茍曉剛，董銀虎，潘申富

(1.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050081;2.石家莊國(guó)耀電子科技有限公司，河北石家莊 050035)

0 引言

衛(wèi)星通信以其獨(dú)特的空間、地域優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)通信保障和非戰(zhàn)狀態(tài)下應(yīng)急通信的有效手段。為了更好地利用有限的頻率資源，衛(wèi)星通信系統(tǒng)都會(huì)利用網(wǎng)管中心對(duì)頻率進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度管理，上行鏈路采用頻分(FDMA)、時(shí)分(TDMA)和碼分(CDMA)復(fù)用的方式支持多用戶共用同一個(gè)信道。下行鏈路為了避免多載波工作的互調(diào)干擾，一般采用時(shí)分多路(TDM)的廣播方式使每個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶都可以接收到。

在這種使用方式下，中心站通過配置交換機(jī)的路由表，對(duì)通信網(wǎng)的頻率或時(shí)隙資源進(jìn)行管理和分配，根據(jù)地面站的業(yè)務(wù)申請(qǐng)，在上行鏈路預(yù)先分配帶寬或時(shí)隙，并采用固定的調(diào)制編碼方式建立信道;在下行鏈路使用固定帶寬，所有時(shí)隙采用固定不變的調(diào)制編碼方式。地面站的業(yè)務(wù)可以來自地面網(wǎng)絡(luò)或IP業(yè)務(wù)終端。

這種使用方式將面臨3個(gè)問題:①網(wǎng)內(nèi)有多種站型時(shí)，為保證最小能力的站正常工作，其他站的傳輸能力被浪費(fèi);②Ku、Ka頻段受雨衰影響大。對(duì)于QPSK等恒包絡(luò)體制，功放能夠工作在接近飽和點(diǎn)處，可以有效地抵抗雨衰的影響，但是傳輸效率偏低。對(duì)于16APSK等高階調(diào)制方式，傳輸效率很高，但是需要的信噪比也較高，而且需要功放在線性區(qū)工作，受雨衰影響較大;③對(duì)于IP業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)流量的變化范圍較大，如果采用固定的傳輸帶寬和通信體制，在業(yè)務(wù)量變小的時(shí)候，造成系統(tǒng)資源浪費(fèi);在業(yè)務(wù)量變大的時(shí)候，由于信道傳輸能力的限制，而產(chǎn)生擁塞。

這些問題將導(dǎo)致衛(wèi)星實(shí)際使用效率偏低的情況。目前來看，采用自適應(yīng)編碼調(diào)制(ACM)技術(shù)是解決上述問題的較好的方法。

1 ACM技術(shù)背景

ACM技術(shù)，首先被應(yīng)用在ETSI(歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織)的衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-S2中。其核心方法是接收站通過衛(wèi)星信號(hào)提取鏈路質(zhì)量信息(如信噪比)，并將該信息回傳到發(fā)送站，發(fā)送站根據(jù)鏈路質(zhì)量在預(yù)先規(guī)定的編碼調(diào)制方案中選擇合適的方式，保證鏈路的可用性［1］。

在DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)中，采用BCH碼和LDPC碼級(jí)聯(lián)的糾錯(cuò)編碼方案，支持 1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9 和 9/10 等多種編碼碼率，可采用的調(diào)制方式包括 QPSK、8PSK、16APSK和32APSK。能夠逐幀使用不同的糾錯(cuò)編碼和調(diào)制方式，傳輸效率得以大大提高。

由于DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)是為數(shù)字視頻廣播應(yīng)用制定的，自適應(yīng)調(diào)整沒有考慮適應(yīng)IP業(yè)務(wù)流量的變化，因此，如果將其應(yīng)用到衛(wèi)星通信網(wǎng)中，需要進(jìn)行以下適應(yīng)性改變:①設(shè)計(jì)自適應(yīng)調(diào)整的策略和流程，使得自適應(yīng)調(diào)整可以適應(yīng)業(yè)務(wù)流量的變化，同時(shí)，保證在雨衰發(fā)生時(shí)，通信盡量不中斷，即使發(fā)生通信中斷，也能夠快速恢復(fù);② 重新設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)以適應(yīng)透明點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和基于星上處理的模式下自適應(yīng)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2 自適應(yīng)調(diào)整策略

本文中默認(rèn)各站的發(fā)射功率是合適的，不需要進(jìn)行調(diào)整，自適應(yīng)調(diào)整的對(duì)象不包括發(fā)射功率。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整策略的討論。

在通信過程中，所有小站都不斷地對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行信噪比估計(jì)，并將估計(jì)結(jié)果反饋給中心站的網(wǎng)管。網(wǎng)管根據(jù)接收信噪比的變化，對(duì)小站的編碼調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)整，策略如下:

