优化卫星通信技术研究

伍 萍

（信息工程大学 信息工程学院，河南 郑州450002）

0 引言

卫星通信自20世纪40年代提出，并经过了半个多世纪的发展，已逐渐成为区域与跨洋通信、国家基础干线通信、国防军事通信、行业及企业专网通信乃至个人通信的重要手段，随着信息全球化、互联网和数字多媒体通信以及视频、音频广播业务的增长、通信个体化、机动性及无缝覆盖的需求，卫星通信将会发挥越来越重要的战略作用。优化卫星通信链路可以很大程度上节省成本，优化卫星通信系统可以从以下几个方面：对基带数据有效压缩、提高转发器功率利用率、提高转发器带宽利用率、降低设备成本等等。本文从星组网技术、调制技术、编码技术进行讨论优化卫星通信。

1 优化卫星通信的VSAT卫星通信网技术

1.1 网络拓扑结构

卫星通信网的网络拓朴结构可分为星状网、网状网和混合网三种。采用星状结构的VSAT网最适合于广播、收集等进行点到多点间通信的应用环境，例如具有众多分支机构的全国性或全球性单位作为专用数据网，以改善其自动化管理、发布、收集信息等。采用网状结构VSAT网较适合于点到点之间进行实时性通信的应用环境，比如建立单位内的VSAT专用电话网等。采用混合结构的VSAT网最适合于点到点或点到多点之间进行综合业务传输的应用环境。此种结构的VSAT网在进行点到点间传输或实时性业务传输时采用网状结构，而进行点到多点间进行数据传输时采用星状结构:在星状和网状混合结构时可采用不同的多址方式。此种结构的VSAT网综合了前两种结构的优点，允许两种差别较大的VSAT站(即小用户用小站，大用户用大站)在同一个网内较好地共存，能进行综合业务传输，能择优选择最合适的多址方式，估计会有较大的发展[1]。

1.2 VAST组网方式

VSAT组网非常灵活，可根据用户要求单独组成一个专用网，也可与其它用户一起组成一个共用网(多个专用网共用同一个主站)。一个VSAT网实际上包括业务子网和控制子网两部分，业务子网负责交换、传输数据或话音业务，控制子网负责对业务子网的管理和控制。传输数据MIA话音业务的信道可称为业务信道，传输管理或控制信息的信道称为控制信道。目前，典型VSAT网的控制子网都是星状网，而业务子网的组网则视业务的要求而定，通常数据网为星状网而话音网为网状网。

2 优化卫星通信的调制、编码技术

2.1 格状编码调制基本原理及应用

格状编码调制(TCM)是编码调制(Coded Modulation)的一种，所谓编码调制，就是将调制与差错控制编码相结合，同时兼顾信息传输的有效性和可靠性。在传统通信中，调制和编码过程是分离的，它们各自独立考虑自己的任务，调制的作用是将基带信号变换为适合在信道上传输;而编码的作用是为了克服信道带来的误码。对于调制来说，其主要考虑的是如何提高频带利用率，并且在相同的误码率条件下需要较小的Eb/N值。对于编码来说，它是通过在信息比特序列中加入冗余比特，使得译码器能够利用这些冗余比特来实现检错和纠错，为此，编码技术主要考虑的是如何提高码字的检纠错能力。由于编码是靠增加冗余比特来完成的，冗余比特越多，纠检错能力越强，但却进一步降低了单位传输带宽的有效信息速率。要想提高频带利用率，必须采用M更大的调制方案，因此，发送的信号星座变得更密集，抗干扰能力将降低，将抵消由使用编码所获得的大部分好处。例如，采用码率为1/2、约束长度为7的卷积编码，采用软判决Viterbi译码可以得到5.1 dB的编码增益，花费的代价是:传输带宽是未编码时的两倍，因为纠错编码增加了调制信号的速率。此时如果要保持占用带宽不变，则必须采用更高阶的调制方式，如将QPSK调制改为8PSK调制。由于8PSK调制的抗干扰能力要比QPSK低，使得它会消耗掉一部分编码增益，从而使净增益变少。为此，人们开始考虑如何综合设计调制和编码方式，以便达到更好的效果。这就产生了编码调制。

编码调制的基本思想是将编码器和调制器当作一个统一的整体进行设计，使得编码器和调制器整合后产生的信号，通过加大调制信号集来为纠错编码提供所需的冗余度，并在不增加信号发射功率的情况下，扩大信号点之间的欧几里德距离(空间距离)，从而在接收端获得最大的信噪比。编码调制可以获得3～6分贝的增益，在不牺牲频带宽度的情况下改善误码性能。

对于频率资源和功率资源均受限的卫星通信系统，TCM技术可以成为解决带宽和功率相互矛盾的有效方法。在不增加带宽的前提下，TCM 所获得的编码增益对于改善衰落信号的质量也相当有利，TCM编码调制广泛地用于卫星移动通信。

