優化衛星數傳鏈路效率的VCM流程設計

李炯卉，熊蔚明，梅 凡

(1.中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190; 2.中國科學院大學，北京 100049)

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優化衛星數傳鏈路效率的VCM流程設計

李炯卉1,2，熊蔚明1，梅 凡1,2

(1.中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190; 2.中國科學院大學，北京 100049)

為提高探測衛星數據傳輸鏈路的傳輸效能，采用可變編碼調制體制(VCM)，在不增加衛星與地面站能量消耗和設備成本的條件下，降低鏈路資源浪費，優化星-地數據傳輸的吞吐量.在衛星VCM數傳體制的基礎上，分析了近地軌道衛星數傳鏈路的動態鏈路預算，并詳細討論了鏈路傳輸效能的數學模型，給出了一種在有效數傳時間內優化數傳吞吐量的VCM流程設計算法.結果表明：該算法對于預知軌道的衛星系統，根據其動態的星-地鏈路預算結果，在保證誤碼率要求的前提下，選用不同的編碼調制方式，從而擬合鏈路預算曲線，保持較為固定的鏈路余量，實現鏈路效率的優化；根據所述流程算法，針對一顆近地太陽同步軌道衛星設計VCM數傳系統.通過數值仿真，與傳統固定編碼調制設計對比，說明這種VCM設計在提高鏈路有效性方面的突出優勢.

可變編碼調制；衛星數據傳輸；鏈路有效性；數傳吞吐量；鏈路預算；流程設計

近年來，有效載荷傳感器的精度不斷提高，如高分辨率的光學載荷[1]、SAR載荷等，這些應用對衛星數據傳輸效能提出了更高的要求.同時，隨著微小衛星的發展，遙感系統星座化已成為一種發展趨勢[2].由于體積、質量的約束，小衛星往往具有更加嚴格的能源設計限制[3].如何在有限的數傳時間內，以盡可能小的能耗完成將大量數據下傳給地面站的任務，已成為衛星數傳工程領域亟待解決的問題.雖然具有更高帶寬的Ka頻段已被廣泛認為未來對地探測衛星下行數據鏈路的發展方向[4]，但是，目前我國存在大量技術成熟的X波段地面站設備，改造成為Ka波段需要投入大量的經費和時間成本.因此，研究通過新型數傳體制以提高X波段數傳鏈路效能仍然非常必要.

可變編碼調制(variable coding modulation，VCM)是在通信過程中快速切換信道編碼和調制方式的方法.VCM要求預先設計好編碼調制方式選用的流程.遙感衛星的動態信道條件是可以預測的，無須設計信息反饋結構，因此其數傳系統滿足使用VCM的條件.例如，隨著衛星軌道位置的變化，鏈路余量會形成規律性的動態變化.傳統的衛星數傳系統設計采用固定編碼調制體制(constant coding modulation，CCM)，為保證誤碼率要求，須根據最小的鏈路余量設計編碼調制方式.那么，在整個數傳過程中隨著鏈路余量增大，必然存在較大的鏈路資源浪費.通過VCM技術可以降低這種浪費，從而更加充分地利用鏈路資源.

VCM的研究依托于信道編碼和信號調制的設計.空間數據咨詢委員會(the consultative committee for space data systems，CCSDS)針對于星地鏈路提出了兩種支持VCM的通信協議：一種是藍皮書[5]中給出的串聯級聯卷積碼(serially concatenated convolutional codes，SCCC)；另一種是基于歐洲電信標準化協會(European telecommunication standards institute, ETSI)于2003年制定的Digital Video Broadcasting by satellites (DVB-S2)協議[6]，使用Bose-Chaudhuri-Hochquenghem (BCH) 為外碼，Low Density Parity Check (LDPC)為內碼的級聯編碼方式.2013年美國噴氣動力實驗室(jet propulsion laboratory，JPL)在CCSDS會議上提議制定關于VCM幀結構的標準化協議，從而推動并規范VCM在工程中的使用.2014年11月，VCM協議紫皮書[7]進入修訂階段.

