卫星自适应编码调制体制下传输模式研究

郝广凯，陆格格，雷 鸣，陆卫强，汪思冒

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

0 引 言

随着科技和信息技术的不断发展，人们对卫星通信传输速率的要求越来越高。目前国内在轨的星载高速数传发射机基本采用单一的调制方式，通常情况下系统使用固定编码及调制方式。为了保证链路在最大的传输距离衰减和最差天气的损耗情况下的数据传输质量，要求在系统设计时不得不提供充分的链路余量来抵消环境因素所导致的衰减。在轨运行的卫星数传发射机会采用较高的发射功率，具有很好纠错性能的编码方式和低阶调制体制，但这是以牺牲卫星通信系统的传输能力为代价的[1]。

卫星自适应编码和调制体制使数传系统能够根据接收端估计的信道信息动态地跟踪信道变化，自适应改变编码和调制方式，从而使功率利用率、信息传输速率以及频带利用率都能达到最优[2]。自适应编码调制体制的使用可以更充分地利用信道资源，达到较高的信息传输速率与吞吐量[3]。

1 自适应编码调制技术

自适应编码调制（Adaptive Coding and Modulation，ACM）技术是在发射功率不变的情况下，数据传输系统根据信道参数的变化自适应地改变系统的编码方式和调制体制，以匹配信道变化实现高效的传输。ACM系统的原理为遥感载荷产生的海量观测数据经过编码调制等处理后由数传发射机经信道传输给地面，其中编码调制体制由数据处理器来确定。数据处理器有两种方式确定编码调制体制，一是根据程控指令，二是根据遥控指令。地面网关根据接收机传来的信道参数的变化情况，利用自适应算法确定编码调制体制，以采用与信道相匹配的最优的传输模式，并将切换指令传输给卫星数传系统和地面接收机[4]。信息到达接收机后，接收机一方面对信道进行估计，确定信道参数，如果发生改变就将信道参数反馈给地面网关设备；另一方面根据网关的发送编码调制模式指令进行解调和译码，最终得到遥感载荷数据。

2 编码调制模式确定

自适应编码调制传输模式可以保障数传系统根据地面网关设备的指令进行切换，从而实现数据传输。在进行自适应编码调制系统设计时，必须先确定数据传输系统的编码调制模式。ACM系统中编码调制模式（Modulation and Coding Scheme，MCS）组合的数目称为MCS级数，MCS级数越大，能够进行转换的编码调制体制也就越多，对信道的匹配情况越好。但是MCS级数越大，卫星数传系统设计的复杂性也就越高，耗费的资源也就越多。因此，自适应编码调制系统中编码调制模式的确定需要综合考虑系统的资源消耗、运算复杂性以及系统性能等因素[5]。

自适应编码调制系统中设计采用的调制体制分别为QPSK、8PSK、16APSK、32APSK，编码方式结合DVB-S2标准以及在轨实际使用方式，采用低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）。自适应编码调制系统根据信道参数变化，利用自适应算法改变LDPC码的编码效率和调制体制来匹配信道变化[6,7]。

在系统传输带宽恒定的条件下，将不同编码效率的LDPC编码分别和QPSK、8PSK、16APSK、32APSK一起组合仿真得到各MCS在高斯白噪声信道下的抗噪性能。经过仿真得到各个MCS接收端要达到10-5误码率所需的信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）值和所对应的理论上的频谱利用率，如表1、图1所示。

表1 不同编码调制模式理论频谱利用率及所需的SNR值

图1 各个编码调制模式对应频谱利用率及到达目标比特率所需的SNR值比较

为了保证卫星数据传输系统在信道特别差的情况下仍然可以可靠地进行信息传输，低阶调制编码方式MCS1（QPSK 1/2）必须选择。同样为了能使系统在信道情况非常好的情况下高速进行数据传输，高阶的调制编码模式MCS16（32APSK 8/9）必须选择。除此之外，剩下的编码调制组合的采用信噪比等间隔依次递增的方法进行挑选。自适应编码调制系统的性能会随着MCS级数的增大而逐渐提升，但是系统的消耗和复杂性也会增加。综合衡量自适应编码调制系统的性能和系统实现的难易程度，根据参考文献[8]提出的在DVB-S2标准下自适应编码调制系统最佳的MCS级数为7，多模式数字调制器采用的7种MCS分别为QPSK 1/2、QPSK 3/4、QPSK 7/8、8PSK 3/4、16APSK 3/4、32APSK 3/4、32APSK 8/9，这样各个MCS切换阈值分布比较均匀。表2为高速数传系统中可供切换的MCS，图2为可供切换的编码调制模式在高斯白噪声信道下的抗误码性能曲线。

表2 高速数传系统中可供切换的MCS

图2 可供切换的MCS在高斯白噪声信道下的抗误码性能曲线

3 系统设计

卫星通信数据传输系统采用自适应编码调制技术后，编码调制模式会随着通信信道参数的变化而发生改变，数据传输速率也随之改变。由于卫星频带受限，因此不能满足无限制速率的信息传输。在进行编码调制方式切换时，需要在充分利用频带资源的前提下达到最大的传输速率，以满足系统的数据传输需求。Ka频段下假设系统传输带宽小于800 MHz，所选7种MCS的最大传输速率如表3所示。

表3 所选7种MCS最大传输速率

按照传统的链路设计思路，参考各地面站雨衰情况，链路设计取值如表4所示[9]。由表4可以看出，按照星上有效全向辐射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）设计为 41.5 dBW，仅在 600 Mb/s的QPSK传输时有充足的链路余量，其余传输模式下无法满足数据正常传输需求。

表4 数传系统链路计算表

数传系统采用ACM传输，可根据传输链路的信道情况进行实时估计，从而决定传输模式。根据表4，在不下雨的情况下，32APSK的3 000 Mb/s传输有充足的链路余量。根据文献[10]在系统97%可用度情况下，可实现32APSK的传输。

4 结 论

自适应编码调制技术是在地面站资源有限条件下提升数传速率的有效手段，是卫星数据通信目前研究发展的重点。在现有卫星数传系统基础上，本文提出了有效可行的自适应编码调制系统，确定了7种自适应编码调制的传输模式。经仿真分析，采用自适应编码调制技术可有效提升系统的传输速率和吞吐率。