①某個(gè)小站的信道條件改善，信噪比變大時(shí)，調(diào)高編碼調(diào)制的檔位，降低帶寬或減少時(shí)隙的占用。

②信道條件惡化，信噪比變小時(shí)，在帶寬或時(shí)隙充足時(shí)，降低編碼調(diào)制檔位，同時(shí)增大帶寬或增加時(shí)隙滿足業(yè)務(wù)傳輸要求。在帶寬或時(shí)隙不足時(shí)，進(jìn)行本站的流量控制或在全網(wǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行資源重配置。

③在信道發(fā)生突發(fā)衰減時(shí)，小站估計(jì)SNR并反饋至發(fā)送端，發(fā)送端對(duì)調(diào)制編碼參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的時(shí)間為t，一般不超過500 ms。編碼調(diào)制方式的切換門限由式(1)決定:

式中，ν為雨衰的最大衰減速率，單位為dB/s，不同地區(qū)的降雨統(tǒng)計(jì)情況決定了ν的大小;ε為信噪比估計(jì)誤差補(bǔ)償，由估計(jì)算法的誤差決定。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)可靠性要求，針對(duì)不同的站設(shè)計(jì)不同的切換門限。

④由低檔向高檔切換應(yīng)相對(duì)緩慢，可以經(jīng)過多個(gè)中間檔位，而從高檔向低檔切換必須及時(shí)。

⑤在突發(fā)衰減變化量超過設(shè)計(jì)值時(shí)，通信可能產(chǎn)生中斷。此時(shí)，收發(fā)2端應(yīng)按照預(yù)案將調(diào)制編碼方式降到最低檔位，盡快恢復(fù)通信。

⑥對(duì)于透明點(diǎn)對(duì)點(diǎn)工作方式，信道的最大帶寬和可用功率已經(jīng)確定，ACM調(diào)整是按照業(yè)務(wù)流量最大原則，根據(jù)信噪比估計(jì)結(jié)果，盡量選擇高階的調(diào)制編碼方式。

⑦在組網(wǎng)應(yīng)用中，下行鏈路采用TDM方式，帶寬和發(fā)射功率是固定的，中心站網(wǎng)管根據(jù)各站的接收能力和雨衰情況，動(dòng)態(tài)配置各時(shí)隙的調(diào)制編碼方式，滿足業(yè)務(wù)流量要求。

3 自適應(yīng)調(diào)整流程

3.1 透明點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式

設(shè)計(jì)的透明點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 透明點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采用連續(xù)的突發(fā)結(jié)構(gòu)，每幀數(shù)據(jù)的起始位置為導(dǎo)播時(shí)隙，內(nèi)容包括信噪比估計(jì)值、本幀載荷數(shù)據(jù)的調(diào)制編碼方式以及載荷數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，導(dǎo)播時(shí)隙的編碼調(diào)制方式采用固定的最低階的QPSK+1/2LDPC組合，保證所有接收站都可以正確接收，從而能夠獲取后續(xù)數(shù)據(jù)載荷信息的調(diào)制編碼方式，數(shù)據(jù)載荷的調(diào)制編碼方式可變，數(shù)據(jù)段每隔2016 bit插入導(dǎo)頻字，輔助實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘和載波的相位跟蹤。

載荷信息的編碼調(diào)制方式是可以根據(jù)信道條件和業(yè)務(wù)流量而改變的，自適應(yīng)調(diào)整過程如圖2所示。

圖2 透明點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式工作流程

自適應(yīng)調(diào)整是由發(fā)送站根據(jù)接收站的信道估計(jì)結(jié)果和業(yè)務(wù)流量變化發(fā)起的，發(fā)送站的編碼調(diào)制方式改變時(shí)，接收站從接收的幀頭信息中獲取改變后的調(diào)制編碼方式，并改變本地的調(diào)制編碼方式，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整。

3.2 基于星上處理的TDM/TDMA方式

設(shè)計(jì)的TDM/TDMA模式幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 TDM/TDMA模式幀結(jié)構(gòu)

在入網(wǎng)前，小站通過接收衛(wèi)星信標(biāo)獲得本地信噪比估計(jì)值，由測(cè)距幀發(fā)送到中心站(測(cè)距幀采用固定調(diào)制方式，占用固定帶寬，并只在入網(wǎng)前發(fā)送)，中心站根據(jù)小站的鏈路和業(yè)務(wù)情況確定其調(diào)制編碼方式、占用帶寬和時(shí)隙，形成幀計(jì)劃，通過導(dǎo)播時(shí)隙下發(fā)給小站。小站按照幀計(jì)劃要求進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

