超遠(yuǎn)通信中的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)應(yīng)用

郝向新，張星海，王 懿，孫建軍

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鄂爾多斯電業(yè)局，鄂爾多斯 014399）

1 ACM通用功能

超遠(yuǎn)距離通信需要傳輸很遠(yuǎn)的距離需要支持自適應(yīng)編碼和調(diào)制，可以基于鏈路狀態(tài)實時改變編碼速率和調(diào)制方式。這個特性極大地提高了有效載荷能力和鏈路利用率。當(dāng)鏈路的SNR很高，例如天氣比較好時，可以將所有的應(yīng)用都打開，鏈路進(jìn)行滿負(fù)荷的運(yùn)作。如果鏈路的SNR下降得比較厲害，例如下大雨，鏈路的載荷能力和利用率就會降低。

圖1 信道容量改變

我們的遠(yuǎn)距離無線支持8個不同的MCS，MCS索引（由0至8）由上至下排列每一個MCS包含有許多的特性，包括星座映射，編碼速率，激活的分支，每一個分支的帶寬分配等。系統(tǒng)根據(jù)均衡后的符號的MSE值及糾錯碼的誤塊率（BLER），判定采用何種編碼及調(diào)制方式，并自動調(diào)節(jié)兩端通信節(jié)點的編碼及調(diào)制方式，使系統(tǒng)獲得較高的頻帶利用率和信息傳輸速率。

2 切換需要統(tǒng)計的指標(biāo)

描述收端ACM控制單元判斷切換條件需要使用的指標(biāo)。

2.1 MSE

（1）均衡后一幀數(shù)據(jù)的全部數(shù)據(jù)符號都參與計算的MSE的統(tǒng)計。

（2）只有均衡后一幀數(shù)據(jù)的前導(dǎo)頭符號、控制信令符號及導(dǎo)頻符號參與MSE的統(tǒng)計（PMSE）。

（3）上述兩種MSE計算出來后，取PMSE和MSE中較大值作為ACM模塊輸入，擁有ACM切換。為簡便，將“MSE或PMSE中較大值”稱為MSE。

（4）MSE的變化速率定義為當(dāng)前幀和前一幀的MSE的比值。MSE的變化速率計算可以按照當(dāng)前幀的MSE和上一幀的MSE乘上某個門限來比較。

2.2 BLE

BLE（block error）是指線性分組碼根據(jù)自身的校驗仿真計算出來的，指示該編碼塊在一定范圍內(nèi)是否正確的一個標(biāo)記。包含LDPC譯碼前BLE，LDPC譯碼后BLE。

（1）LDPC譯碼前的BLE，記為LDPC_BLE_BD。LDPC譯碼器在更新接收到的一個碼塊的LLR之前，根據(jù)接收LLR的符號值，進(jìn)行校驗計算，當(dāng)?shù)男ｒ灧匠蘳um（H*c）大于等于設(shè)定的門限值（門限值配置為0），說明碼塊出錯（需要統(tǒng)計WLB幀內(nèi)的BLE數(shù)值：譯碼前的BLE統(tǒng)計需體現(xiàn)對信道長期穩(wěn)定性進(jìn)行統(tǒng)計，因此，建議WLB盡量大一些）。WLB建議配置為1～65536幀。

（2）LDPC譯碼后的BLE，記為LDPC_BLE_AD。LDPC譯碼器通過譯碼過程，更新完一個碼塊的LLR之后，根據(jù)更新后的LLR的符號值，進(jìn)行校驗計算，碼后LDPC碼塊的校驗方程sum（H*c）大于等于設(shè)定的門限值，說明碼塊出錯（需要統(tǒng)計WLA幀內(nèi)的BLER數(shù)值：譯碼后的BLER統(tǒng)計需體現(xiàn)對信道變化的快速響應(yīng)，因此，建議不超過10）。WLA軟件可配，為了硬件實現(xiàn)的簡便，WLA可配置為1幀2幀4幀8幀可選。

3 切換方式

系統(tǒng)能夠根據(jù)ACM控制單元發(fā)出的切換指示自動進(jìn)行切換，并且約定ACM控制單元可以發(fā)出的切換指示類型，以及手動切換功能的描述。

