一種基于ASCM技術的衛星通信實現方法

安中文 郝曉強 時立鋒 楊博 張華健

(航天恒星科技有限公司，北京 100095)

隨著衛星互聯網建設上升為國家“新基建”發展戰略，高通量衛星通信應用已成為行業發展趨勢。在衛星通信系統中，通常多個小站需要共享來自主站的同一前向載波，受不同鏈路狀況及天線增益和雨衰等天氣因素影響，不同小站之間接收信噪比都不盡相同，有些甚至具有很低的信噪比且實時變化。為了適應此問題及實現寬帶信息傳輸，衛星數字化視頻廣播第二代標準(DVB-S2)引入了自適應編碼調制(ACM)技術。基于此技術，可根據主站及小站接收信噪比而實時動態調整傳輸信息的編碼調制方式(MODCOD)以適應鏈路狀況，通過自適應選擇最優的MODCOD進行信息傳輸，從而使鏈路的吞吐量達到最大化，提高了頻譜利用率，同時又保證了較高的通信可靠性。

然而對于車載動中通、便攜式以及機載、船載等移動終端使用場景，通常需要采用小口徑衛星天線。對于小口徑天線，其天線增益/接收系統噪聲溫度(G/T)值也相對較小，同時受鏈路及天氣狀況影響，這類終端需要以較低的信噪比接收來自主站的ACM信號，國內及國際上美國聯邦通信委員會(FCC)與歐洲電信標準化協會(ETSI)相關協議都限定了衛星頻帶內的等效全向輻射功率(EIRP)值，因此小口徑天線使用會進一步受限。另外，采用小口徑天線也容易受到臨道干擾。

為了實現低信噪比的信號接收及抗干擾，解決ACM技術瓶頸及小口徑天線使用受限問題，在衛星通信領域可以基于擴頻通信與ACM相結合的技術手段，即自適應擴頻編碼調制(ASCM)技術[1]。由于引入擴頻通信技術后，能夠使有用信號以較低的功率譜密度進行信號傳輸，從而滿足小口徑天線的使用要求及限制。基于擴頻技術，在同樣的MODCOD下，可以實現更低信噪比的信號接收[2]。

本文對ASCM技術在衛星通信系統的應用進行研究分析，介紹了擴頻通信技術的基本思想和優勢，設計了一種基于ASCM技術的衛星通信實現方法，并具體闡述了其研究內容，通過此方法可以有效解決小口徑天線應用時所面臨的低信噪比傳輸問題，同時可以根據鏈路情況自適應快速調整ASCM參數，從而達到實現高帶寬傳輸目的。

1 擴頻通信技術

目前擴頻通信技術被廣泛應用于通信領域，特別是對于衛星通信領域也有很重要的應用意義。所謂擴頻通信是一種擴展頻譜的通信技術，即通過擴頻的方式使其信號傳輸時所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬[3]。在發送端通過一種特定的碼序列(又稱偽隨機碼)來完成頻帶的擴展，在接收端則用同樣的碼序列對擴頻信號進行相關解擴，從而恢復出所傳信息數據。

根據香農的信道容量公式，對于同樣的信號傳輸速率，信號帶寬(W)和信噪比(S/N)可以通過互換的方式實現[4]，即如果增加了傳輸信號帶寬，那么對于信噪比的要求就會有所降低。擴頻通信就是基于此理論依據和基本思想[5]，通過擴展帶寬技術來降低對信噪比的傳輸要求，從而實現了信息在低信噪比信道條件下的可靠傳輸。

基于擴頻通信技術，信號頻譜得以大大擴展，通過采用擴頻碼序列在發送端進行擴頻調制，同時在接收端用相應的擴頻碼序列進行解調，使其具有窄帶通信無法比擬的優良性能，主要技術優勢見表1。

表1 擴頻通信技術優勢Table 1 Advantages of spread spectrum communication technology

2 一種基于ASCM技術的衛星通信實現方法

本文設計了一種基于ASCM技術的衛星通信實現方法，具體步驟如下。

(1)對所設計方法適用的衛星通信系統架構進行分析，即基于何種架構、衛星通信體制及應用場景。

(2)對在衛星通信中應用ASCM技術時，如何實現ASCM的數據收發進行說明，即通過闡述所設計的ASCM傳輸幀格式，來明確ASCM數據傳輸時的信噪比反饋、ASCM參數調整以及有效數據等信息。

