優化衛星通信技術研究

伍 萍

（信息工程大學 信息工程學院，河南 鄭州450002）

0 引言

衛星通信自20世紀40年代提出，并經過了半個多世紀的發展，已逐漸成為區域與跨洋通信、國家基礎干線通信、國防軍事通信、行業及企業專網通信乃至個人通信的重要手段，隨著信息全球化、互聯網和數字多媒體通信以及視頻、音頻廣播業務的增長、通信個體化、機動性及無縫覆蓋的需求，衛星通信將會發揮越來越重要的戰略作用。優化衛星通信鏈路可以很大程度上節省成本，優化衛星通信系統可以從以下幾個方面：對基帶數據有效壓縮、提高轉發器功率利用率、提高轉發器帶寬利用率、降低設備成本等等。本文從星組網技術、調制技術、編碼技術進行討論優化衛星通信。

1 優化衛星通信的VSAT衛星通信網技術

1.1 網絡拓撲結構

衛星通信網的網絡拓樸結構可分為星狀網、網狀網和混合網三種。采用星狀結構的VSAT網最適合于廣播、收集等進行點到多點間通信的應用環境，例如具有眾多分支機構的全國性或全球性單位作為專用數據網，以改善其自動化管理、發布、收集信息等。采用網狀結構VSAT網較適合于點到點之間進行實時性通信的應用環境，比如建立單位內的VSAT專用電話網等。采用混合結構的VSAT網最適合于點到點或點到多點之間進行綜合業務傳輸的應用環境。此種結構的VSAT網在進行點到點間傳輸或實時性業務傳輸時采用網狀結構，而進行點到多點間進行數據傳輸時采用星狀結構:在星狀和網狀混合結構時可采用不同的多址方式。此種結構的VSAT網綜合了前兩種結構的優點，允許兩種差別較大的VSAT站(即小用戶用小站，大用戶用大站)在同一個網內較好地共存，能進行綜合業務傳輸，能擇優選擇最合適的多址方式，估計會有較大的發展[1]。

1.2 VAST組網方式

VSAT組網非常靈活，可根據用戶要求單獨組成一個專用網，也可與其它用戶一起組成一個共用網(多個專用網共用同一個主站)。一個VSAT網實際上包括業務子網和控制子網兩部分，業務子網負責交換、傳輸數據或話音業務，控制子網負責對業務子網的管理和控制。傳輸數據MIA話音業務的信道可稱為業務信道，傳輸管理或控制信息的信道稱為控制信道。目前，典型VSAT網的控制子網都是星狀網，而業務子網的組網則視業務的要求而定，通常數據網為星狀網而話音網為網狀網。

2 優化衛星通信的調制、編碼技術

2.1 格狀編碼調制基本原理及應用

格狀編碼調制(TCM)是編碼調制(Coded Modulation)的一種，所謂編碼調制，就是將調制與差錯控制編碼相結合，同時兼顧信息傳輸的有效性和可靠性。在傳統通信中，調制和編碼過程是分離的，它們各自獨立考慮自己的任務，調制的作用是將基帶信號變換為適合在信道上傳輸;而編碼的作用是為了克服信道帶來的誤碼。對于調制來說，其主要考慮的是如何提高頻帶利用率，并且在相同的誤碼率條件下需要較小的Eb/N值。對于編碼來說，它是通過在信息比特序列中加入冗余比特，使得譯碼器能夠利用這些冗余比特來實現檢錯和糾錯，為此，編碼技術主要考慮的是如何提高碼字的檢糾錯能力。由于編碼是靠增加冗余比特來完成的，冗余比特越多，糾檢錯能力越強，但卻進一步降低了單位傳輸帶寬的有效信息速率。要想提高頻帶利用率，必須采用M更大的調制方案，因此，發送的信號星座變得更密集，抗干擾能力將降低，將抵消由使用編碼所獲得的大部分好處。例如，采用碼率為1/2、約束長度為7的卷積編碼，采用軟判決Viterbi譯碼可以得到5.1 dB的編碼增益，花費的代價是:傳輸帶寬是未編碼時的兩倍，因為糾錯編碼增加了調制信號的速率。此時如果要保持占用帶寬不變，則必須采用更高階的調制方式，如將QPSK調制改為8PSK調制。由于8PSK調制的抗干擾能力要比QPSK低，使得它會消耗掉一部分編碼增益，從而使凈增益變少。為此，人們開始考慮如何綜合設計調制和編碼方式，以便達到更好的效果。這就產生了編碼調制。

編碼調制的基本思想是將編碼器和調制器當作一個統一的整體進行設計，使得編碼器和調制器整合后產生的信號，通過加大調制信號集來為糾錯編碼提供所需的冗余度，并在不增加信號發射功率的情況下，擴大信號點之間的歐幾里德距離(空間距離)，從而在接收端獲得最大的信噪比。編碼調制可以獲得3～6分貝的增益，在不犧牲頻帶寬度的情況下改善誤碼性能。

對于頻率資源和功率資源均受限的衛星通信系統，TCM技術可以成為解決帶寬和功率相互矛盾的有效方法。在不增加帶寬的前提下，TCM 所獲得的編碼增益對于改善衰落信號的質量也相當有利，TCM編碼調制廣泛地用于衛星移動通信。

