ACM技術在衛星通信IP網互聯中的應用

羅 毅

（中國民用航空西北地區空中交通管理局，陜西西安 710001）

0 引 言

Internet在生活中被越來越廣泛地應用，且網絡技術加快了發展步伐。在對數據傳輸網進行建設或升級改造時，使用IP技術已經成為第一選擇。因為IP技術在傳輸數據方面具有眾多優勢，如網絡協議比較開放、互聯互通性能良好、使用的網絡接口整齊劃一、用戶可以靈活接入、可以自動查詢網絡地址等。當前，IP技術已經被運用到眾多領域，包括航天測控在內的領域也已開始使用IP技術進行數據傳輸。IP協議在封裝數據分組方面會消耗大量字節，有些使用專用網絡但并沒有太多業務量。為了能夠滿足其服務質量要求，雖然IP化傳輸在傳輸過程中也會增加帶寬的數量，但是與專線電路相比，并不會造成一些與其他以光纖為互聯方式形成的類似問題。航天測量船經常會因為衛星轉發器而造成資源緊張的局面，甚至已經造成IP網互聯提前進入瓶頸期，主要原因是傳輸帶寬的限制。所以，想要提高傳輸效率，滿足帶寬業務的需求，將衛星通信技術與IP技術之間進行有機結合勢在必行，但前提是要改進原有技術且制作出優化方案。

1 ACM技術工作原理

無線通信系統希望充分利用現有的寬帶資源提高系統內的信道容量，衛星通信也采取了相同的做法。傳統的通信技術為了提升系統的可靠性，一般會采用較高效的信道編碼，并且會以多進制調制方式提高頻譜的利用率。因為編碼和調制方法都處于一種固定不變的狀態，一旦遇到鏈路條件惡劣的情況，只有系統余量充足才能保證通信正常，或者保證誤比特率（BER）的數值在正常范圍內。保持信道條件穩定是為了達到誤比特率的要求，如果信道條件惡化，必然會降低信噪比（SNR），信噪比下降到臨界值以下，便會降低系統性能。為了提高系統性能到原有水平，只能采取高效的抗衰落技術。

編碼調制工作模式的分類依據來源于發送端調制的編碼方案（MCS），根據其是否會發生變化可以分為恒定編碼調制（CCM）、可變編碼調制（VCM）以及自適應編碼調制（ACM）[1]。恒定編碼調制使用最廣泛且操作簡單；可變編碼調制適合在載波單一但包含信號較多的系統中使用；而自適應編碼調制卻適用于載波單一、信號單一的系統。自適應編碼調制在提高信道利用率方面采取了建立閉環控制系統的措施。該系統的工作理念是將信號發送至接收端，由接收端根據信號的質量估計信道的實時情況，然后再將其傳送至發射端，發射端需要對編碼和調制方式進行動態變更，以適應信道狀態。由于無線信道產生了變化，接收機也需要及時更改與之對應的一些數據，然后才能更好地利用信道資源，是在不增加信道帶寬的情況下真正提高鏈路吞吐量的最簡潔途徑，且更改數據可以有效避免發生誤碼的情況，增強信道資源的抗干擾能力，提高頻譜的使用效率，長期以往提高傳輸數據的服務質量。自適應編碼調制技術的主要作用是克服信道的時變性和對鏈路中的損耗進行補償，所以信道質量有所改變時并不一定要改變發射功率，只要改變發送端的編碼方案接口。想要使通信系統長期處于可用狀態，必須控制好數據的傳輸速度。傳輸速度并不是隨意控制的，而是要根據信道的條件進行調節。高階的編碼方案只適用于質量較好的信道，對一些質量較差的信道，使用低階的編碼方案更穩妥。

2 衛星通信中的ACM技術

衛星通信鏈路不但可以實現遠距離傳輸信息，而且可以增大傳輸時延，實現大面積覆蓋。當電波與衛星之間進行傳播時，會遇到各種各樣的阻礙使電波衰減，不同地方還可能會影響到信號的強度。在這種復雜的信道條件下，建議使用ACM技術。

2.1 DVB-S2＿ACM技術

DVB-S2第二代傳輸標準在2005年發布，發布的主體是歐洲各國，并且將ACM技術作為了整個帶寬衛星應用的核心技術，以BCH碼級聯為編碼方式，支持多達11種編碼率，在調制方式上也支持QPSK、8PSK等28種，但是在應用時編碼方案可以根據實際情況進行縮減。使用DVB-S2＿ACM技術的衛星通信系統有眾多要素構成[2]，如DVB-S2標準并不適用于所有的傳輸方式，僅僅能夠滿足類似于衛星到用戶小站的傳輸距離。所以，信息從用戶小站出來直至到達信關站的反饋信道需要用到其他標準。DVB-S2＿ACM技術在數字視頻廣播領域使用較為廣泛，一些雙向交互業務也會采用這一技術。可見，該技術在大型公用寬帶衛星通信網絡方面更具優勢。