3.1 上切

上切，為了保證切換無誤碼，上切的準(zhǔn)則是：要保證在信道足夠好時才向上切換。切換時需謹(jǐn)慎一些。上切的方式只能是逐級切換，上切的依據(jù)可以配置成下面兩種中一種：一是只根據(jù)MSE值；二是同時根據(jù)“MSE值及譯碼后的BLE及譯碼前的BLE”。

（1）譯碼后必須無誤碼，即BLE_AD=0；譯碼前的誤塊率要小于一個門限，即BLE_BD＜A，表示在一個WLA統(tǒng)計窗之內(nèi)，錯誤要低于A個碼塊才能保證信號質(zhì)量足夠好，這時才啟動上切機(jī)制；A的位寬為16。

（2）為了保證切換無誤碼，發(fā)射端需要收到對端的連續(xù)K個“上切”請求，才能上切。K可軟件配置，K值建議在1～16范圍。位寬4比特。

3.2 下切

下切，為了保證切換無誤碼，下切的準(zhǔn)則是：需要快速響應(yīng)，并且防患于未然。下切支持逐級下切也支持一步切到最低MCS的切換。

3.2.1 逐級下切

逐級切換：依據(jù)可以配置成下面兩種中一種：一是只根據(jù)MSE值；二是根據(jù)MSE值或者譯碼后的BLE。（這里譯碼后BLE是“一幀內(nèi)的BLE”，一幀中只要有碼塊出錯就下切一級）。

3.2.2 一步切到最低MCS

一步切到最低MCS可以配置成下面兩種中一種：一是根據(jù)MSE的速率，當(dāng)MSE變化速率（這里是指變差的速率，MSE越大表示鏈路質(zhì)量越差）大于一個門限值。二是只根據(jù)譯碼后的BLE（譯碼后的BLE_AD＞B，B可軟件配置（16bits），表示在一個WLB統(tǒng)計窗之內(nèi)，錯誤高于B個碼塊說明信道質(zhì)量已經(jīng)足夠差，此時需要一步切到最低MCS）。

最低MCS是一個可配置的MCS，并不一定配置為MCS0，在存在訓(xùn)練幀模式下，可以配置為MCS1。

4 ACM控制流程

本章主要描述在收端如何根據(jù)相關(guān)檢測條件發(fā)送出切換指示，以及發(fā)端的切換流程。

4.1 收端主控制流程

圖2 收端ACM主控制流程

收端系統(tǒng)首先檢測目前是否滿足ACM開啟的條件，在達(dá)到ACM開啟的條件之后，首先是T1幀的保護(hù)時間是不能進(jìn)行切換的；T1幀時間過后，進(jìn)行ACM切換判斷和切換時間保護(hù)操作，其中切換時間保護(hù)操作主要針對是上切切換時間保護(hù)，和保護(hù)模式整體切換時間保護(hù)；然后系統(tǒng)等待MCS改變，則認(rèn)為一次切換指示完成；同時為了仿真某次切換指示未被發(fā)端收到，而設(shè)置保護(hù)幀，計數(shù)至T2幀本次切換仍沒有完成后認(rèn)為對端發(fā)端未收到切換指示，則再次進(jìn)行ACM切換判斷。其他說明如下：

（1）N_ACM_on_p該參數(shù)表示在ACM啟動之后，要進(jìn)行T1幀時間保護(hù)，T1可配置范圍是0～255幀。參考配置為約20ms左右的時間。

（2）所有計數(shù)器清0操作，所有的計數(shù)器包含這里的N_ACM_on_p開啟保護(hù)時間計數(shù)器、Nsp未收到切換指示保護(hù)時間計數(shù)器、Ndc下切保護(hù)時間計數(shù)器、MCS_uk連續(xù)上切請求計數(shù)器、Nuc上切保護(hù)時間計數(shù)器等。當(dāng)切換指示不為00的時候，在等待MCS響應(yīng)之前，各計數(shù)器累加功能均不工作。

（3）圖2中判斷條件滿足ACM開啟、ACM_On判斷條件是相同的。

（4）該流程圖中的每個判斷都要每一幀進(jìn)行一次，幀指示可以由幀同步給出。保護(hù)模式下，默認(rèn)由工作板的幀同步指示給出，如果工作板斷鏈則有保護(hù)板的幀同步指示給出。

