衛(wèi)星通信中自適應(yīng)策略（ACM）研究與應(yīng)用

吉志海

摘 要：本文研究衛(wèi)星通信中自適應(yīng)調(diào)整策略，結(jié)合收端信號(hào)速率的自適應(yīng)解調(diào)，給出了分布式自學(xué)習(xí)的ACM調(diào)整流程，并通過(guò)優(yōu)化衛(wèi)星通信系統(tǒng)控制流程，提高衛(wèi)星系統(tǒng)的收斂響應(yīng)速度。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；自適應(yīng)；ACM；

1概述

目前我國(guó)衛(wèi)星通信一般采用靜止軌道衛(wèi)星，通信距離長(zhǎng)、傳輸時(shí)延大、覆蓋范圍廣，通信過(guò)程中易受到電離層擾動(dòng)以及雨、雪、霧和空氣中的水汽影響，波束覆蓋范圍內(nèi)信道條件復(fù)雜。

因此，衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為保障系統(tǒng)鏈路的可用度，針對(duì)大氣衰減（主要雨衰）預(yù)留較大的余量，也即為干擾和鏈路衰減預(yù)留較高的Eb/N0，使得系統(tǒng)功率資源和帶寬資源無(wú)法發(fā)揮到最大，降低了系統(tǒng)容量。ACM技術(shù)可以根據(jù)信道狀況自適應(yīng)選擇合適的編碼碼率和調(diào)制方式，并已經(jīng)在DVB-S2、HSPA、LTE等衛(wèi)星、地面無(wú)線通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

2ACM（Adaptive Coding and Modulation）系統(tǒng)基本原理

相對(duì)于靜態(tài)系統(tǒng)按最差鏈路情況設(shè)計(jì)不同，ACM系統(tǒng)可以更好地受益于鏈路傳播和波束C/I條件改善，以獲得更高的系統(tǒng)吞吐量；在發(fā)生更深的衰落時(shí)，ACM系統(tǒng)可以使用更大的發(fā)射功率、更魯棒的調(diào)制和編碼方案獲得更高的鏈路可用性[1]。

ACM工作模式的基本原理是發(fā)端通過(guò)收端的鏈路質(zhì)量反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整編解碼碼率、調(diào)制方式、發(fā)射功率等參數(shù)，選擇合適的方案，在（暴）雨、鏈路衰減很大時(shí)也能維持極低限基礎(chǔ)通信服務(wù)。而在天氣條件好的情況下，可降低功率、提高頻譜利用率等方式降低鏈路余量和優(yōu)化系統(tǒng)功率資源，顯著提升系統(tǒng)容量。在DVB-S2中為支持ACM工作模式提供了28種編譯碼方案，仿真分析表明，并不需要實(shí)現(xiàn)DVB-S2所推薦的所有28種方案，通過(guò)合理設(shè)計(jì)各種工作模式的頻譜效率和Eb/N0分布，調(diào)制和編碼方案最小實(shí)現(xiàn)4種時(shí)，頻譜效率也可達(dá)到98%以上[4]。

3基于雙向反饋鏈路ACM策略實(shí)現(xiàn)

3.1信道估計(jì)

導(dǎo)頻[C/Nt]通常可以表示為：

其中PS表示導(dǎo)頻序列發(fā)射功率， 表示所有接收噪聲和干擾功率。在時(shí)刻tk = k Tslot的有用信號(hào)功率可以估計(jì)為：

其中rp（m）和rq（m）對(duì)應(yīng)于去除載波相位誤差后的碼片匹配濾波器輸出在時(shí)間tm = mTc處的同相和正交導(dǎo)頻分量采樣，而dp（m）和dq（m）構(gòu)成最初的導(dǎo)頻擴(kuò)頻序列。操作符| |N對(duì)應(yīng)于模N運(yùn)算符， 對(duì)應(yīng)于時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間。

總接收功率PR可以表示如下：

可以推導(dǎo)出噪聲加干擾功率估計(jì)值：

估計(jì) 由下式給出[1]：

得到 后，根據(jù)調(diào)制、編碼方案確定[B]、[Rs]，由下式即可以推算出鏈路的Eb/N0：

考慮到主要的控制環(huán)路時(shí)延是由于GEO衛(wèi)星傳播時(shí)間引起的，本文設(shè)定的時(shí)隙粒度最大為32ms，能夠應(yīng)付0.5dB/s的信道變化。

3.2ACM策略主要信令參數(shù)

發(fā)送端根據(jù)收端反饋的鏈路質(zhì)量，結(jié)合發(fā)端信息源的服務(wù)要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流量統(tǒng)計(jì)，確定不同的實(shí)施策略。控制信令主要攜帶以下信息：

