ACM技術(shù)在衛(wèi)星通信IP網(wǎng)互聯(lián)中的應(yīng)用

羅 毅

（中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局，陜西西安 710001）

0 引 言

Internet在生活中被越來越廣泛地應(yīng)用，且網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加快了發(fā)展步伐。在對(duì)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)或升級(jí)改造時(shí)，使用IP技術(shù)已經(jīng)成為第一選擇。因?yàn)镮P技術(shù)在傳輸數(shù)據(jù)方面具有眾多優(yōu)勢(shì)，如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較開放、互聯(lián)互通性能良好、使用的網(wǎng)絡(luò)接口整齊劃一、用戶可以靈活接入、可以自動(dòng)查詢網(wǎng)絡(luò)地址等。當(dāng)前，IP技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用到眾多領(lǐng)域，包括航天測(cè)控在內(nèi)的領(lǐng)域也已開始使用IP技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。IP協(xié)議在封裝數(shù)據(jù)分組方面會(huì)消耗大量字節(jié)，有些使用專用網(wǎng)絡(luò)但并沒有太多業(yè)務(wù)量。為了能夠滿足其服務(wù)質(zhì)量要求，雖然IP化傳輸在傳輸過程中也會(huì)增加帶寬的數(shù)量，但是與專線電路相比，并不會(huì)造成一些與其他以光纖為互聯(lián)方式形成的類似問題。航天測(cè)量船經(jīng)常會(huì)因?yàn)樾l(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器而造成資源緊張的局面，甚至已經(jīng)造成IP網(wǎng)互聯(lián)提前進(jìn)入瓶頸期，主要原因是傳輸帶寬的限制。所以，想要提高傳輸效率，滿足帶寬業(yè)務(wù)的需求，將衛(wèi)星通信技術(shù)與IP技術(shù)之間進(jìn)行有機(jī)結(jié)合勢(shì)在必行，但前提是要改進(jìn)原有技術(shù)且制作出優(yōu)化方案。

1 ACM技術(shù)工作原理

無線通信系統(tǒng)希望充分利用現(xiàn)有的寬帶資源提高系統(tǒng)內(nèi)的信道容量，衛(wèi)星通信也采取了相同的做法。傳統(tǒng)的通信技術(shù)為了提升系統(tǒng)的可靠性，一般會(huì)采用較高效的信道編碼，并且會(huì)以多進(jìn)制調(diào)制方式提高頻譜的利用率。因?yàn)榫幋a和調(diào)制方法都處于一種固定不變的狀態(tài)，一旦遇到鏈路條件惡劣的情況，只有系統(tǒng)余量充足才能保證通信正常，或者保證誤比特率（BER）的數(shù)值在正常范圍內(nèi)。保持信道條件穩(wěn)定是為了達(dá)到誤比特率的要求，如果信道條件惡化，必然會(huì)降低信噪比（SNR），信噪比下降到臨界值以下，便會(huì)降低系統(tǒng)性能。為了提高系統(tǒng)性能到原有水平，只能采取高效的抗衰落技術(shù)。