2.2 優化衛星通信的信道編碼

2.2.1 LDPC碼的基本概念[2]

LDPC碼屬于線性分組碼，它的編碼過程通常采用線性分組碼的通用編碼方法。設LDPC碼的校驗矩陣為應的生成矩陣為，則對任意的輸入信息序列，相應的碼字序列應為：

因此整個編碼的復雜度取決于式（1）的運算復雜度，對于二元的情況，其中主要的操作包括與運算和異或運算（模二加），設生成矩陣G的平均列重為m，則整個編碼過程中大約需要mn次與運算，(1)mn-次異或運算。盡管LDPC碼的校驗矩陣是非常稀疏的，但它的生成矩陣卻并不稀疏，通常m與n的比值是[0，l]之間不可忽略的數，這使得其編碼復雜度往往與其碼長的平方成正比。因此，相對 LDPC碼的譯碼來說，它的編碼反而具有較高的復雜度，這一點與Turbo碼不同（其編譯碼復雜度均為線性）。

雖然 LDPC碼的編碼復雜度與其碼長的平方成正比，但采用適當的編碼算法，相應的系數可以取得很小。可通過行列的置換將碼的校驗矩陣變換成下三角或近似下三角形式，如圖1，圖2所示。

圖1 LDPC碼校驗矩陣的下三角形式

圖2 LDPC碼校驗矩陣的近似下三角形式

若LDPC碼的校驗矩陣具有如圖1所示的下三角形式，在圖 1中所示的斜線上為全“1”，而其余的“1”均在斜線的左邊，則可以采用迭代的方式進行編碼。設碼字向量為x=(s,p),則該碼的編碼過程可具體描述為：

①直接將信息比特的值賦給信息位向量s;

其中,ijh 表示校驗矩陣第i行、第j列上的元素。

2.2.2 Turbo碼的基本概念[3]

在1993年的國際通信會議上，法國不列顛通信大學的Claude Berrou教授等人提出的Turbo碼方案由于很好地應用了Shannon信道編碼定理中的隨機性編譯碼條件而獲得了幾乎接近Shannon理論極限的譯碼性能。

最初提出的Turbo碼采用的是并行級聯卷積碼的結構，即PCCC。下頁圖3給出了兩個分量編碼器組成的Turbo碼的編碼框圖。

圖3 Turbo碼的編碼框

Turbo碼編碼器主要由分量編碼器、交織器以及刪余矩陣和復接器組成。分量碼一般選擇為遞歸系統卷積碼，也可以是分組碼、非遞歸卷積碼等。當然兩個分量碼最佳選用遞歸系統卷積碼，因為遞歸卷積碼和交織器一起可以產生交織增益，而非遞歸卷積碼卻做不到，通常兩個分量碼采用相同的生成矩陣。

2.2.3 級聯碼的基本概念[4]

信道編碼理論指出:隨著碼長n的增加，譯碼的錯誤概率按指數接近于零。因此，為降低譯碼的錯誤概率就必須用長碼。但隨著碼長的增加，譯碼器的復雜性和計算量也相應增加，以致難以實現。為了解決性能與設備復雜性的矛盾，1966年Forney提出了級聯碼的概念，把編制長碼的過程分成幾級(通常分為二級)完成。級聯碼通常包括兩個獨立的編碼，一個稱為內碼，一個稱為外碼,外碼主要用于糾突發差錯,而內碼主要用于糾隨機差錯。在采用級聯碼的通信系統中,首先將輸入數據送入糾正突發錯誤的編碼器，這個編碼器叫外編碼器(采用外碼的編碼規則)。外編碼器的輸出再送到糾正隨機錯誤的編碼器,它叫內編碼器(采用內碼的編碼規則)。然后對信號進行調制并傳輸。在接收端,首先對信號進行解調。解調器的后面是與內編碼器配合的內譯碼器。內譯碼器的輸出送到與外編碼器配合的外譯碼器。

2.3 載波迭加技術

載波迭加技術(DoubleTalk Carrier-in-Carrier)通過結合使用最新的現場可編程門陣列(FPGA)與信號處理技術達到了一流的技術性能水平。減擾處理包括時延和頻率估計與跟蹤、適應性濾波和相干組合。它對本地上行信號和其下行鏡象之間的所有參數差異進行連續性的估計和跟蹤。通過專用的自適應濾波和相位鎖定環路處理，對上行取樣信號的延時、頻率、相位與幅度進行相應的調整，從而對這些差異進行動態性的補償。工作原理如圖4所示。

圖4 載波迭加技術應用工作原理

載波迭加技術使得全雙工衛星電路的兩端能夠在同一個頻帶上同時發送各自的載波，明顯節省衛星帶寬；結合使用最新的前向糾錯技術和調制技術，能夠達到下列目的：提高衛星轉發器利用效率，無與倫比的節省費用效果，優化衛星通信系統，提高通信保密性能 。

3 結語

本文對VSAT衛星通信進行了討論，由于其組網方式具有優越性，在現實應用中越來越廣泛；對于頻率資源和功率資源均受限的衛星通信系統，TCM技術可以成為解決帶寬和功率相互矛盾的有效方法；TPC碼、LDPC碼、交織的應用可以降低解調器解調門限，節省功率；波迭加技術使得全雙工衛星電路的兩端能夠在同一個頻帶上同時發送各自的載波，明顯節省衛星帶寬，通過以上技術的討論，對優化衛星通信的技術有一定的了解。

[1] 吳剛華,楊宇翔,翟伯菊,等.寬帶 VSAT網絡中的多址技術[J].通信技術,2007,40(11):107-108.

[2] 楊友福,劉建偉,張其善,等.衛星信道編碼技術及新發展[J].通信技術,2008,41(07):30-31.

[3] 王新梅,肖國鎮.糾錯碼——原理與方法（修訂版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，1991:508-511.

[4] 劉玉君.信道編碼(修訂版)[M].鄭州:河南科學技術出版社,2001:265.