2.2 DVB-S2＿ACM技術的性能

根據DVB-S2標準制定的方案，更適用于一些數據廣播和高速數據應用。由于該技術在編碼輸出上相對固定，所以FEC中包含的比特數是固定的，意味著一個編碼方案將會對應多個符號數。在這種情況下，要十分注意同步問題，且在調節的復雜程度上有所增加。當信噪比（SNR）的數值偏低時，對于跟蹤一些高階調制的載波會有所困難。為了能夠繼續對其進行跟蹤，需要及時添加一些引導符號。如果選擇的編碼方案是更低階的，編碼時延反而會隨著吞吐量的降低而增加。有些IP應用本來需要處于一種低速條件，比如話音。為了能夠讓設備的生產商對編碼方案自行定義一個幀頭信道用于向發送端回傳信噪比（SNR），DVB-S2估計將這一部分設置了留白。所以，一般情況下，自適應編碼調制技術（ACM）并沒有統一的使用標準，每一項技術都屬于各自所擁有的。在對信噪比（SNR）進行報告時，還需要占用一個寬帶。由于預先計算的編碼率并沒有將其納入其中，導致了實際的頻譜效率會低于預期。如果忽略衛星鏈路的傳播時延，自適應編碼調制技術系統在時延情況最糟糕的情況下，編碼方案對應的編碼時延也不會低于20 ms。如果保持其他數據固定不變，那么編碼時延和數據速率之間將成反比關系。

3 衛星通信IP網中ACM技術的應用分析

3.1 可行性分析

現階段，我國的岸船間進行通信基本都采用點對點雙星衛星電路方式，具體包括數據、話音、圖像3種業務類型。話音業務在傳輸上依然沿用專線電路傳輸方式，與原有方式的不同之處是雙星衛星在傳輸過程中會經歷一個協議轉換器。增加該裝置的目的是共同將信息接入IP網。衛星通信的基本工作模式是恒定編碼調制（CCM），一般以QPSK對其進行調制、碼率為3/4的Turbo乘積碼（TPC）。對傳輸時延也提出了具體要求，端到端的IP業務在傳輸信息時不能超過400 ms。為了使比特率（BER）的數值優于10且有較大的功率余量，必須確保接收端的Eb與N0的比值在10 dB之間。通過與TPC所需的Eb/N0的數據進行對比發現，能夠顯著提高鏈路吞吐量的方式是將余量轉化為通信能力[3]。實驗研究表明，鏈路速率在實際開通中可以完全可以超過64 kb/s，也就是說即使設計的方案完全合理，編碼時延也可能會發生大幅降低，從而達到端到端業務在傳輸過程中時延小于400 ms的條件。所以，想要在原有的指標要求下提高頻譜利用率，可以選擇ACM為主要的工作模式。但是，在通信雙方衛通的選擇上會有所要求，需要使用CDM625型的MODEM。

3.2 ACM工作過程

通過IP網互聯可以實現衛通站A到衛通站B的單向鏈路。具體的工作流程為：當衛通站A處于陽光明媚的天氣時，衛通站B可以在信噪比（SNR）狀態最大時接收到信號，然后在以編碼方案（MCS）為計算依據算出Eb/N0；該數值經由衛通站B反饋給衛通站A，由ACM控制器與編碼方案（MCS）中的比特率（BER）進行比較，然后對編碼方案（MCS）進行選擇，使用的編碼方面（MCS）越高階，對應的比特率（BER）Eb/N0的數值越高，但是衛通站B用于接受信號的Eb/N0的數值會降低，只有將Eb/N0的數值調整到相近，且余量不能夠繼續支出其使用更高階的編碼方案（MCS）時，才能夠使最終的鏈路吞吐量達到最大；當衛通站A處于雨水天氣時，衛通站B接收信號的信噪比（SNR)以及Eb/N0都會降低，比特率（BER）便不能夠與衛通站B傳回的Eb/N0相匹配，這時ACM控制器便會選擇低階的編碼方案（MCS），衛通站B再次接收到的信號Eb/N0也會隨之提高，然后可以有效改善鏈路的性能。

3.3 注意事項

雖然CDM625型MODEM可以滿足各種用戶提出的不同要求，但是如果將其應用于航天測量船和任務中心間的相互通信，還需注意以下要求。

3.3.1 緩存器大小應設置在一個合理的范圍內

CDM625在廣域太網口中設置緩存器的目的是及時進行調整以適應編碼方案造成的鏈路吞吐量的變化，以防數據丟失。該緩存器根據低階MCS0進行設置，合理范圍為20～780 ms，系統的時延也會隨著緩存器數值的變化而變化。如果將該緩存器用于岸船間的衛星通信IP網互聯，為了滿足指標要求，需要將緩存器的參數設置為20 ms。

3.3.2 端口不在限速

用衛通電路對IP網中的數據進行同步時，一般會對路由器進行端口限速，限速的標準是信道帶寬。CDM625可以通過自協商協議實現IP接口和本地網絡的共聯，在控制擁塞方面采取暫停幀的方式。這樣做是為了避免接口緩存器溢出，且使其長期保持在75%～87%范圍內。這樣無論是使用交換機還是路由器，都不會再受到傳輸速度的限制[4]。

3.3.3 編碼方案應明確規定其調整范圍

一般編碼方案的自適應范圍都是事先由工作人員定好的數值，MCS0代表最低階的編碼方案，MCSO能夠促進電路可用度的有效提高，但是會限制岸船通信所租用的衛星轉換器貸款及其功率。最高階的方案編碼不能隨便設置，應根據衛通路在開通時所測試的結果確定其模式，如果出現方案編碼最高階與最低階編號相同的情況，那么則會改變原有的工作模式，變為恒定編碼調制（CCM）模式。

4 結 論

自適應編碼調制（ACM）技術作為一種數據傳輸效率高且智能化的無線通信技術，無論是在編碼時延還是系統的復雜程度上，都更加適合通信衛星的信息傳輸。ACM技術在衛星鏈路功率余量和鏈路傳輸能力的相互轉化方面，既能夠在原有帶寬的限制下將誤碼率保持在一定范圍內，又不會造成通信鏈路的堵塞。后續我國將以國內的通信衛星為媒介，對未來的設備改造在選型和通信優化方案上提供可以參考的意見。