編碼調(diào)制工作模式的分類依據(jù)來源于發(fā)送端調(diào)制的編碼方案（MCS），根據(jù)其是否會(huì)發(fā)生變化可以分為恒定編碼調(diào)制（CCM）、可變編碼調(diào)制（VCM）以及自適應(yīng)編碼調(diào)制（ACM）[1]。恒定編碼調(diào)制使用最廣泛且操作簡(jiǎn)單；可變編碼調(diào)制適合在載波單一但包含信號(hào)較多的系統(tǒng)中使用；而自適應(yīng)編碼調(diào)制卻適用于載波單一、信號(hào)單一的系統(tǒng)。自適應(yīng)編碼調(diào)制在提高信道利用率方面采取了建立閉環(huán)控制系統(tǒng)的措施。該系統(tǒng)的工作理念是將信號(hào)發(fā)送至接收端，由接收端根據(jù)信號(hào)的質(zhì)量估計(jì)信道的實(shí)時(shí)情況，然后再將其傳送至發(fā)射端，發(fā)射端需要對(duì)編碼和調(diào)制方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)變更，以適應(yīng)信道狀態(tài)。由于無線信道產(chǎn)生了變化，接收機(jī)也需要及時(shí)更改與之對(duì)應(yīng)的一些數(shù)據(jù)，然后才能更好地利用信道資源，是在不增加信道帶寬的情況下真正提高鏈路吞吐量的最簡(jiǎn)潔途徑，且更改數(shù)據(jù)可以有效避免發(fā)生誤碼的情況，增強(qiáng)信道資源的抗干擾能力，提高頻譜的使用效率，長(zhǎng)期以往提高傳輸數(shù)據(jù)的服務(wù)質(zhì)量。自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)的主要作用是克服信道的時(shí)變性和對(duì)鏈路中的損耗進(jìn)行補(bǔ)償，所以信道質(zhì)量有所改變時(shí)并不一定要改變發(fā)射功率，只要改變發(fā)送端的編碼方案接口。想要使通信系統(tǒng)長(zhǎng)期處于可用狀態(tài)，必須控制好數(shù)據(jù)的傳輸速度。傳輸速度并不是隨意控制的，而是要根據(jù)信道的條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。高階的編碼方案只適用于質(zhì)量較好的信道，對(duì)一些質(zhì)量較差的信道，使用低階的編碼方案更穩(wěn)妥。

2 衛(wèi)星通信中的ACM技術(shù)

衛(wèi)星通信鏈路不但可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸信息，而且可以增大傳輸時(shí)延，實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋。當(dāng)電波與衛(wèi)星之間進(jìn)行傳播時(shí)，會(huì)遇到各種各樣的阻礙使電波衰減，不同地方還可能會(huì)影響到信號(hào)的強(qiáng)度。在這種復(fù)雜的信道條件下，建議使用ACM技術(shù)。

2.1 DVB-S2＿ACM技術(shù)

DVB-S2第二代傳輸標(biāo)準(zhǔn)在2005年發(fā)布，發(fā)布的主體是歐洲各國，并且將ACM技術(shù)作為了整個(gè)帶寬衛(wèi)星應(yīng)用的核心技術(shù)，以BCH碼級(jí)聯(lián)為編碼方式，支持多達(dá)11種編碼率，在調(diào)制方式上也支持QPSK、8PSK等28種，但是在應(yīng)用時(shí)編碼方案可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行縮減。使用DVB-S2＿ACM技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)有眾多要素構(gòu)成[2]，如DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)并不適用于所有的傳輸方式，僅僅能夠滿足類似于衛(wèi)星到用戶小站的傳輸距離。所以，信息從用戶小站出來直至到達(dá)信關(guān)站的反饋信道需要用到其他標(biāo)準(zhǔn)。DVB-S2＿ACM技術(shù)在數(shù)字視頻廣播領(lǐng)域使用較為廣泛，一些雙向交互業(yè)務(wù)也會(huì)采用這一技術(shù)?？梢?，該技術(shù)在大型公用寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)方面更具優(yōu)勢(shì)。

