卫星通信网中ACM技术研究

苟晓刚，董银虎，潘申富

(1.通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北石家庄 050081;2.石家庄国耀电子科技有限公司，河北石家庄 050035)

0 引言

卫星通信以其独特的空间、地域优势成为现代战争通信保障和非战状态下应急通信的有效手段。为了更好地利用有限的频率资源，卫星通信系统都会利用网管中心对频率进行统一的调度管理，上行链路采用频分(FDMA)、时分(TDMA)和码分(CDMA)复用的方式支持多用户共用同一个信道。下行链路为了避免多载波工作的互调干扰，一般采用时分多路(TDM)的广播方式使每个网络用户都可以接收到。

在这种使用方式下，中心站通过配置交换机的路由表，对通信网的频率或时隙资源进行管理和分配，根据地面站的业务申请，在上行链路预先分配带宽或时隙，并采用固定的调制编码方式建立信道;在下行链路使用固定带宽，所有时隙采用固定不变的调制编码方式。地面站的业务可以来自地面网络或IP业务终端。

这种使用方式将面临3个问题:①网内有多种站型时，为保证最小能力的站正常工作，其他站的传输能力被浪费;②Ku、Ka频段受雨衰影响大。对于QPSK等恒包络体制，功放能够工作在接近饱和点处，可以有效地抵抗雨衰的影响，但是传输效率偏低。对于16APSK等高阶调制方式，传输效率很高，但是需要的信噪比也较高，而且需要功放在线性区工作，受雨衰影响较大;③对于IP业务，其业务流量的变化范围较大，如果采用固定的传输带宽和通信体制，在业务量变小的时候，造成系统资源浪费;在业务量变大的时候，由于信道传输能力的限制，而产生拥塞。

这些问题将导致卫星实际使用效率偏低的情况。目前来看，采用自适应编码调制(ACM)技术是解决上述问题的较好的方法。

1 ACM技术背景

ACM技术，首先被应用在ETSI(欧洲电信标准化组织)的卫星数字视频广播标准DVB-S2中。其核心方法是接收站通过卫星信号提取链路质量信息(如信噪比)，并将该信息回传到发送站，发送站根据链路质量在预先规定的编码调制方案中选择合适的方式，保证链路的可用性［1］。

在DVB-S2标准中，采用BCH码和LDPC码级联的纠错编码方案，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 等多种编码码率，可采用的调制方式包括 QPSK、8PSK、16APSK和32APSK。能够逐帧使用不同的纠错编码和调制方式，传输效率得以大大提高。

由于DVB-S2标准是为数字视频广播应用制定的，自适应调整没有考虑适应IP业务流量的变化，因此，如果将其应用到卫星通信网中，需要进行以下适应性改变:①设计自适应调整的策略和流程，使得自适应调整可以适应业务流量的变化，同时，保证在雨衰发生时，通信尽量不中断，即使发生通信中断，也能够快速恢复;② 重新设计帧结构以适应透明点对点和基于星上处理的模式下自适应传输的需求。

2 自适应调整策略

本文中默认各站的发射功率是合适的，不需要进行调整，自适应调整的对象不包括发射功率。在此基础上进行自适应调整策略的讨论。

在通信过程中，所有小站都不断地对接收信号进行信噪比估计，并将估计结果反馈给中心站的网管。网管根据接收信噪比的变化，对小站的编码调制方式进行调整，策略如下:

①某个小站的信道条件改善，信噪比变大时，调高编码调制的档位，降低带宽或减少时隙的占用。

②信道条件恶化，信噪比变小时，在带宽或时隙充足时，降低编码调制档位，同时增大带宽或增加时隙满足业务传输要求。在带宽或时隙不足时，进行本站的流量控制或在全网范围内进行资源重配置。

③在信道发生突发衰减时，小站估计SNR并反馈至发送端，发送端对调制编码参数进行调整的时间为t，一般不超过500 ms。编码调制方式的切换门限由式(1)决定:

式中，ν为雨衰的最大衰减速率，单位为dB/s，不同地区的降雨统计情况决定了ν的大小;ε为信噪比估计误差补偿，由估计算法的误差决定。在实际设计中，根据可靠性要求，针对不同的站设计不同的切换门限。