(3)對ASCM參數調整算法進行設計，明確調整準則及調整算法，以保證所設計方法可以根據實際接收情況而自應適、吞吐量最大化且無損業務的調整ASCM參數。

2.1 適用的衛星通信系統架構

本文所設計的ASCM衛星通信實現方法適用于星狀網系統拓撲架構及其衛星通信體制，即各終端的前向及回傳ASCM信號參數配置均由主站負責鏈路狀態監控及切換控制，各小站負責實時上報其接收信噪比并按照主站的切換指令進行ASCM參數配置，主站和小站相應發射和接收通道需按照主站指令進行相應ASCM參數切換[8]，特別適用于小口徑天線受G/T值及鏈路影響而需要在低信噪比條件下實現信息傳輸的應用場景，適用的系統架構如圖1所示。

圖1 基于ASCM技術的星狀網衛星通信系統架構示意圖Fig.1 Star network architecture diagram of satellite communication system based on ASCM

2.2 ASCM傳輸幀格式

ASCM傳輸幀格式分為主站傳輸幀格式和小站傳輸幀格式，其中主站傳輸幀格式如圖2所示，主站需要根據信噪比的情況，自適應調整主站及小站相應收發通道的擴頻系數和MODCOD，以實現低信噪比條件下的傳輸最優化。每一幀由3種數據段組成[9]。

圖2 主站ASCM傳輸幀格式圖Fig.2 ASCM transmission frame format of hub

(1)幀同步段：用來獲取比特流同步信息或者載波頻率信息以保證接收同步，若此字段丟失則對應幀丟失，需要重新同步獲取，此字段可以設置為固定長度。

(2)ASCM參數控制指令段：通過對小站上報的接收信噪比以及主站接收信噪比情況進行自適應ASCM參數控制，控制主站和小站相應發射和接收通道進行ASCM參數切換，用來表征接下來在同一發送幀中數據采用了何種擴頻系數以及MODCOD，以及主站采用何種ASCM參數進行接收解調，同時控制小站以相同的ASCM參數進行數據發送。

(3)數據塊：與ASCM參數控制令段表征的擴頻系數以及MODCOD所對應的數據段，其位長可以根據表征的ASCM參數計算得出。

其中小站傳輸幀格式如圖3所示，每一幀由3種數據段組成。

圖3 小站ASCM傳輸幀格式圖Fig.3 ASCM transmission frame format of modem

(1)幀同步段：與主站ASCM傳輸幀格式對應字段格式相同。

(2)信噪比上報及ASCM參數響應段：負責按時上報小站接收信噪比，以及對于主站ASCM參數控制指令進行響應，以完成參數調整和通信重新建立過程，用來表征接下來在同一發送幀中數據采用了何種擴頻系數和MODCOD，以及小站采用何種ASCM參數進行接收解調。

(3)數據塊：與主站ASCM傳輸幀格式對應字段格式相同。

2.3 ASCM參數調整算法

對于不同應用場景，為了實現鏈路速率最大化和提高頻譜利用率，需要設計ASCM參數調整算法，以根據主站及各小站的接收信噪比，自適應的實時調整擴頻系數以及MODCOD，另外需盡可能使用較低的擴頻系數來提高傳輸信息效率。

例如在星狀網中，由于多個小站的接收信噪比不同，因而對每個小站的ASCM配置參數也不同，比如A站接收信噪比為-3 dB，則它無需采用擴頻方式即可選用二進制相移鍵控(BPSK)1/3的MODCOD，B站接收信噪比為-6 dB，則它需采用2倍擴頻，增益3 dB，才可以選用同樣的MODCOD，而C站接收信噪比為-13 dB，則它需采用的擴頻增益為10 dB，才可以選用同樣的MODCOD，具體對應ASCM參數配置見表2。

表2 不同終端根據信噪比調整ASCM參數示例Table 2 Example of terminals adjusting ASCM parameters according to SNR

