低軌衛星網絡中的自適應調制解調方案設計與實現

摘要：低軌衛星網絡因其覆蓋范圍廣、延遲低而成為現代通信的重要組成部分。然而，動態信道條件對通信質量的影響使得傳統調制解調技術面臨挑戰。文章通過分析現有自適應調制解調方案的不足，提出了一種基于實時信道評估的自適應調制方法并優化了解調算法，旨在提高低軌衛星網絡中的數據傳輸效率和可靠性，為低軌衛星網絡的應用提供技術參考。

關鍵詞：低軌衛星網絡；自適應調制；解調算法；通信質量

中圖分類號：TN927" 文獻標志碼：A

0 引言

低軌衛星網絡（Low Earth Orbit， LEO）因低延遲和全球覆蓋的特點，在通信領域展現出巨大的應用前景。低軌衛星比傳統的高軌衛星更靠近地面，特別是在物聯網、遠程教育、應急通信等場景下，能提供更快的數據傳輸速度，通信時延更低。但是，低軌道衛星網絡也面臨著一些挑戰，特別是動態信道條件對通信質量的影響。傳統的調制解調技術很難適應這種動態變化，因為低軌衛星的高速運動、多普勒效應和遠近效應，導致通信質量和可靠性下降，從而導致信道狀態信息（Channel State Information，CSI）變化頻繁。針對這些問題，本文提出了適應調制解調的低軌衛星網方案，期望能為今后優化發展低軌衛星網提供借鑒。

1 低軌衛星網絡中的主要問題

當前的調制解調技術在低軌衛星網絡中面臨多方面的局限性：（1）傳統的調制解調技術多適用于靜態或緩慢變化的信道環境，而在低軌衛星網絡中，由于衛星的高速運動和多普勒效應，信道狀態信息（CSI）頻繁變化，傳統的調制方式難以適應這種動態環境，導致通信質量和可靠性下降；（2）現有的調制解調技術在不同信道條件下的表現各異，單一的調制方式無法滿足多樣化的通信需求，特別是在復雜的多路徑傳播和干擾環境下，性能下降更為明顯；（3）現有的自適應調制解調方案雖然能夠在一定程度上調整調制方式和傳輸速率，但在靈活性和實時性方面仍有不足，無法快速響應信道狀態的變化；（4）傳統的調制解調技術在處理高數據速率傳輸時，對硬件資源的要求較高，增加了系統的復雜性和成本^［1］。因此，為了解決這些局限性，需要開發新的自適應調制解調技術，以提高低軌衛星網絡的通信性能和可靠性。

2 自適應調制解調方案設計

2.1 自適應調制方法選擇

2.1.1 調制方式的選擇機制

在低軌衛星網絡中，調制方式的選擇機制是自適應調制解調方案的核心部分，主要通過導頻信號和快速傅里葉變換（FFT）等方法實時獲取信道狀態信息（CSI），包括信噪比（SNR）、信道增益和時延擴展等參數。這些參數能夠全面反映當前信道的傳輸特性。根據獲取的CSI，評估不同調制方式的適用性。常用的調制方式包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM等。每種調制方式在不同的信道條件下有不同的性能表現。例如，BPSK適用于低信噪比的惡劣信道條件，而16QAM和64QAM適用于高信噪比的良好信道條件。計算每種調制方式在當前信道條件下的性能指標，如誤碼率（BER）、吞吐量和傳輸延遲等，進而量化不同調制方式的優劣。根據性能指標的綜合評估，選擇最優的調制方式。選擇標準可以根據實際需求進行調整，例如在高可靠性的應用場景中，優先選擇誤碼率低的調制方式；在高數據速率的應用場景中，優先選擇吞吐量高的調制方式^［2-3］。系統定期或根據信道變化情況動態調整調制方式，確保通信系統始終處于最佳工作狀態。通過實時監測和反饋機制，及時發現信道變化并進行調制方式的切換，提高系統的適應性和穩定性。