④由低档向高档切换应相对缓慢，可以经过多个中间档位，而从高档向低档切换必须及时。

⑤在突发衰减变化量超过设计值时，通信可能产生中断。此时，收发2端应按照预案将调制编码方式降到最低档位，尽快恢复通信。

⑥对于透明点对点工作方式，信道的最大带宽和可用功率已经确定，ACM调整是按照业务流量最大原则，根据信噪比估计结果，尽量选择高阶的调制编码方式。

⑦在组网应用中，下行链路采用TDM方式，带宽和发射功率是固定的，中心站网管根据各站的接收能力和雨衰情况，动态配置各时隙的调制编码方式，满足业务流量要求。

3 自适应调整流程

3.1 透明点对点方式

设计的透明点对点方式帧结构如图1所示。

图1 透明点对点模式帧结构设计

数据采用连续的突发结构，每帧数据的起始位置为导播时隙，内容包括信噪比估计值、本帧载荷数据的调制编码方式以及载荷数据长度，导播时隙的编码调制方式采用固定的最低阶的QPSK+1/2LDPC组合，保证所有接收站都可以正确接收，从而能够获取后续数据载荷信息的调制编码方式，数据载荷的调制编码方式可变，数据段每隔2016 bit插入导频字，辅助实现时钟和载波的相位跟踪。

载荷信息的编码调制方式是可以根据信道条件和业务流量而改变的，自适应调整过程如图2所示。

图2 透明点对点模式工作流程

自适应调整是由发送站根据接收站的信道估计结果和业务流量变化发起的，发送站的编码调制方式改变时，接收站从接收的帧头信息中获取改变后的调制编码方式，并改变本地的调制编码方式，实现自适应调整。

3.2 基于星上处理的TDM/TDMA方式

设计的TDM/TDMA模式帧结构如图3所示。

图3 TDM/TDMA模式帧结构

在入网前，小站通过接收卫星信标获得本地信噪比估计值，由测距帧发送到中心站(测距帧采用固定调制方式，占用固定带宽，并只在入网前发送)，中心站根据小站的链路和业务情况确定其调制编码方式、占用带宽和时隙，形成帧计划，通过导播时隙下发给小站。小站按照帧计划要求进行自适应调整。

TDM下行链路的自适应调整流程也是由中心站发起的，小站将信道估计结果和业务流量变化情况通过业务帧上传到中心站，中心站根据TDM时隙资源情况和TDMA上行数据量的变化，决定新的帧结构排列，确定改变后的小站数据在帧结构中的位置、调制编码方式和占用时隙的数量。接收站根据导播时隙的信息获取到以上信息，并自适应地改变接收参数，实现ACM。

小站在入网和正常工作过程中的自适应调整流程是不同的，具体表现在:

(1)入网过程

转发器带宽充足时，新入网的载波在可用的调制编码方式中选择功率谱密度最低的低阶调制方式。

转发器带宽紧张但功率充足时，新入网的载波在可用的调制编码方式中选择带宽占用最小的高阶调制方式。

在星上转发器带宽和功率都不足时按照带宽优先，中心站自适应参数调整软件依据图4的流程进行操作。

图4 带宽和功率不足时的自适应调整

在流程中，中心站按照载波占用带宽从大到小的顺序，利用数学运算的方式，虚拟调整调制编码方式，尝试降低各载波的带宽占用。如果这种调试可以达到目的，中心站将按照虚拟结果重新配置各载波的调制编码方式，完成新站的入网;如果不能满足新站的入网要求，中心站尝试2种解决方法:

①按照预先规定的优先级规则，强迫优先级低的站进行流量控制，直至退网，或者禁止新站入网;

②通知新站最大可用带宽，要求新站进行流量控制，降低带宽要求。

通过以上流程，小站开始正常的通信过程。

(2)工作过程中

中心站自适应参数调整软件流程如图5所示。

图5 工作过程中的自适应调整

在流程中，中心站不断地查询各小站的接收信噪比，根据信噪比变化和带宽或时隙占用情况确定合适的调制编码方式。

采用本文设计的帧结构，在实际调试过程中，结合现有的突发信号解调技术，在调制编码方式已知，误码率小于1×10-4情况下，同步头长度为180个，即可以保证解调器能够跟踪调制器的编码调制变化，实现逐帧可变的自适应接收。

4 结束语

针对现有卫星通信系统在运行过程中存在使用效率不高的问题，在透明点对点和组网应用中，引入ACM技术，通过重新设计自适应调整策略和流程以及帧结构，并确定自适应调整门限值的计算方法，使得ACM技术可以在新一代卫星通信系统中获得应用。

［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.