需要注意的是，為了提高信息傳輸效率，要盡量選用較低的擴頻系數，例如當接收信噪比為-6 dB時，采用2倍擴頻，增益3 dB，可以適用BPSK 1/4的MODCOD，則對應每符號有用信息比特率為0.25/2=0.125；如果采用擴頻30倍，對應增益為15 dB，則相對可以提高到9 dB的信噪比，可以適用八相位相移鍵控(8PSK)3/4的MODCOD，則每符號有用信息比特率為2.25/30=0.075，約為采用擴頻3 dB時的一半頻譜利用率，對應對比關系見表3。

表3 不同ASCM參數對應信息比特率對比示例Table 3 Comparison of information bit rates corresponding to different ASCM parameters

基于上述ASCM參數調整準則，設計了一種ASCM參數調整算法如圖4所示，具體說明如下。

圖4 ASCM參數調整算法過程圖Fig.4 ASCM flowchart of parameter adjustment algorithm

步驟1：按照約定的ASCM參數對小站和主站相關通道的發送及接收模塊ASCM參數進行初始化配置，以建立前向和回傳信道的初始通信過程。

步驟2：通信建立后，小站定時上報接收信噪比，主站則定時監測所接收信噪比，以便根據通信鏈路情況動態調整ASCM參數。

步驟3：主站根據信噪比情況計算各信道接收和發送ASCM參數，以此作為調整ASCM參數的依據。

步驟4：主站判斷是否有信道ASCM參數需要調整，若小站接收需調整則執行步驟5(a)，若主站接收需調整則執行步驟5(b)，否則執行步驟3，通過此步驟來達到根據接收信噪比情況優化ASCM參數的目的。

步驟5(a)：主站下發小站接收ASCM調整指令，同時按原ASCM參數發送空數據幀，直到收到小站指令響應[10]。小站響應指令時，主站所發數據段為空幀，小站無需接收此幀數據，因此縮短了切換時間。

步驟5(b)：主站下發小站發送ASCM調整指令，直到收到小站指令響應，然后主站調整接收模塊按新ASCM參數接收，小站響應指令時所發數據段為空幀，主站無需接收此幀數據，因此縮短了切換時間。

步驟6(a)：小站響應參數切換指令后，立即調整接收模塊按新ASCM參數接收，無需接收對應幀的數據段，因此縮短了切換時間，同時主站按調整后的ASCM參數發送空數據幀，直到小站響應已收到，則代表新通信建立過程完成，然后主站再發業務數據，繼續執行步驟3。通過這種“握手”確認機制保障了調整ASCM參數時通信有效連接以及不會影響業務傳輸，且切換處理時間在毫秒級，算上衛星鏈路時延，總切換時間不會超過1 s，中斷時也不會影響用戶體驗。

步驟6(b)：小站響應參數切換指令后，立即調整發送模塊按新ASCM參數發送空數據幀，直到主站響應已收到，則代表新通信建立過程完成，然后小站再發業務數據，繼續執行步驟3，通過這種“握手”確認機制保障了調整ASCM參數時通信有效連接以及不會影響業務傳輸，且切換處理時間在毫秒級，算上衛星鏈路時延，總切換時間不會超過1 s，中斷時也不會影響用戶體驗。

3 驗證分析

本節對所設計的基于ASCM技術的衛星通信實現方法進行驗證分析，首先對ASCM技術在衛星通信中的應用優勢進行實際測試，基于星狀網架構的衛星通信系統，從小站回傳鏈路方向進行驗證，小站前向接收鏈路也同理。采用同樣的小站、主站及小口徑天線，并在同樣鏈路情況下對應用ASCM技術前后進行對比驗證。使用頻譜儀的頻譜測試軟件對所發信號在頻域的幅頻特性關系進行測試，采用ASCM技術后，小站擴頻前發射信號頻譜如圖5(a)所示，即有用信號帶寬為2 MHz(對應滾降系數為0.2)，小站采用4倍擴頻系數，即擴頻后發射信號帶寬為8 MHz，對應信號頻譜如圖5(b)所示，對于同樣的發射功率(對應頻譜的積分功率)，擴頻后最高信號電平約下降6 dB，從而降低了功率譜密度。

