基于概率整形的Ka寬帶衛星通信系統傳輸性能研究

黃宏宇 張琦 李彬彬

摘 ?要： 為了在保證可靠性的條件下，盡可能的提高衛星通信的效率，本文設計了一種基于概率整形的Ka寬帶衛星通信系統。從信號層角度建立了Ka信道模型，分析了衛星信道對信號傳輸的影響。仿真研究了不同天氣條件下采用不同調制方式的信號的傳輸性能，分析了系統信源熵、誤符號率特性。研究結果表明，概率整形方案與均勻分布的正交幅度調制方案相比在誤符號率方面得到了提升，在晴天、多云、間歇性小雨的情況下，通過概率整形技術可以獲得一定的信噪比增益，隨著噪聲功率的升高可通過采用不同程度的概率整形來使系統的誤符號率滿足要求。而在雨天、雷雨天氣下，概率整形技術所帶來的增益十分有限。

關鍵詞： 衛星通信;概率整形;正交幅度調制

中圖分類號： TN911.3 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.007

本文著錄格式：黃宏宇，張琦，李彬彬. 基于概率整形的Ka寬帶衛星通信系統傳輸性能研究[J]. 軟件，2020，41（08）：24-27+36

【Abstract】： In order to improve the efficiency of satellite communication as much as possible under the condition of ensuring reliability， a ka-band satellite communication system based on probabilistic shaping is designed in this paper. The ka-band channel model is established from the signal layer， and the influence of satellite channel on signal transmission is analyzed. The transmission performance of signals with different modulation modes under different weather conditions is simulated and studied， and we obtain the source entropy and error symbol rate. The simulation results show that the probabilistic shaping scheme has some advantages over the traditional quadrature amplitude modulation （QAM） scheme in terms of symbol error rate. In sunny， cloudy， and intermittent rain weather， a certain signal-to-noise ratio （SNR） gain can be obtained by the probabilistic shaping technique. With the increase of noise power， the error symbol rate （SER） can meet the requirements by using different degrees of probabilistic shaping. In rainy and thunder storm weather， the gain of probabilistic shaping scheme technology is very limited.

【Key words】： Satellite communication; Probabilistic shaping; Quadrature amplitude modulation

0 ?引言

隨著信息科技的發展[1-3]，人們對全球時空連續通信、高可靠安全通信、區域大容量通信、高機動全程信息傳輸的需求日益增長，天地一體化項目被提出。在天地一體化項目當中，地面與衛星的通信是關鍵技術之一。由于通信需求的大幅度增長[4-5]，頻譜資源日益稀缺。

為了提高通信系統的容量，衛星通信系統正向高頻段發展，工作頻率多為ka或ka以上。因此，ka波段的衛星通信成為了國內外研究的熱點[6-7]。然而ka波段的衛星通信系統會受到天氣的嚴重影響，不能保證每時每刻都保持較高的可靠性進行傳輸。均勻分布的調制格式由于在給定發射功率下最小歐式距離較小不能滿足系統可靠性要求。概率整形（PS）[9]的方案通過改變各星座點的預設概率使星座點的概率分布與最優分布接近，來提高可靠性、使系統容量逼近香農極限。因此，這一技術成為了國內外研究的熱點。

概率整形技術的原理是設法提高發射所需能量較小的符號的概率，降低發射所需能量較大的符號的概率。在發射能量固定的情況下，采用概率整形技術，可以增大信號星座圖中的最小歐式距離，從而提高信號的抗干擾能力，使其能有效地克服“雨衰”所帶來的影響。國內外對概率整形技術進行了相關研究。Huan Chen等人提出了一種相位均勻分布的圓m進制正交幅度調制（MQAM）和概率成形相結合的方案，實驗研究了該方案在衛星地面的光通信系統中的效果，結果表明概率整形16QAM可以獲得1.2 dB的光接收機靈敏度增益相對于傳統的16QAM[10]。Bo Liu等人則研究了方型16QAM（square-16QAM）在概率成形（PS）和相干檢測均勻方案中的性能。數值模擬和實驗結果表明，在PS技術的幫助下，誤比特率比原Square-16QAM格式的誤比特率有較大提高[11]。概率整形技術在16QAM調制中取得了很好的效果，于是許多學者致力于將它應用于更高階的調制中。L. Bertignono等人實驗比較了均勻分布16QAM、32QAM和概率整形64QAM（PS-64QAM），結果表明PS-64QAM在FEC開銷與均勻分布16QAM、32QAM相同的情況下靈敏度增益在0.4-1 db范圍內，可達10-25%[12]。部分學者如Metodi P等人則研究了256QAM、1024QAM的概率優化分布[13]。但是，概率整形在ka波段的微波衛星通信中的研究剛剛起步。故本文主要研究概率整形技術中較為經典的16QAM在ka波段衛星通信中的性能。

為了提升衛星通信的可靠性，本文在研究概率整形信號產生機理的基礎上，設計了一種基于概率整形的Ka寬帶衛星通信系統，仿真研究了16QAM概率整形方案在Ka寬帶衛星通信系統傳輸性能，分析了晴天、多云、間歇性小雨、雨天、雷雨等不同天氣情況下，通過概率整形技術獲得的信噪比增益，并與均勻分布調制格式進行了性能對比。

1 ?基于概率整形的Ka寬帶衛星通信系統

1.1 ?系統模型

衛星通信整體過程為如圖1所示，均勻隨機的二進制序列經過編碼后得到服從概率分布的符號，然后通過16QAM調制成為微波信號。微波信號通過ka波段衛星通信信道后，到接收端。接受端先對信號進行功率放大，再通過解調器對其進行解調。最終通過解碼器，將解調得到的符號轉化為收到的二進制序列。