2.2 DVB-S2＿ACM技術(shù)的性能

根據(jù)DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)制定的方案，更適用于一些數(shù)據(jù)廣播和高速數(shù)據(jù)應(yīng)用。由于該技術(shù)在編碼輸出上相對(duì)固定，所以FEC中包含的比特?cái)?shù)是固定的，意味著一個(gè)編碼方案將會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)符號(hào)數(shù)。在這種情況下，要十分注意同步問題，且在調(diào)節(jié)的復(fù)雜程度上有所增加。當(dāng)信噪比（SNR）的數(shù)值偏低時(shí)，對(duì)于跟蹤一些高階調(diào)制的載波會(huì)有所困難。為了能夠繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行跟蹤，需要及時(shí)添加一些引導(dǎo)符號(hào)。如果選擇的編碼方案是更低階的，編碼時(shí)延反而會(huì)隨著吞吐量的降低而增加。有些IP應(yīng)用本來需要處于一種低速條件，比如話音。為了能夠讓設(shè)備的生產(chǎn)商對(duì)編碼方案自行定義一個(gè)幀頭信道用于向發(fā)送端回傳信噪比（SNR），DVB-S2估計(jì)將這一部分設(shè)置了留白。所以，一般情況下，自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)（ACM）并沒有統(tǒng)一的使用標(biāo)準(zhǔn)，每一項(xiàng)技術(shù)都屬于各自所擁有的。在對(duì)信噪比（SNR）進(jìn)行報(bào)告時(shí)，還需要占用一個(gè)寬帶。由于預(yù)先計(jì)算的編碼率并沒有將其納入其中，導(dǎo)致了實(shí)際的頻譜效率會(huì)低于預(yù)期。如果忽略衛(wèi)星鏈路的傳播時(shí)延，自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)系統(tǒng)在時(shí)延情況最糟糕的情況下，編碼方案對(duì)應(yīng)的編碼時(shí)延也不會(huì)低于20 ms。如果保持其他數(shù)據(jù)固定不變，那么編碼時(shí)延和數(shù)據(jù)速率之間將成反比關(guān)系。

3 衛(wèi)星通信IP網(wǎng)中ACM技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 可行性分析

現(xiàn)階段，我國的岸船間進(jìn)行通信基本都采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙星衛(wèi)星電路方式，具體包括數(shù)據(jù)、話音、圖像3種業(yè)務(wù)類型。話音業(yè)務(wù)在傳輸上依然沿用專線電路傳輸方式，與原有方式的不同之處是雙星衛(wèi)星在傳輸過程中會(huì)經(jīng)歷一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器。增加該裝置的目的是共同將信息接入IP網(wǎng)。衛(wèi)星通信的基本工作模式是恒定編碼調(diào)制（CCM），一般以QPSK對(duì)其進(jìn)行調(diào)制、碼率為3/4的Turbo乘積碼（TPC）。對(duì)傳輸時(shí)延也提出了具體要求，端到端的IP業(yè)務(wù)在傳輸信息時(shí)不能超過400 ms。為了使比特率（BER）的數(shù)值優(yōu)于10且有較大的功率余量，必須確保接收端的Eb與N0的比值在10 dB之間。通過與TPC所需的Eb/N0的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，能夠顯著提高鏈路吞吐量的方式是將余量轉(zhuǎn)化為通信能力[3]。實(shí)驗(yàn)研究表明，鏈路速率在實(shí)際開通中可以完全可以超過64 kb/s，也就是說即使設(shè)計(jì)的方案完全合理，編碼時(shí)延也可能會(huì)發(fā)生大幅降低，從而達(dá)到端到端業(yè)務(wù)在傳輸過程中時(shí)延小于400 ms的條件。所以，想要在原有的指標(biāo)要求下提高頻譜利用率，可以選擇ACM為主要的工作模式。但是，在通信雙方衛(wèi)通的選擇上會(huì)有所要求，需要使用CDM625型的MODEM。

3.2 ACM工作過程

通過IP網(wǎng)互聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)通站A到衛(wèi)通站B的單向鏈路。具體的工作流程為：當(dāng)衛(wèi)通站A處于陽光明媚的天氣時(shí)，衛(wèi)通站B可以在信噪比（SNR）狀態(tài)最大時(shí)接收到信號(hào)，然后在以編碼方案（MCS）為計(jì)算依據(jù)算出Eb/N0；該數(shù)值經(jīng)由衛(wèi)通站B反饋給衛(wèi)通站A，由ACM控制器與編碼方案（MCS）中的比特率（BER）進(jìn)行比較，然后對(duì)編碼方案（MCS）進(jìn)行選擇，使用的編碼方面（MCS）越高階，對(duì)應(yīng)的比特率（BER）Eb/N0的數(shù)值越高，但是衛(wèi)通站B用于接受信號(hào)的Eb/N0的數(shù)值會(huì)降低，只有將Eb/N0的數(shù)值調(diào)整到相近，且余量不能夠繼續(xù)支出其使用更高階的編碼方案（MCS）時(shí)，才能夠使最終的鏈路吞吐量達(dá)到最大；當(dāng)衛(wèi)通站A處于雨水天氣時(shí)，衛(wèi)通站B接收信號(hào)的信噪比（SNR)以及Eb/N0都會(huì)降低，比特率（BER）便不能夠與衛(wèi)通站B傳回的Eb/N0相匹配，這時(shí)ACM控制器便會(huì)選擇低階的編碼方案（MCS），衛(wèi)通站B再次接收到的信號(hào)Eb/N0也會(huì)隨之提高，然后可以有效改善鏈路的性能。