JPL的Hamkins等[8-10]在DVB-S2協議的基礎上，闡述了基于AR4JA LDPC的編碼調制子系統，并在不同調制階數和編碼率下詳細地仿真分析了系統性能，為設計基于LDPC的VCM系統奠定基礎.MAPSK高階調制技術針對衛星數傳應用的研究和實現[11-13]，為衛星數傳VCM系統提供了關于高階調制的技術基礎.Cossu等[14]提出將VCM思想應用到低軌地球觀測衛星數據傳輸體制設計中，給出VCM系統軟件設計體系結構框圖，并基于SCCC的VCM技術評估了某K波段遙感衛星的鏈路效率；張旭[15]設計了VCM的系統設計框圖，使用DVB-S2中推薦的4種調制方式和LDPC編碼，結合低軌衛星過境時間內的鏈路預算，使用一種簡單的 VCM流程，使衛星下行數據的傳輸量提高35.5%.可見，VCM在衛星數傳領域的應用價值已經得到較為全面的分析和認識.在現有研究的基礎上，本文從通信有效性的原理角度出發，通過分析鏈路預算，設計出一套針對衛星數傳鏈路環境和給定編碼調制方式的最佳VCM流程設計算法.該算法能夠保證在有效數傳時間內獲得最大的信息吞吐量.

1 可變編碼調制原理與體系模型

1.1 VCM概念與應用模型

在衛星數傳應用中，信道條件具有一定的規律性變化.例如一顆在高度為600 km的太陽同步軌道上的衛星(簡稱“例星1”).當它經過地面站時，向地面站傳輸數據.衛星在仰角大于5°時建立數傳鏈路.例星1的鏈路設計參數見表1.

表1 某遙感衛星的X波段數傳鏈路設計參數

注：1. 玻爾茲曼常數k=1.38×10-23J/K；2.[]表示的參數量綱為dB.

衛星與地面站之間的距離，即數傳鏈路長度R隨仰角而變化，從而帶來了動態的鏈路預算結果，如圖1所示.

圖1 例星1對地面站的動態數傳鏈路預算

Fig.1 Dynamic data transmission link budget of E_Sat1 to its ground station

圖1中橫坐標為地面站對衛星仰角，縱坐標為鏈路預算的S/N0.從圖1中可以看出，隨著仰角的增大，鏈路預算充裕度增加.在本例中，衛星過境期間存在著11.8 dB的余量波動.

圖2為6種編碼調制方案下的系統歸一化吞吐量的仿真示意圖.仿真中認為誤碼率大于10-5時，數據有效傳輸.從圖2中可以看出，低階調制編碼方案在信噪比較低時其系統吞吐量比高階調制編碼方案高，但是隨著信噪比的增大，吞吐量穩定在一個較低的水平；而高階調制編碼方案在信噪比較低時由于信道噪聲的影響，誤碼率較高，不能實現有效傳輸.但是隨著信道狀況的改善，采用高階調制編碼方式，可獲得更高的系統吞吐量.

圖2 不同編碼調制方案之下的歸一化吞吐量

Fig.2 Normalized throughput with different modulation and code rate

因此VCM思想應運而生，即根據某一預定的流程采用不同的編碼調制傳輸模式，以適應不同的信道條件(例如，傳輸距離)，最大限度地利用鏈路增益余量，降低鏈路資源浪費，從而在不增加能量消耗和設備成本的條件下，提高數據傳輸系統的總吞吐量.

1.2 VCM體系數學模型

對于本文所討論的低軌遙感衛星，其信道可以近似視為加性高斯白噪聲(additive white Gaussian noise，AWGN)信道.在這種近似假設下，暫不討論多普勒、衰落等因素的影響，以便于獨立地分析可變編碼調制子系統的性能.同時，假設模型中接收設備有理想的載波和同步性能，無相位噪聲.

在AWGN信道中，根據香農公式，例星1在數傳時間內，信道容量表現為圖3的變化規律.

圖3 例星1數傳鏈路容量的變化規律

根據上述分析，VCM流程設計的原則就是：有效的數傳時間內，在帶寬限制的條件下，滿足傳輸誤碼率要求的同時使有效比特率盡可能地靠近鏈路容量曲線，從而獲得盡可能大的數據吞吐量.這個問題，用數學表示為優化問題：

maximizeT

s.t.

BBlimit，

PePe,target.

式中：B為系統所用的實際帶寬；Blimit為可用的最大帶寬；Pe為系統的誤比特率；Pe,target是設計要求得目標誤比特率；T為數據吞吐量(bits)，即衛星在數傳時間內，向地面傳輸的總信息量為

式中:Rb(t)為有效信息比特速率，其取值可隨時間變化，因此表示為時間t的函數；Tp為衛星過境時數傳鏈路保持的時間.

設信道編碼方式集合為C，其元素個數為nC；調制方式集合為M，其中包含nM種不同的調制方式.為了方便表達，本文只討論PSK、APSK調制方式和LDPC編碼.定義εM為調制階數，εC為編碼碼率.對于M中的元素，εM取1、2、3、4、5分別表示BPSK、QPSK、8PSK、16APSK和32APSK.