2.1.2 自適應速率控制策略

在低軌衛星網絡中，基于信道狀態信息（CSI）的自適應速率控制策略，能夠確保通信系統在動態信道條件下高效、可靠運行，具體控制框架如圖1所示。

2.2 解調算法優化

2.2.1 誤差控制與糾錯技術

在低軌衛星網絡中，采用了前向糾錯（FEC）和自動重傳請求（ARQ）相結合的綜合糾錯策略。接收端可以利用這些冗余信息對傳輸過程中產生的錯誤進行糾正；在發送端添加冗余信息。常用的FEC編碼方法有卷積碼、圖博碼、低密度奇偶校驗碼（LDPC）。其中，LDPC碼尤其適用于低軌衛星網絡的應用，因為它具有出色的糾錯性能和較低的解碼復雜度。LDPC代碼的譯碼流程通常采用置信傳播（BP）算法，通過對譯碼的迭代來逐步修正錯誤。當接收端偵測到錯誤時，就會發出重發請求，要求傳送端將數據重新發送一遍。突發的錯誤ARQ可以得到有效的糾正，但是傳輸延遲卻會增加。采用混合ARQ（HybridARQ）方案，結合FEC和ARQ的優點，實現高效的數據傳輸，以平衡糾錯能力和傳輸效率。通過對編碼、譯碼算法的優化，使糾錯工作更加高效。例如，通過調整校驗矩陣的結構和譯碼算法的參數，可以優化LDPC碼的譯碼性能。常用的性能考核指標包括BER（誤差率）和FER（幀誤差率）2個指標。計算LDPC碼的譯碼性能的公式如下：

Pe=12erfcEbN0·R·d2min

其中，Pe表示誤碼率；erfc（x）是互補誤差函數；Eb/N0是每比特能量與噪聲功率譜密度之比；R是碼率；dmin是碼字的最小漢明距離。

2.2.2 解調性能提升策略

將復雜的調制信號逐級分解，逐步恢復原始數據，以提高在低軌衛星網中解調算法的性能。例如，對于16QAM、64QAM這樣的高階調制方法，可以通過細粒度的相位、幅度校正等方式，先進行大致的符號檢測，然后再逐步提高解調精度。在解調的過程中，將2種方法結合起來，即軟判與硬判。軟判斷提供的信息量更大，對提高解碼器糾錯能力有很大幫助；硬判詞，使解調過程簡單化，速度得到提高。軟硬判斷比例的合理分配，使業績與復雜度達到平衡。通過多次迭代，逐步優化解調結果，采用迭代解調和譯碼技術。解調器和譯碼器在每一次迭代過程中互相傳遞信息，使誤碼率逐漸降低^［4-5］。例如，Turbo代碼和LDPC代碼的解碼過程通常采用迭代譯碼算法，將錯誤通過多次迭代的方式逐漸糾正過來，誤碼率可以表示為：

Pe=12erfcEbN0

其中，Pe為誤碼率，Eb為每比特能量，N0為噪聲功率譜密度。通過降低誤碼率，可以顯著提升系統的解調性能。針對多普勒頻移和多路徑效應的影響，通過精確的信道估計予以補償并動態調整解調參數。實時估計信道狀態，采用導頻信號和快速傅里葉變換（FFT）等方法，提高解調性能。采用自適應濾波器、干擾抑制算法等抗干擾技術，降低外界干擾對解調性能的沖擊。濾波器參數動態調整，通過對干擾信號的實時監測和分析，提高系統的抗干擾能力。濾波器的輸出信號y［n］可以表示為：

y［n］=∑M-1k=0h［k］·x［n-k］

其中，h［k］為濾波器系數，x［n-k］為輸入信號，M為濾波器階數。通過調整h［k］，可以抑制干擾信號，從而增強系統的解調性能。

3 自適應調制解調方案實現

3.1 系統架構設計

為了實現低軌衛星網絡中的自適應調制解調方案，設計了一個高效、靈活的系統架構，主要包括如圖2所示幾個模塊。

信道狀態信息（CSI）獲取模塊通過導頻信號和快速傅里葉變換（FFT）實時獲取信道的信噪比（SNR）、信道增益和時延擴展等參數。調制方式選擇模塊根據CSI評估結果，選擇最優的調制方式。該模塊通過計算不同調制方式在當前信道條件下的性能指標（如誤碼率BER、吞吐量和傳輸延遲），選擇綜合評分最高的調制方式。自適應速率控制模塊根據CSI評估結果，動態調整通信速率。該模塊通過實時監測信道變化，動態選擇最合適的速率等級，確保系統始終處于最佳工作狀態。解調與糾錯模塊對接收到的信號進行解調和糾錯，采用多級解調、軟判決與硬判決結合、迭代解調與譯碼等技術，提高解調精度和糾錯能力^［6］。控制系統負責系統的協調和管理，確保各模塊之間的無縫銜接和高效協同工作，同時處理用戶的請求和反饋。

3.2 硬件與軟件實現

為了實現低軌衛星網絡中的自適應調制解調方案，系統主要包括高性能DSP（數字信號處理器）、FPGA（現場可編程門陣列）、高速ADC（模數轉換器）和DAC（數模轉換器）。DSP負責復雜的信號處理和算法運算，FPGA用于實現高速數據傳輸和實時控制，ADC和DAC用于信號的模數和數模轉換，確保信號的高質量傳輸。