（5）當(dāng)收端檢測切換請求在預(yù)設(shè)的幀數(shù)T2之后仍然沒有得到響應(yīng)，則進(jìn)行下一次切換判斷。T2可以配置為1～4095幀等，建議配置為16幀。該時間是防止某次切換請求未被對端接收到，從而對端發(fā)送端一直認(rèn)為無切換請求。

圖3 ACM開啟條件判斷

4.2 滿足ACM開啟條件

系統(tǒng)的ACM開啟考慮保護(hù)模式以及訓(xùn)練幀模式。在保護(hù)模式下，總體原則是有一塊單板的給出開啟指示則認(rèn)為系統(tǒng)開啟；無論是訓(xùn)練幀模式下的建鏈還是非訓(xùn)練幀模式下的建鏈都認(rèn)為系統(tǒng)建鏈，開啟ACM模塊。

交互過程結(jié)構(gòu)如下：

圖4 AMC Change Path

按照圖4所示步驟分解為：

（1）對于B節(jié)點而言，在每次發(fā)送新的幀數(shù)據(jù)之前，判斷AMC引擎的輸出是否需要切換MCS，AMC引擎每隔20ms打開一次，決定切換到相應(yīng)的next profile（軟件可對其進(jìn)行配置）。

（2）如果需要切換，則在新的數(shù)據(jù)幀中添加相應(yīng)的改變MCS（CHN_REP）信息；否則不予理會。然后關(guān)掉AMC引擎。

（3）B節(jié)點的ctrl_gen發(fā)送攜帶相應(yīng)的改變MCS（CHN_REP）消息的數(shù)據(jù)幀；

（4）當(dāng)A節(jié)點的de_frm收到CHN_REP消息后，將CHN_REP消息中的預(yù)通知MCS（preferred MCS）傳送給發(fā)送方向的ctrl_gen。

（5）A節(jié)點的ctrl_gen模塊發(fā)現(xiàn)得到的新的MCS與本地MCS不匹配，則啟動本地計數(shù)器來計數(shù)幀數(shù)目；當(dāng)ctrl_gen模塊看到來自FPGA的新的MAC幀頭（sync信號），則把接受到的MCS送給FPGA，此時FPGA發(fā)現(xiàn)來自Modem的MCS與本地不相同，也啟動計數(shù)器來技術(shù)幀數(shù)目。預(yù)通知的幀數(shù)目是在上電時已經(jīng)配置。當(dāng)Modem中ctrl_gen模塊中計數(shù)到幀數(shù)目時，在發(fā)送的幀上會攜帶AMC_CFG消息告訴B節(jié)點：下個物理幀會改變被要求的MCS。而FPGA的計數(shù)器會比Modem計數(shù)器晚一幀，故當(dāng)FPGA計數(shù)到幀數(shù)目時，直接改變?yōu)樾碌腗CS方式即可。

（6）B節(jié)點的解幀模塊（de_frm）解析出此AMC_CFG消息后，通知同步模塊將要在下一幀切換成的swithched MCS，同步模塊根據(jù)此消息在下一幀標(biāo)記導(dǎo)頻的位置。同時，de_frm也會通知FPGA，方法是：將寫入FIFO的數(shù)據(jù)擴(kuò)充1bit，表示下一幀的MCS，de_frm將AMC串行寫入這一bit，按照bit0-bit3的順序，在SUF后的若干字節(jié)開始寫，持續(xù)有效四個字節(jié)。

AMC切換流程：

圖5 Frame Consume

B_tx和A_tx分別為A、B兩端的發(fā)送端；AMC引擎每隔20ms打開一次檢測是否切換MCS；Modem_cnt和FPGA_cnt分別為Modem和FPGA本地的預(yù)通知幀數(shù)目計數(shù)器。

設(shè)定在B節(jié)點發(fā)送第二幀之前打開AMC引擎發(fā)現(xiàn)需要切換MCS，則通過發(fā)送端通知A節(jié)點切換。

5 結(jié)束語

我們在超遠(yuǎn)距離通信中使用ACM技術(shù)實現(xiàn)了從64QAMBPSK等8種調(diào)制方式的切換，使得重要的業(yè)務(wù)得也在天氣變化的過程中得到更好的傳輸保障。