寬帶衛(wèi)星通信中的ACM技術(shù)

吳 濤 ，張 健2，劉愛軍

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.中國電子設(shè)備系統(tǒng)工程公司研究所，北京 100141)

1 引 言

隨著市場的需求和技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)使用了10余年的衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-S已經(jīng)不能滿足市場的需要。2004年，ETSI(歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織)批準(zhǔn)了新的衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)——DVB-S2。

DVB-S2著重體現(xiàn)了3個核心理念：最佳的傳輸性能、系統(tǒng)的靈活性、合理的用戶接收復(fù)雜度[1]。

與DVB-S相比，DVB-S2提供幾乎達(dá)到香農(nóng)極限(距離僅0.7～1 dB)的前向糾錯編碼方案；同時與DVB-S固定的編碼調(diào)制方案相比，新標(biāo)準(zhǔn)提供了多達(dá)28種的調(diào)制編碼方式(以下簡稱MODCOD)，支持3種(DVB-S僅支持一種)滾降因子，可以提供更高的頻譜利用率。同時DVB-S2也是一個非常靈活的標(biāo)準(zhǔn)，不再局限于支持MPEG-TS流(MPEG Transport Stream)的交互式應(yīng)用，還支持普通流(Generic Stream, GS)的交互式應(yīng)用,如連續(xù)的比特流、IP包、ATM包等；可以根據(jù)信道條件和用戶需要為不同的業(yè)務(wù)提供不同的錯誤保護(hù)級別；采用了自適應(yīng)編碼調(diào)制(ACM)技術(shù)的DVB-S2系統(tǒng)，傳輸容量可以增加30%以上。特別是在交互式點(diǎn)對點(diǎn)應(yīng)用時，衛(wèi)星容量可以增加100%～200%[2]。

目前DVB-S2系統(tǒng)的編碼調(diào)制方案較復(fù)雜[2]。本文根據(jù)用戶實(shí)際接收條件，提出編碼調(diào)制方案的簡化方案。實(shí)驗結(jié)果表明，編碼調(diào)制方案從28種降低到8種時，對系統(tǒng)性能的影響幾乎可以忽略，極大地降低了ACM的控制復(fù)雜度。

2 ACM技術(shù)的背景

作為DVB-S2的核心技術(shù)，ACM能夠根據(jù)信道條件自適應(yīng)地改變信號的編碼調(diào)制方式和錯誤保護(hù)級別。DVB-S中的鏈路預(yù)算對所有用戶采用統(tǒng)一的編碼調(diào)制方案，為了保證處于嚴(yán)重衰落信道條件下用戶的通信(這種情況在一年之中可能僅有幾十分鐘)，每條鏈路都留有一定“裕量”，從而浪費(fèi)了寶貴的通信資源。ACM能夠根據(jù)不同用戶的信道條件，為其配置不同的MODCOD，充分利用“裕量”，從而大幅提高系統(tǒng)性能。

2.1 衰落信道

衛(wèi)星信道衰落的原因主要有以下幾點(diǎn)：

(1)大氣損耗。從Ku頻段開始，特別是在Ka和更高的頻段，大氣損耗將會導(dǎo)致很嚴(yán)重的傳播損耗，例如雨衰、電離層損耗[3]；

(2)天線增益。多波束衛(wèi)星天線的增益隨著地理位置而變化，例如：波束中心峰值天線增益比波束邊緣覆蓋地區(qū)高5 dB，這會導(dǎo)致位于不同地理位置用戶信道條件的差異。

2.2 ACM原理

ACM衛(wèi)星鏈路原理如圖1所示，包括網(wǎng)關(guān)(Gateway,GW)、ACM DVB-S2調(diào)制器、上行鏈路中心站、在軌衛(wèi)星、衛(wèi)星接收終端(Satellite Receiving Terminal, ST)，衛(wèi)星接收終端通過回傳信道連接至網(wǎng)關(guān)，構(gòu)成ACM的閉環(huán)。ACM的工作機(jī)制如圖1所示[4]。

圖1 DVB-S2中的ACM鏈路Fig.1 The ACM link of DVB-S2

(1)ST接收到衛(wèi)星信號后，通過回傳信道向GW發(fā)送鏈路質(zhì)量報告，內(nèi)容包括信號噪聲加干擾比值(Signal to Noise plus Interference Ratio, SNIR)和ST支持的頻譜效率最高的MODCOD。ST一般周期地向GW發(fā)送鏈路質(zhì)量報告，出于減少回傳信道開銷的考慮,ST可以僅在需要改變MODCOD時才向GW發(fā)送信息；

(2)收到鏈路質(zhì)量報告后，GW為發(fā)往ST的數(shù)據(jù)選擇編碼調(diào)制方案。在信道條件惡劣的情況下，GW采用保護(hù)性較強(qiáng)的MODCOD，保證鏈路的可用性；而在信道條件較好的時候，則使用頻譜效率高的MODCOD；

(3)為防止在信道條件惡劣時出現(xiàn)信息“溢出”，ACM使用信源速率控制技術(shù)。當(dāng)信源和網(wǎng)關(guān)配置靠近時，GW將根據(jù)SNIR直接控制信源速率；當(dāng)信源距離網(wǎng)關(guān)很遠(yuǎn)時，GW將根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量控制信源速率。

