根據信噪比估計結果，盡量選擇高階的調制編碼方式。

⑦在組網應用中，下行鏈路采用TDM方式，帶寬和發射功率是固定的，中心站網管根據各站的接收能力和雨衰情況，動態配置各時隙的調制編碼方式，滿足業務流量要求。

3 自適應調整流程

3.1 透明點對點方式

設計的透明點對點方式幀結構如圖1所示。

圖1 透明點對點模式幀結構設計

數據采用連續的突發結構，每幀數據的起始位置為導播時隙，內容包括信噪比估計值、本幀載荷數據的調制編碼方式以及載荷數據長度，導播時隙的編碼調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，從而能夠獲取后續數據載荷信息的調制編碼方式，數據載荷的調制編碼方式可變，數據段每隔2016 bit插入導頻字，輔助實現時鐘和載波的相位跟蹤。

載荷信息的編碼調制方式是可以根據信道條件和業務流量而改變的，自適應調整過程如圖2所示。

圖2 透明點對點模式工作流程

自適應調整是由發送站根據接收站的信道估計結果和業務流量變化發起的，發送站的編碼調制方式改變時，接收站從接收的幀頭信息中獲取改變后的調制編碼方式，并改變本地的調制編碼方式，實現自適應調整。

3.2 基于星上處理的TDM/TDMA方式

設計的TDM/TDMA模式幀結構如圖3所示。

圖3 TDM/TDMA模式幀結構

在入網前，小站通過接收衛星信標獲得本地信噪比估計值，由測距幀發送到中心站(測距幀采用固定調制方式，占用固定帶寬，并只在入網前發送)，中心站根據小站的鏈路和業務情況確定其調制編碼方式、占用帶寬和時隙，形成幀計劃，通過導播時隙下發給小站。小站按照幀計劃要求進行自適應調整。

TDM下行鏈路的自適應調整流程也是由中心站發起的，小站將信道估計結果和業務流量變化情況通過業務幀上傳到中心站，中心站根據TDM時隙資源情況和TDMA上行數據量的變化，決定新的幀結構排列，確定改變后的小站數據在幀結構中的位置、調制編碼方式和占用時隙的數量。接收站根據導播時隙的信息獲取到以上信息，并自適應地改變接收參數，實現ACM。

小站在入網和正常工作過程中的自適應調整流程是不同的，具體表現在:

(1)入網過程

轉發器帶寬充足時，新入網的載波在可用的調制編碼方式中選擇功率譜密度最低的低階調制方式。

轉發器帶寬緊張但功率充足時，新入網的載波在可用的調制編碼方式中選擇帶寬占用最小的高階調制方式。

在星上轉發器帶寬和功率都不足時按照帶寬優先，中心站自適應參數調整軟件依據圖4的流程進行操作。

圖4 帶寬和功率不足時的自適應調整

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

①按照預先規定的優先級規則，強迫優先級低的站進行流量控制，直至退網，或者禁止新站入網;

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

中心站自適應參數調整軟件流程如圖5所示。

圖5 工作過程中的自適應調整

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

采用本文設計的幀結構，在實際調試過程中，結合現有的突發信號解調技術，在調制編碼方式已知，誤碼率小于1×10-4情況下，同步頭長度為180個，即可以保證解調器能夠跟蹤調制器的編碼調制變化，實現逐幀可變的自適應接收。

4 結束語

針對現有衛星通信系統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應用中，引入ACM技術，通過重新設計自適應調整策略和流程以及幀結構，并確定自適應調整門限值的計算方法，使得ACM技術可以在新一代衛星通信系統中獲得應用。

［1］MORELLO A，REIMERS U.DVB-S2，The Second Generation Standard for Satellite Broadcasting and Unicasting ［J］.InternationalJournalofSatellite Communications and Networking，2004，22(3):249-268.

［2］ADAS A.Traffic Models in Broadband Networks ［J］.Communications Magazine，IEEE，1997，35(7):82-89.

［3］BONUCCELLI M A，GOPAL I，WONG C K.Incremental Time-slot Assignment in SS/TDMA Satellite Systems［J］，1991，39(7):1147-1156.

［4］ETSITR 102376，User Guidelines for the Second Generation System for Broadcasting，Interactive services，News Gathering and Other Broadband Satellite Applications(DVB-S2)［S］，2005.

［5］ETSIEN 301192，DVB Specification for Data Broadcasting［S］，1997.

［6］JIMENEZ I，AMERHIS MORENO I.An Interactive Regenerative Satellite Network for Mesh Communications.Operation and Applications［C］∥San Diego，California:AIAA，2006:1-7.