2.2 优化卫星通信的信道编码

2.2.1 LDPC码的基本概念[2]

LDPC码属于线性分组码，它的编码过程通常采用线性分组码的通用编码方法。设LDPC码的校验矩阵为应的生成矩阵为，则对任意的输入信息序列，相应的码字序列应为：

因此整个编码的复杂度取决于式（1）的运算复杂度，对于二元的情况，其中主要的操作包括与运算和异或运算（模二加），设生成矩阵G的平均列重为m，则整个编码过程中大约需要mn次与运算，(1)mn-次异或运算。尽管LDPC码的校验矩阵是非常稀疏的，但它的生成矩阵却并不稀疏，通常m与n的比值是[0，l]之间不可忽略的数，这使得其编码复杂度往往与其码长的平方成正比。因此，相对 LDPC码的译码来说，它的编码反而具有较高的复杂度，这一点与Turbo码不同（其编译码复杂度均为线性）。

虽然 LDPC码的编码复杂度与其码长的平方成正比，但采用适当的编码算法，相应的系数可以取得很小。可通过行列的置换将码的校验矩阵变换成下三角或近似下三角形式，如图1，图2所示。

图1 LDPC码校验矩阵的下三角形式

图2 LDPC码校验矩阵的近似下三角形式

若LDPC码的校验矩阵具有如图1所示的下三角形式，在图 1中所示的斜线上为全“1”，而其余的“1”均在斜线的左边，则可以采用迭代的方式进行编码。设码字向量为x=(s,p),则该码的编码过程可具体描述为：

①直接将信息比特的值赋给信息位向量s;

其中,ijh 表示校验矩阵第i行、第j列上的元素。

2.2.2 Turbo码的基本概念[3]

在1993年的国际通信会议上，法国不列颠通信大学的Claude Berrou教授等人提出的Turbo码方案由于很好地应用了Shannon信道编码定理中的随机性编译码条件而获得了几乎接近Shannon理论极限的译码性能。

最初提出的Turbo码采用的是并行级联卷积码的结构，即PCCC。下页图3给出了两个分量编码器组成的Turbo码的编码框图。

图3 Turbo码的编码框

Turbo码编码器主要由分量编码器、交织器以及删余矩阵和复接器组成。分量码一般选择为递归系统卷积码，也可以是分组码、非递归卷积码等。当然两个分量码最佳选用递归系统卷积码，因为递归卷积码和交织器一起可以产生交织增益，而非递归卷积码却做不到，通常两个分量码采用相同的生成矩阵。

2.2.3 级联码的基本概念[4]

信道编码理论指出:随着码长n的增加，译码的错误概率按指数接近于零。因此，为降低译码的错误概率就必须用长码。但随着码长的增加，译码器的复杂性和计算量也相应增加，以致难以实现。为了解决性能与设备复杂性的矛盾，1966年Forney提出了级联码的概念，把编制长码的过程分成几级(通常分为二级)完成。级联码通常包括两个独立的编码，一个称为内码，一个称为外码,外码主要用于纠突发差错,而内码主要用于纠随机差错。在采用级联码的通信系统中,首先将输入数据送入纠正突发错误的编码器，这个编码器叫外编码器(采用外码的编码规则)。外编码器的输出再送到纠正随机错误的编码器,它叫内编码器(采用内码的编码规则)。然后对信号进行调制并传输。在接收端,首先对信号进行解调。解调器的后面是与内编码器配合的内译码器。内译码器的输出送到与外编码器配合的外译码器。

2.3 载波迭加技术

载波迭加技术(DoubleTalk Carrier-in-Carrier)通过结合使用最新的现场可编程门阵列(FPGA)与信号处理技术达到了一流的技术性能水平。减扰处理包括时延和频率估计与跟踪、适应性滤波和相干组合。它对本地上行信号和其下行镜象之间的所有参数差异进行连续性的估计和跟踪。通过专用的自适应滤波和相位锁定环路处理，对上行取样信号的延时、频率、相位与幅度进行相应的调整，从而对这些差异进行动态性的补偿。工作原理如图4所示。

图4 载波迭加技术应用工作原理

载波迭加技术使得全双工卫星电路的两端能够在同一个频带上同时发送各自的载波，明显节省卫星带宽；结合使用最新的前向纠错技术和调制技术，能够达到下列目的：提高卫星转发器利用效率，无与伦比的节省费用效果，优化卫星通信系统，提高通信保密性能 。

3 结语

本文对VSAT卫星通信进行了讨论，由于其组网方式具有优越性，在现实应用中越来越广泛；对于频率资源和功率资源均受限的卫星通信系统，TCM技术可以成为解决带宽和功率相互矛盾的有效方法；TPC码、LDPC码、交织的应用可以降低解调器解调门限，节省功率；波迭加技术使得全双工卫星电路的两端能够在同一个频带上同时发送各自的载波，明显节省卫星带宽，通过以上技术的讨论，对优化卫星通信的技术有一定的了解。

[1] 吴刚华,杨宇翔,翟伯菊,等.宽带 VSAT网络中的多址技术[J].通信技术,2007,40(11):107-108.

[2] 杨友福,刘建伟,张其善,等.卫星信道编码技术及新发展[J].通信技术,2008,41(07):30-31.

[3] 王新梅,肖国镇.纠错码——原理与方法（修订版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991:508-511.

[4] 刘玉君.信道编码(修订版)[M].郑州:河南科学技术出版社,2001:265.