(1)

VCM的目標是：在限制條件內選用合適的調制編碼，使得有效信息比特速率Rb盡可能大.

式中η為頻譜利用率.因此，對于單載波系統有

由此可見，VCM體系的核心內容是對數傳過程中編碼調制方式變化流程的設計(即選擇合適的εM和εC)，從而求解對T的優化問題.

2 VCM流程設計方法

對所有的tk∈{Tp N}，通過鏈路預算得出S(tk)/N0.設Es表示經過調制映射后的平均符號能量，則由式(1)有

設某種編碼調制方式在AWGN信道中的解調門限為γ([εM,εC],Pe,target).它表示使用M中階數為εM的調制方式和C中碼率為εC的編碼方式組，使系統在AWGN信道中達到目標誤比特率Pe,target時所需的最小Es/N0.

定義1 有效編碼調制組合.

設[εM,εC]i是C及M中編碼和調制方式的一種組合，(i=1,2,…,K)，其中K=nM·nC.該組合對應的解調門限和頻譜利用率分別為γi和ηi.若對于任意滿足γi-γj≥0的組合[εM,εC]j(j=1,2,…,K)且j≠i，都有ηi-ηj>0，那么[εM,εC]i稱為有效編碼調制組合.

否則，存在一種組合[εM,εC]j具有更低的解調門限，同時又能夠得到更高(或相等)的頻譜利用率，那么[εM,εC]i在VCM系統設計中就不存在使用價值了，便稱其為無效組合.

定義Γ為C和M構建的全部有效編碼調制組合的解調門限集合.將Γ中的元素按數值從小到大排序，得到:

由定義1可知，ηi<ηj.

比較Es(tk)/N0和Es(tk+1)/N0，若

(2)

尋找γi∈Γ∪{γ0=0,γK+1=∞}，使其滿足:

(3)

同理，若Es(tk)/N0≤Es+1(tk)/N0，視為鏈路余量在tk～tk+1的時間段內減性變化.為了保證誤碼率要求，以較小的Es(tk+1)/N0為判斷依據，尋找γi∈Γ∪{γ0=0,γK+1=∞}，滿足:

(4)

并按照其對應的組合建立數傳鏈路，或者暫停數傳.

最終，根據上述的流程規劃，得到衛星過境時間內的信息吞吐量為Es/N0.

其中，η(k)為tk～tk+1時間段內的頻譜利用率.

3 仿真與結果分析

針對例星1的數傳鏈路，設計VCM數傳體系，并討論其對鏈路效率的影響.

M中的元素為QPSK、8PSK、16APSK和32APSK，即εM的可能取值為2、3、4、5.C中為各碼率的AR4JA LDPC編碼，εC的可能取值為2/3、3/4、4/5、5/6.

表2中總結了通過計算機仿真得到的編碼調制子系統解調門限，滿足Pe,target=10-5.

表2 編碼調制子系統滿足Pe=10-5的解調門限

Tab.2DemodulationthresholdforPe=10-5ofthecodingmodulationsub-system

CODMOD[εM，εC]η/((Bit?s-1)?Hz-1)γ(Pe，target)QPSK2/3[2，2/3]0．6603．01QPSK3/4[2，3/4]0．7503．98QPSK4/5[2，4/5]0．8004．59QPSK5/6[2，5/6]0．8305．098PSK2/3[3，2/3]1．0006．468PSK3/4[3，3/4]1．1257．788PSK4/5[3，4/5]1．2008．648PSK5/6[3，5/6]1．2509．2116APSK2/3[4，2/3]1．3338．8116APSK3/4[4，3/4]1．50010．0716APSK4/5[4，4/5]1．60010．9016APSK5/6[4，5/6]1．66711．4832APSK3/4[5，3/4]1．87512．6232APSK4/5[5，4/5]2．00013．5132APSK5/6[5，5/6]2．08314．09

圖4中所示為通過仿真所得的表2中各編碼調制方式的誤碼率曲線.為了得出滿足Pe,target=10-5的解調門限，仿真中關注的目標誤碼率范圍在10-7≤Pe,target≤10-2之內，并確保誤碼率曲線經過Pe,target=10-5刻線.參與仿真的數據量在108量級，因此針對于Pe,target=10-5的解調門限仿真結果精確到小數點后兩位.

解映射時通過計算接收符號的對數似然比(log-likelihood ratio，LLR)得到解調的軟判決，以此作為LDPC解碼器的輸入.通過LDPC解碼獲取硬判決信息.仿真中，LDPC解碼采用迭代解碼方式，迭代最高次數為50次.