功率調(diào)整；

工作模式：對(duì)應(yīng)確定的調(diào)制方式、碼型及幀長(zhǎng)等；

收端Eb/N0；

收/發(fā)端站址。

3.3ACM控制流程

ACM主要問(wèn)題在于算法需要自適應(yīng)，需要能夠跟蹤并預(yù)測(cè)終端的瞬時(shí)Eb/N0的變化，考慮到電磁閃爍造成的信號(hào)波動(dòng)通常比環(huán)路響應(yīng)時(shí)間快，在考慮衛(wèi)星環(huán)境和多終端方面時(shí)，自適應(yīng)調(diào)整的余量還必須考慮電磁閃爍和衛(wèi)星信號(hào)電平波動(dòng)的影響，避免因?yàn)橛嗔坎蛔悖瑢?dǎo)致通信中斷事件發(fā)生。

本文中發(fā)端根據(jù)鏈路反饋信息結(jié)合監(jiān)控的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器狀態(tài)自動(dòng)校準(zhǔn)，選擇合適的方案。由于衛(wèi)星信道傳輸時(shí)延，參數(shù)修正指令發(fā)送到生效約有540ms傳輸及響應(yīng)時(shí)間，因此，考慮到傳播延遲和可能的信道變化，收端的鏈路反饋信息時(shí)間間隔不能過(guò)長(zhǎng)，本文中收端利用接收端發(fā)送空閑信道時(shí)隙發(fā)送鏈路Eb/N0（0.5秒內(nèi)至少發(fā)送1次），發(fā)端根據(jù)接收端時(shí)隙結(jié)合本地監(jiān)控的時(shí)隙變化情況，確定當(dāng)前調(diào)整策略，每次調(diào)整后，并設(shè)定0.3dB的調(diào)整閥值，避免調(diào)整過(guò)程中產(chǎn)生“乒乓”震蕩。

通過(guò)以下步驟完成評(píng)估調(diào)整：

1） 每個(gè)終端根據(jù)接收到的信號(hào)計(jì)算出當(dāng)前鏈路Eb/N0（這里為簡(jiǎn)化，將干擾信號(hào)I歸為噪聲N）；

2） 接收端A通過(guò)反饋鏈路將控制信令傳送給發(fā)送端B；

3） 發(fā)送端B根據(jù)對(duì)接收端[Eb/N0]A進(jìn)行修正：

其中，δ為發(fā)送端B本地檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)器功率修正；ε為調(diào)整閥值，一般設(shè)定0.3dB，用于避免“乒乓”震蕩。

4）根據(jù)檢測(cè)的轉(zhuǎn)發(fā)器負(fù)載情況（可由中心站通過(guò)廣播信令下發(fā)）進(jìn)行調(diào)整判決：

a） ，當(dāng)前模式工作存在通信中斷風(fēng)險(xiǎn)：

在轉(zhuǎn)發(fā)器負(fù)載超過(guò)70%的情況下，優(yōu)先往下降低速率；

在轉(zhuǎn)發(fā)器負(fù)載低于70%的情況下，優(yōu)先調(diào)整發(fā)射功率，如功率調(diào)整至最大也不能滿足 ，則仍需降低速率；

b） ，當(dāng)前工作模式存在資源浪費(fèi)：

在轉(zhuǎn)發(fā)器負(fù)載超過(guò)70%的情況下，優(yōu)先往下降低功率，直至最低；

在轉(zhuǎn)發(fā)器負(fù)載低于70%的情況下，通知業(yè)務(wù)源可以提速，如果業(yè)務(wù)源有數(shù)據(jù)發(fā)送需求，則向上逐檔選擇高速率模式；如無(wú)新增業(yè)務(wù)需求，則降低發(fā)射功率，直至最低；

c）系統(tǒng)根據(jù)需要重復(fù)2）～4）步，直至穩(wěn)定，確保Eb/N0滿足解調(diào)需要；

需要注意的是，在速率檔發(fā)生調(diào)整時(shí)，如果從低速率檔調(diào)整至高速率檔，由于帶寬變大，對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)影響不大；如果從高速率檔調(diào)整至低速率檔時(shí)，則會(huì)因?yàn)樾畔⒃吹臄?shù)據(jù)生成速度超過(guò)發(fā)送速度，導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出丟失。因此，在信道速率發(fā)生變化時(shí)，需同步通知信息源信道速率改變情況，在高速率檔向低速率檔變化時(shí)，對(duì)信道終端中緩存的數(shù)據(jù)按照優(yōu)先級(jí)高低進(jìn)行篩選，對(duì)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)采用可靠的方式傳輸，而對(duì)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)則可以通過(guò)增加延遲或分組丟失的方式處理，直至信息源數(shù)據(jù)流量與信道帶寬匹配。

4.小結(jié)

本文研究的ACM策略模塊在項(xiàng)目中的得到應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中節(jié)省了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率資源，提高了系統(tǒng)的鏈路可用性和頻譜利用率。

參考文獻(xiàn)

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（作者作者身份證號(hào)碼：320102197905081218）