在軟件方面，系統采用模塊化設計，主要包括以下幾個部分：（1）CSI獲取模塊，編寫高效的信道狀態信息（CSI）獲取算法，通過導頻信號和快速傅里葉變換（FFT）實時獲取信道參數；（2）調制方式選擇模塊，開發調制方式選擇算法，根據CSI評估結果選擇最優的調制方式，確保通信質量；（3）自適應速率控制模塊，編寫自適應速率控制算法，根據實時信道變化動態調整通信速率，提高系統的靈活性和適應性；（4）解調與糾錯模塊，實現多級解調、軟判決與硬判決結合、迭代解調與譯碼等算法，提高解調精度和糾錯能力；（5）控制系統，開發控制系統軟件，負責各模塊的協調和管理，確保系統的穩定運行，并處理用戶的請求和反饋。

4 方案性能評估

4.1 自適應調制解調方案測試方法

為了評估自適應調制解調方案的性能，搭建了一個模擬低軌衛星網絡的實驗平臺，包括發射端和接收端的硬件設備，如高性能DSP、FPGA、高速ADC和DAC。實驗平臺還配備了可調節的信道仿真器，用于模擬多普勒效應、多路徑傳播和噪聲等動態信道條件。使用導頻信號和快速傅里葉變換（FFT）方法，實時采集信道狀態信息（CSI），包括信噪比（SNR）、信道增益和時延擴展等參數。根據獲取的CSI，運行調制方式選擇算法，選擇最優的調制方式。記錄不同信道條件下的調制方式選擇結果。根據實時信道狀態，動態調整通信速率。記錄不同信道條件下的速率調整過程和結果。對接收到的信號進行解調和糾錯處理，采用多級解調、軟判決與硬判決結合、迭代解調與譯碼等技術，記錄解調和糾錯的性能指標，如誤碼率（BER）和吞吐量。通過控制系統軟件，實時監測各模塊的運行狀態，記錄系統的工作日志和性能數據。

4.2 系統性能分析

自適應調制解調方案在低軌衛星網絡中表現出色，具體如表1所示。

在靜態信道條件下，系統采用QPSK調制，信噪比為15 dB，通信速率為1000000 bps，誤碼率僅為1×10^-5，吞吐量達到950000 bps，延遲為10 ms，表明系統在理想條件下具有高穩定性和低延遲。在動態信道（多普勒效應）條件下，系統選擇16QAM調制，信噪比為20 dB，通信速率為2000000 bps，誤碼率為5×10^-6，吞吐量為1900000 bps，延遲為15 ms，顯示了良好的動態適應性和高吞吐量。在多路徑傳播信道中，系統采用BPSK調制，信噪比為10 dB，通信速率為500000 bps，誤碼率為2×10^-5，吞吐量為480000 bps，延遲為12 ms，表明系統在復雜信道條件下仍能保持較低的誤碼率。在高噪聲信道中，系統采用QPSK調制，信噪比為5 dB，通信速率為800000 bps，誤碼率為1×10^-4，吞吐量為750000 bps，延遲為18 ms，顯示了較強的抗噪能力。在綜合信道條件下，系統采用16QAM調制，信噪比為18 dB，通信速率為1500000 bps，誤碼率為7×10^-6，吞吐量為1400000 bps，延遲為20 ms，表明系統在多種復雜信道條件下的綜合性能良好。

5 結語

針對低軌衛星網絡中的動態信道條件，本文設計了一種高效靈活的系統架構。通過實時獲取信道狀態信息并根據信道中特性對調制方式和通信速率進行動態調整，實現了信號的可靠傳輸與優化，為今后發展衛星通信技術奠定了基礎。該方案在提高通信質量、降低誤碼率和增強系統抗干擾能力方面取得了顯著的效果。后續的研究可進一步探索智能算法在調制和解調過程中的應用，以提升系統的自適應能力和智能化水平。

參考文獻

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（編輯 沈 強）

Design and implementation of adaptive modulation and demodulation scheme in low orbit satellite network

ZHOU" Shilei， WANG" Li’nan*

（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract：" Low orbit satellite network has become an important part of modern communication because of its wide coverage and low delay. However， the influence of dynamic channel conditions on communication quality makes the traditional modulation and demodulation techniques face challenges. In this paper， an adaptive modulation method based on realtime channel evaluation is proposed to improve the efficiency and reliability of data transmission in loworbit satellite networks， and to provide technical reference for the application of loworbit satellite networks.

Key words： loworbit satellite network; adaptive modulation; demodulation algorithm; communication quality