根據定義1可以判斷，表2中8PSK 5/6，即[3, 5/6]組合為無效組合.除此之外的14個組合的解調門限構成有效編碼調制組合的解調門限集合Γ.

算例 星1的過境時間Tp= 630 s，取VCM最小變化周期Δ=5 s，將Tp量化為126段.在軌道的上行階段，鏈路余量變化滿足式(2)，按式(3)原則選取最優編碼調制組合；在軌道下行階段，組合選擇遵循式(4).如此所得的VCM流程見表3.

圖4 表2中各編碼調制組合的誤碼率曲線

過境時間/s[εM，εC]持續時間/s0～34[2，5/6]3535～79[3，2/3]4580～104[3，3/4]25105～109[3，4/5]5110～139[4，2/3]30140～159[4，3/4]20160～174[4，4/5]15175～199[4，5/6]25200～214[5，3/4]15215～229[5，4/5]15230～399[5，5/6]170400～414[5，4/5]15415～429[5，3/4]15430～454[4，5/6]25455～469[4，4/5]15470～489[4，3/4]20490～519[4，2/3]30520～524[3，4/5]5525～549[3，3/4]25550～594[3，2/3]45595～629[2，5/6]35

由于算例中星1軌道對稱的特點，VCM流程變化也呈現上下行對稱.

圖5中給出根據表3中VCM流程所獲得的信息比特率隨衛星過境時間變化的規律.可以看出，與CCM相比，VCM設計下的比特率曲線呈現與圖2中理論信道容量曲線相似的變化趨勢.該VCM設計和幾種傳統的CCM設計性能對比見表4 .

可見，相比于傳統的CCM數傳體系，表3中的VCM數傳體系將吞吐量提高了70%以上.這種VCM流程設計方法，在保證系統誤碼率要求的前提下，最佳地安排了給定編碼調制組合的使用時間和順序，使鏈路效率得到了明顯的優化.

圖5 VCM有效信息比特率

編碼調制方式有效數傳時間te/s時間利用率ηt/%總吞吐量T/Gbits相對于VCM/%QPSK5/6630100．0196．654．588PSK2/356088．9210．658．478PSK4/542066．7189．552．6116APSK5/628044．4175．548．7232APSK5/617027．0133．236．98VCM630100．0360．21．00

4 結 論

1)本文針對低軌道探測衛星的應用模型提出衛星對地數傳體制的優化問題.給出一種基于可變編碼調制的低軌衛星對地數傳體制設計方法，以降低鏈路資源浪費、提高星-地數據傳輸的吞吐量，從而達到優化鏈路傳輸效率的目的.

2)通過數學描述、定義及推導，重點闡述VCM流程的設計方法，通過最佳安排給定的編碼調制組合，求解鏈路效率優化問題.最后，針對某太陽同步軌道遙感衛星的X波段數傳鏈路，應用所述流程算法設計其VCM流程.通過仿真計算對比，證明所設計的VCM體系明顯地提高了過境時間內的吞吐量，優化了鏈路效率，更加充分地利用了數傳鏈路能力.

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(編輯 張 紅)

Design of a VCM-based satellite data transmission architecture for down-link efficiency enhancement

LI Jionghui1,2, XIONG Weiming1, MEI Fan1,2

(1.National Space Science Center, CAS, Beijing 100190, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The dynamic link budget of low earth orbit (LEO) satellite data transmission link is analyzed, and the mathematical model of link efficiency is discussed. In order to enhance the data transmission link performance for exploration satellites, Variable Coding Modulation (VCM) system is applied to reduce link resource waste and improve the satellite-ground transmission throughput without increasing power consumption and design cost. A VCM schedule designing algorithm is illustrated for optimizing link throughput within the data transmission period. For a satellite system with foreseeable orbit and based on its dynamic link budget results, the proposed algorithm selects variable coding modulation combination under the bit error rate requirement to fit the link budget curve and keep a relatively constant link margin to achieve optimal link efficiency. Finally, on the basis of the proposed algorithm, a VCM data transmission system is designed for a LEO sun-synchronous satellite. According to the simulation results, the remarkable advantage of the proposed method is proved by comparison with traditional constant coding modulation design.

variable coding modulation (VCM); satellite data transmission; link efficiency; data transmission throughput; link budget; schedule design

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.10.024

2016-04-22

中國科學院專項創新基金(0-5&Y62133A64S)

李炯卉(1989—)，女，博士研究生；

熊蔚明(1963—)，男，教授，博士生導師

李炯卉，jionghui@nssc.ac.cn

TN927

A

0367-6234(2016)10-0162-06