圖5 擴頻前后小站發射信號頻譜圖Fig.5 Spectrum diagram of transmitted signal of terminal before and after spreading

在主站接收端，使用頻譜儀的誤差向量幅度(EVM)測試軟件對主站解調后的信號質量進行測試，采用ASCM技術前，EVM指標均值為5.36%，而采用4倍擴頻系數的ASCM技術后，主站解調后信號的EVM指標均值減小到1.78%，信號質量改善效果明顯，測試對比結果如圖6所示。

圖6 采用ASCM技術前后主站解調信號EVM指標對比Fig.6 Comparison of EVM with demodulated signal of hub before and after using ASCM

通過小站端的軟件監控界面可以顯示出主站解調后的接收信噪比，對應小站端的發射信噪比，結果如圖7所示，測試結果表明：采用ASCM技術后，在同樣的接收信噪比條件下，主站解調后的接收信噪比由7 dB提高到10 dB，由于采用4倍擴頻系數，可以得到6 dB的擴頻增益，再考慮3 dB的系統工作損耗，從而實測提升了3 dB的主站接收信噪比，對應可傳的最高階MODCOD由四相移鍵控(QPSK)9/10提高到了8PSK 5/6。

圖7 采用ASCM技術前后主站解調信噪比對比Fig.7 Comparison of SNR with demodulated signal of hub before and after using ASCM

綜上所述，采用ASCM技術前后性能對比見表4，經對比驗證分析，在衛星通信系統中應用本文所設計的ASCM實現方法，可以有效提高接收端的信號質量和解調后的接收信噪比，特別是可以解決小口徑衛星天線受G/T值、EIRP值限制及鏈路條件差時的使用受限問題，在較低信噪比下仍可以實現信息接收。由于在接收端需采用特定的擴頻碼解擴，其抗干擾能力也更強。另外，ASCM參數調整算法將控制小站按照主站解調門限可接受的最高階MODCOD發送信息，以盡可能提高信道利用率。

表4 采用ASCM技術前后性能對比Table 4 Performance comparison before and after using ASCM technology

接下來基于星狀網架構的衛星通信系統，從小站前向接收鏈路方向進行驗證，對ASCM參數調整算法進行測試，小站回傳鏈路也同理。在前向滾降系數為0.25，QPSK模式下，前向每個幀為固定長度64 800 bit，測試了幾種場景下的ASCM參數調整時間，具體測試參數和經計算所得的切換時間見表5，下面說明具體計算公式。

(1)

式中：t為切換處理時間；A為調整前所發空幀數；B為調整后所發空幀數；C為所發幀長的比特數，在測試場景中為64 800 bit；D為調整前的擴頻倍數；E為滾降系數，在測試場景中為0.25；F為傳輸帶寬；G為所傳MODCOD每符號對應的比特數；H為調整后的擴頻倍數。

T=t+0.24(A+B)

(2)

式中：T為總切換時間。

例如對于表5中序號1對應的測試場景，按照式(1)計算切換處理時間為0.027 s，按照式(2)計算總切換時間約為0.99 s。

表5 ASCM參數調整數據及切換時間Table 5 Adjustment data and switching time of ASCM parameter

經測試驗證表明：所設計ASCM參數調整算法的切換處理時間為毫秒級，針對同步軌道衛星，算上衛星鏈路時延(一次星地往返時延約為240 ms)，總切換時間不會超過1 s。另外在參數調整過程中，所傳輸業務數據沒有丟失，且只發送了4幀的空數據幀就完成了鏈路的參數重新建立過程，具有切換時間短、用戶無感知和無損業務傳輸的優點。

4 結束語

本文通過將擴頻技術應用到衛星通信領域，并與ACM技術相融合，設計了一種基于ASCM技術的衛星通信實現方法，可以實現在較低信噪比下的衛星信號收發，有效地解決了小口徑天線受G/T值及鏈路影響的使用受限問題，并可以自適應地調整ASCM參數，以最大化的提高信道吞吐量。今后將研究在衛星通信系統中，基于擴頻通信的CDMA應用，實現多個小站共享同一頻帶，從而進一步提高ASCM信號傳輸時的頻譜利用率及各小站間的抗干擾特性。