2 ?性能分析

2.1 ?仿真環境

仿真利用MATLAB R2018b編程實現，為了驗證概率整形方案在衛星通信中的誤碼率性能，我們模擬了信號在Ka頻段衛星信道中傳輸的過程。我們假設對SER的要求是小于0.001，為了提高信號傳輸效率，我們在滿足SER的要求的情況下，采取更高效的調制方式。因此，在不同的天氣情況下，我們對概率整形16QAM方案、均勻分布的16QAM方案、QPSK方案的性能進行了比較。我們利用MATLAB模擬了圖4所示信號傳輸過程。均勻二進制序列經過概率整形后成為服從概率分布的符號，其經過調制之后，在ka頻段衛星信道中傳輸。然后，在接收端先進行功率補償再進行解調，獲得輸出符號。最終，我們對比輸入端的符號和輸出端的符號，統計得到誤符號率。仿真時模擬傳輸1×105個符號，信噪比范圍是10-35 dB。

仿真時衛星信道的參數如表1所示。

功率放大器中，放大的功率倍數是衰減項中幅度的期望值平方的倒數（u1–2），這樣可以補償雨衰帶來的功率損失，隨后再進行判決、解調。

2.2 ?仿真結果

信噪比為30 dB的條件下，在沒有雨衰影響時和在晴天、雨天的天氣條件下受雨衰影響時均勻分布16QAM傳輸的星座圖如圖5所示。在晴天的天氣下，相位，幅度影響因子的標準差較小，星座圖失真程度較低。在雨天的天氣條件下，星座圖嚴重失真。雨衰項h（t）的幅度和相位服從正態分布。幅度的影響會導致星座點向原點靠近，而相位項的影響，會導致星座點以原點為軸旋轉，導致星座圖的幾何形狀發生改變。在雨天條件下，相位與幅度所服從的正態分布標準差較大，導致星座點偏差較大。

（1）晴天

在晴天的天氣情況下，誤符號率隨著信噪比的變化如圖6所示。從圖6可以看到，在SER=0.001時，V=0.4的概率整形信號的SNR為13.5 dB，而均勻分布的16QAM信號的SNR為21.5 dB。由此可見，在相同的誤碼率下，概率整形信號隨著V值的增大，對信噪比的要求逐漸降低。因此，在信噪比相等的情況下，概率整形信號性能優于均勻分布的16QAM信號。

（2）多云

在多云的天氣情況下，誤碼率隨著信噪比的變化如圖7所示。從圖7可以看到，當SER=0.001時，V=0.4的概率整形信號的SNR為12.5 dB，而均勻分布的16QAM信號的SNR為19.8 dB。由圖7不難發現，在相同的信噪比下，概率整形信號隨著V值的增大，誤碼率的值逐漸降低。因此，在信噪比相同的情況下，概率整形信號的誤碼率性能優于均勻分布的16QAM信號。

（3）間歇性小雨

在間歇性小雨的天氣情況下，誤碼率隨著信噪比的變化如圖8所示。從可知圖8，當SER=0.001時，V=0.4的概率整形信號的SNR為12.8 dB，而均勻分布的16QAM信號的SNR=20.8 dB。在相同的信噪比的情況下，隨著V值的增大，概率整形信號的誤碼率逐漸降低。因此，在相同的信噪比下，概率整形信號的誤碼率性能優于均勻分布的16QAM信號。

（4）雨天

在雨天的天氣情況下，誤碼率隨著信噪比的變化如圖9所示。由圖9可知，當信噪比增大時，概率整形信號和均勻分布的16QAM信號的誤碼率很難降低到0.001，而QPSK信號的誤碼率在信噪比為16 dB時就可以滿足誤碼率低于0.001的要求。因此，在雨天的情況下，QPSK信號的誤碼率性能優于概率整形信號和均勻分布的16QAM信號。

（5）雷陣雨

在雷陣雨的天氣情況下，誤碼率隨著信噪比的變化如圖10所示。由圖10可知，在信噪比大于20 dB時，概率整形信號和均勻分布的16QAM信號的誤碼率變化緩慢，誤碼率達不到小于0.001的要求。在這種天氣情況下，QPSK信號的誤碼率隨著信噪比的增大而降低。因此，在雷陣雨天氣下，QPSK信號的誤碼率性能優于概率整形信號和均勻分布的16QAM信號。

（6）概率整形對傳輸效率的影響

由信源熵的計算公式（5）可以知道，當均勻分布的概率變為不均勻后，信源熵值會有所減少。概率整形方案正是通過犧牲一定的傳輸效率來換取可靠性的，我們通過公式（5）計算了隨著縮放因子v的變化，信源熵值的變化，其曲線如圖11所示。

4 ?結論

為了研究概率整形技術在ka波段衛星通信中的效果，本文對16QAM概率整形的方案、傳統16QAM方案、QPSK方案在衛星通信當中的效果進行了仿真。通過MATLAB仿真得到了各傳輸方式在不同天氣情況下傳輸的誤符號率性能。結果表明，16QAM概率整形方案可以有效地提高衛星通信的可靠性，帶來一定的信噪比增益。在晴天、間歇性小雨、多云的天氣條件下，當16QAM的可靠性不能滿足需求時，可以采用16QAM概率整形的方案來達到誤碼率要求。但在雨天、雷雨天氣下，概率整形16QAM方案無法進一步的提高傳輸效果，這時需要更換調制格式，采用低階的調制如QPSK等來保證可靠性。

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