3 MODCOD

DVB-S2中提供了28種MODCOD方案，能為各種衰落條件的信道選擇適當(dāng)?shù)腗ODCOD。編碼調(diào)制手段的多元化，使ACM控制機(jī)制得以更好地運(yùn)作。ACM方案幾乎可以在各種信道條件下，保持鏈路具有良好的時間可用性和空間可用性，具有很好的信道適應(yīng)性。

實(shí)際應(yīng)用中MODCOD的方案數(shù)目可以適當(dāng)減少，主要有以下幾點(diǎn)原因：

(1)DVB-S2中的MODCOD設(shè)計是有缺陷的。圖2給出了在10-7的誤碼率條件下配置各MODCOD所需的SNIR門限[5]。從圖中可以看出，第12號MODCOD(以下MODCOD用其序號簡稱)比10和11好(頻譜效率相似，但所需Es/N0更低)；同樣地，18比16和17要好；而且，22和23，27和28之間的差別很小，都可以從MODCOD方案中各移除一種。經(jīng)過初選后的基本MODCOD方案為除去{10，11，16，17，23，28}的所有22種MODCOD(精簡方案不唯一)；

(2)巨大的MODCOD方案數(shù)目使無線電資源管理(Radio Resource Management, RRM)和前向鏈路調(diào)整變得復(fù)雜化，增加了GW的調(diào)整時間，不利于GW實(shí)時跟蹤信道的變化。因此，有必要在不犧牲系統(tǒng)性能的前提下，盡量減少M(fèi)ODCOD方案的數(shù)量。

圖2 DVB-S2中MODCOD在10-7的誤碼率下所需的Es/N0及對應(yīng)的頻譜效率Fig.2 Required Es/N0 for BER=10-7 versus spectral efficiency for MODCODs of DVB-S2

MODCOD數(shù)目的減少應(yīng)遵循以下原則：

(1)根據(jù)MODCOD的用戶使用分布來減少其數(shù)目；

(2)減小對通信系統(tǒng)性能的影響；

(3)為了使得ACM的控制機(jī)制能夠很好地工作，圖2曲線上入選的MODCOD必須按序號依次單調(diào)。

圖3給出了歐洲地區(qū)用戶的MODCOD使用分布[6](不包括已經(jīng)被移除的)，可以發(fā)現(xiàn)，MODCOD編號在9號以下使用的概率很小，只在惡劣的信道條件下才會使用，而這種情況出現(xiàn)的概率很小，因此初選后的MODCOD方案可以進(jìn)一步簡化。

圖3 MODCOD的使用分布Fig.3 MODCOD distribution

4 MODCOD數(shù)目的選擇

最終選定的MODCOD集合中元素的總數(shù)M影響系統(tǒng)通信量，所以必須設(shè)計方案來優(yōu)化M?；舅枷胧牵簩⒊踹x后的MODCOD劃分為若干個集合，每個集合取出SNIR門限最低的元素作為代表(保證該集合中全部元素的鏈路可用性)。當(dāng)該集合中任何元素被GW選中時，都會被映射成代表元素。

為了保證惡劣信道條件下鏈路的可用性，首先初始化集合只包含MODCOD 1。然后逐次選取MODCOD進(jìn)入集合，每次添加元素時，M增加1，進(jìn)行下一輪優(yōu)化。選取的元素要保證總體頻譜效率ηt在該M下達(dá)到最佳。這個過程可以用以下等式表示：

(1)

(2)

該方法可以得出在給定M時MODCOD集合中的最佳代表元素(總體頻譜效率ηt最大意義下)。隨著M的增大，更多的元素選進(jìn)集合。通過上述優(yōu)化方法選取代表元素到集合的次序為1 14 13 15 12 16 8 4 9 5 7 6 2 3。

當(dāng)然，這種優(yōu)化會損失頻譜效率。頻譜效率的損失如圖4所示。

圖4 不同的MODCOD集合大小下頻譜的效率Fig.4 Spectral efficiency for different MODCOD subset size

從圖4中可以看出：即使M=4，頻譜效率達(dá)到98%以上，即損失也沒有超過2%；當(dāng)M=8時，頻譜效率接近100%，損失幾乎可以忽略不計。由此可以證明：在實(shí)際應(yīng)用中這種方案可以在幾乎沒有影響系統(tǒng)性能的前提下，減小DVB-S2本身的缺陷，大大簡化了ACM控制機(jī)制的復(fù)雜度，加快了GW跟蹤信道變化的速度。

5 結(jié) 論

本文論述了采用ACM技術(shù)的DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)，將極大提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)的平均系統(tǒng)容量，而且具有更高鏈路時間可用性和空間可有性；根據(jù)現(xiàn)階段的用戶實(shí)際接收條件，提出了ACM控制機(jī)制的簡化方案。仿真結(jié)果表明：該方案能夠?qū)⒕幋a調(diào)制方案從28種降低到8種以下；當(dāng)M=8時，頻譜效率接近100%，在幾乎不影響系統(tǒng)性能的前提下，極大地簡化ACM控制機(jī)制的復(fù)雜程度，為自適應(yīng)衛(wèi)星通信中ACM技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

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