3.3 注意事項(xiàng)

雖然CDM625型MODEM可以滿足各種用戶提出的不同要求，但是如果將其應(yīng)用于航天測(cè)量船和任務(wù)中心間的相互通信，還需注意以下要求。

3.3.1 緩存器大小應(yīng)設(shè)置在一個(gè)合理的范圍內(nèi)

CDM625在廣域太網(wǎng)口中設(shè)置緩存器的目的是及時(shí)進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)編碼方案造成的鏈路吞吐量的變化，以防數(shù)據(jù)丟失。該緩存器根據(jù)低階MCS0進(jìn)行設(shè)置，合理范圍為20～780 ms，系統(tǒng)的時(shí)延也會(huì)隨著緩存器數(shù)值的變化而變化。如果將該緩存器用于岸船間的衛(wèi)星通信IP網(wǎng)互聯(lián)，為了滿足指標(biāo)要求，需要將緩存器的參數(shù)設(shè)置為20 ms。

3.3.2 端口不在限速

用衛(wèi)通電路對(duì)IP網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步時(shí)，一般會(huì)對(duì)路由器進(jìn)行端口限速，限速的標(biāo)準(zhǔn)是信道帶寬。CDM625可以通過自協(xié)商協(xié)議實(shí)現(xiàn)IP接口和本地網(wǎng)絡(luò)的共聯(lián)，在控制擁塞方面采取暫停幀的方式。這樣做是為了避免接口緩存器溢出，且使其長(zhǎng)期保持在75%～87%范圍內(nèi)。這樣無論是使用交換機(jī)還是路由器，都不會(huì)再受到傳輸速度的限制[4]。

3.3.3 編碼方案應(yīng)明確規(guī)定其調(diào)整范圍

一般編碼方案的自適應(yīng)范圍都是事先由工作人員定好的數(shù)值，MCS0代表最低階的編碼方案，MCSO能夠促進(jìn)電路可用度的有效提高，但是會(huì)限制岸船通信所租用的衛(wèi)星轉(zhuǎn)換器貸款及其功率。最高階的方案編碼不能隨便設(shè)置，應(yīng)根據(jù)衛(wèi)通路在開通時(shí)所測(cè)試的結(jié)果確定其模式，如果出現(xiàn)方案編碼最高階與最低階編號(hào)相同的情況，那么則會(huì)改變?cè)械墓ぷ髂Ｊ?，變?yōu)楹愣ň幋a調(diào)制（CCM）模式。

4 結(jié) 論

自適應(yīng)編碼調(diào)制（ACM）技術(shù)作為一種數(shù)據(jù)傳輸效率高且智能化的無線通信技術(shù)，無論是在編碼時(shí)延還是系統(tǒng)的復(fù)雜程度上，都更加適合通信衛(wèi)星的信息傳輸。ACM技術(shù)在衛(wèi)星鏈路功率余量和鏈路傳輸能力的相互轉(zhuǎn)化方面，既能夠在原有帶寬的限制下將誤碼率保持在一定范圍內(nèi)，又不會(huì)造成通信鏈路的堵塞。后續(xù)我國將以國內(nèi)的通信衛(wèi)星為媒介，對(duì)未來的設(shè)備改造在選型和通信優(yōu)化方案上提供可以參考的意見。