TDM下行鏈路的自適應(yīng)調(diào)整流程也是由中心站發(fā)起的，小站將信道估計(jì)結(jié)果和業(yè)務(wù)流量變化情況通過業(yè)務(wù)幀上傳到中心站，中心站根據(jù)TDM時(shí)隙資源情況和TDMA上行數(shù)據(jù)量的變化，決定新的幀結(jié)構(gòu)排列，確定改變后的小站數(shù)據(jù)在幀結(jié)構(gòu)中的位置、調(diào)制編碼方式和占用時(shí)隙的數(shù)量。接收站根據(jù)導(dǎo)播時(shí)隙的信息獲取到以上信息，并自適應(yīng)地改變接收參數(shù)，實(shí)現(xiàn)ACM。

小站在入網(wǎng)和正常工作過程中的自適應(yīng)調(diào)整流程是不同的，具體表現(xiàn)在:

(1)入網(wǎng)過程

轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬充足時(shí)，新入網(wǎng)的載波在可用的調(diào)制編碼方式中選擇功率譜密度最低的低階調(diào)制方式。

轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬緊張但功率充足時(shí)，新入網(wǎng)的載波在可用的調(diào)制編碼方式中選擇帶寬占用最小的高階調(diào)制方式。

在星上轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和功率都不足時(shí)按照帶寬優(yōu)先，中心站自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整軟件依據(jù)圖4的流程進(jìn)行操作。

圖4 帶寬和功率不足時(shí)的自適應(yīng)調(diào)整

在流程中，中心站按照載波占用帶寬從大到小的順序，利用數(shù)學(xué)運(yùn)算的方式，虛擬調(diào)整調(diào)制編碼方式，嘗試降低各載波的帶寬占用。如果這種調(diào)試可以達(dá)到目的，中心站將按照虛擬結(jié)果重新配置各載波的調(diào)制編碼方式，完成新站的入網(wǎng);如果不能滿足新站的入網(wǎng)要求，中心站嘗試2種解決方法:

①按照預(yù)先規(guī)定的優(yōu)先級(jí)規(guī)則，強(qiáng)迫優(yōu)先級(jí)低的站進(jìn)行流量控制，直至退網(wǎng)，或者禁止新站入網(wǎng);

②通知新站最大可用帶寬，要求新站進(jìn)行流量控制，降低帶寬要求。

通過以上流程，小站開始正常的通信過程。

(2)工作過程中

中心站自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整軟件流程如圖5所示。

圖5 工作過程中的自適應(yīng)調(diào)整

在流程中，中心站不斷地查詢各小站的接收信噪比，根據(jù)信噪比變化和帶寬或時(shí)隙占用情況確定合適的調(diào)制編碼方式。

采用本文設(shè)計(jì)的幀結(jié)構(gòu)，在實(shí)際調(diào)試過程中，結(jié)合現(xiàn)有的突發(fā)信號(hào)解調(diào)技術(shù)，在調(diào)制編碼方式已知，誤碼率小于1×10-4情況下，同步頭長(zhǎng)度為180個(gè)，即可以保證解調(diào)器能夠跟蹤調(diào)制器的編碼調(diào)制變化，實(shí)現(xiàn)逐幀可變的自適應(yīng)接收。

4 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在使用效率不高的問題，在透明點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和組網(wǎng)應(yīng)用中，引入ACM技術(shù)，通過重新設(shè)計(jì)自適應(yīng)調(diào)整策略和流程以及幀結(jié)構(gòu)，并確定自適應(yīng)調(diào)整門限值的計(jì)算方法，使得ACM技術(shù)可以在新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。

［1］MORELLO A，REIMERS U.DVB-S2，The Second Generation Standard for Satellite Broadcasting and Unicasting ［J］.InternationalJournalofSatellite Communications and Networking，2004，22(3):249-268.

［2］ADAS A.Traffic Models in Broadband Networks ［J］.Communications Magazine，IEEE，1997，35(7):82-89.

［3］BONUCCELLI M A，GOPAL I，WONG C K.Incremental Time-slot Assignment in SS/TDMA Satellite Systems［J］，1991，39(7):1147-1156.

［4］ETSITR 102376，User Guidelines for the Second Generation System for Broadcasting，Interactive services，News Gathering and Other Broadband Satellite Applications(DVB-S2)［S］，2005.

［5］ETSIEN 301192，DVB Specification for Data Broadcasting［S］，1997.

［6］JIMENEZ I，AMERHIS MORENO I.An Interactive Regenerative Satellite Network for Mesh Communications.Operation and Applications［C］∥San Diego，California:AIAA，2006:1-7.