寬帶衛星通信中的ACM技術

吳 濤 ，張 健2，劉愛軍

(1.解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007；2.中國電子設備系統工程公司研究所，北京 100141)

1 引 言

隨著市場的需求和技術的進步，已經使用了10余年的衛星數字視頻廣播標準DVB-S已經不能滿足市場的需要。2004年，ETSI(歐洲電信標準化組織)批準了新的衛星數字視頻廣播標準——DVB-S2。

DVB-S2著重體現了3個核心理念：最佳的傳輸性能、系統的靈活性、合理的用戶接收復雜度[1]。

與DVB-S相比，DVB-S2提供幾乎達到香農極限(距離僅0.7～1 dB)的前向糾錯編碼方案；同時與DVB-S固定的編碼調制方案相比，新標準提供了多達28種的調制編碼方式(以下簡稱MODCOD)，支持3種(DVB-S僅支持一種)滾降因子，可以提供更高的頻譜利用率。同時DVB-S2也是一個非常靈活的標準，不再局限于支持MPEG-TS流(MPEG Transport Stream)的交互式應用，還支持普通流(Generic Stream, GS)的交互式應用,如連續的比特流、IP包、ATM包等；可以根據信道條件和用戶需要為不同的業務提供不同的錯誤保護級別；采用了自適應編碼調制(ACM)技術的DVB-S2系統，傳輸容量可以增加30%以上。特別是在交互式點對點應用時，衛星容量可以增加100%～200%[2]。

目前DVB-S2系統的編碼調制方案較復雜[2]。本文根據用戶實際接收條件，提出編碼調制方案的簡化方案。實驗結果表明，編碼調制方案從28種降低到8種時，對系統性能的影響幾乎可以忽略，極大地降低了ACM的控制復雜度。

2 ACM技術的背景

作為DVB-S2的核心技術，ACM能夠根據信道條件自適應地改變信號的編碼調制方式和錯誤保護級別。DVB-S中的鏈路預算對所有用戶采用統一的編碼調制方案，為了保證處于嚴重衰落信道條件下用戶的通信(這種情況在一年之中可能僅有幾十分鐘)，每條鏈路都留有一定“裕量”，從而浪費了寶貴的通信資源。ACM能夠根據不同用戶的信道條件，為其配置不同的MODCOD，充分利用“裕量”，從而大幅提高系統性能。

2.1 衰落信道

衛星信道衰落的原因主要有以下幾點：

(1)大氣損耗。從Ku頻段開始，特別是在Ka和更高的頻段，大氣損耗將會導致很嚴重的傳播損耗，例如雨衰、電離層損耗[3]；

(2)天線增益。多波束衛星天線的增益隨著地理位置而變化，例如：波束中心峰值天線增益比波束邊緣覆蓋地區高5 dB，這會導致位于不同地理位置用戶信道條件的差異。

2.2 ACM原理

ACM衛星鏈路原理如圖1所示，包括網關(Gateway,GW)、ACM DVB-S2調制器、上行鏈路中心站、在軌衛星、衛星接收終端(Satellite Receiving Terminal, ST)，衛星接收終端通過回傳信道連接至網關，構成ACM的閉環。ACM的工作機制如圖1所示[4]。

圖1 DVB-S2中的ACM鏈路Fig.1 The ACM link of DVB-S2

(1)ST接收到衛星信號后，通過回傳信道向GW發送鏈路質量報告，內容包括信號噪聲加干擾比值(Signal to Noise plus Interference Ratio, SNIR)和ST支持的頻譜效率最高的MODCOD。ST一般周期地向GW發送鏈路質量報告，出于減少回傳信道開銷的考慮,ST可以僅在需要改變MODCOD時才向GW發送信息；

(2)收到鏈路質量報告后，GW為發往ST的數據選擇編碼調制方案。在信道條件惡劣的情況下，GW采用保護性較強的MODCOD，保證鏈路的可用性；而在信道條件較好的時候，則使用頻譜效率高的MODCOD；

(3)為防止在信道條件惡劣時出現信息“溢出”，ACM使用信源速率控制技術。當信源和網關配置靠近時，GW將根據SNIR直接控制信源速率；當信源距離網關很遠時，GW將根據網絡流量控制信源速率。

3 MODCOD

DVB-S2中提供了28種MODCOD方案，能為各種衰落條件的信道選擇適當的MODCOD。編碼調制手段的多元化，使ACM控制機制得以更好地運作。ACM方案幾乎可以在各種信道條件下，保持鏈路具有良好的時間可用性和空間可用性，具有很好的信道適應性。

實際應用中MODCOD的方案數目可以適當減少，主要有以下幾點原因：

(1)DVB-S2中的MODCOD設計是有缺陷的。圖2給出了在10-7的誤碼率條件下配置各MODCOD所需的SNIR門限[5]。從圖中可以看出，第12號MODCOD(以下MODCOD用其序號簡稱)比10和11好(頻譜效率相似，但所需Es/N0更低)；同樣地，18比16和17要好；而且，22和23，27和28之間的差別很小，都可以從MODCOD方案中各移除一種。經過初選后的基本MODCOD方案為除去{10，11，16，17，23，28}的所有22種MODCOD(精簡方案不唯一)；

(2)巨大的MODCOD方案數目使無線電資源管理(Radio Resource Management, RRM)和前向鏈路調整變得復雜化，增加了GW的調整時間，不利于GW實時跟蹤信道的變化。因此，有必要在不犧牲系統性能的前提下，盡量減少MODCOD方案的數量。

圖2 DVB-S2中MODCOD在10-7的誤碼率下所需的Es/N0及對應的頻譜效率Fig.2 Required Es/N0 for BER=10-7 versus spectral efficiency for MODCODs of DVB-S2

MODCOD數目的減少應遵循以下原則：

(1)根據MODCOD的用戶使用分布來減少其數目；

(2)減小對通信系統性能的影響；

(3)為了使得ACM的控制機制能夠很好地工作，圖2曲線上入選的MODCOD必須按序號依次單調。

圖3給出了歐洲地區用戶的MODCOD使用分布[6](不包括已經被移除的)，可以發現，MODCOD編號在9號以下使用的概率很小，只在惡劣的信道條件下才會使用，而這種情況出現的概率很小，因此初選后的MODCOD方案可以進一步簡化。

圖3 MODCOD的使用分布Fig.3 MODCOD distribution

4 MODCOD數目的選擇

最終選定的MODCOD集合中元素的總數M影響系統通信量，所以必須設計方案來優化M?；舅枷胧牵簩⒊踹x后的MODCOD劃分為若干個集合，每個集合取出SNIR門限最低的元素作為代表(保證該集合中全部元素的鏈路可用性)。當該集合中任何元素被GW選中時，都會被映射成代表元素。

為了保證惡劣信道條件下鏈路的可用性，首先初始化集合只包含MODCOD 1。然后逐次選取MODCOD進入集合，每次添加元素時，M增加1，進行下一輪優化。選取的元素要保證總體頻譜效率ηt在該M下達到最佳。這個過程可以用以下等式表示：

(1)

(2)

該方法可以得出在給定M時MODCOD集合中的最佳代表元素(總體頻譜效率ηt最大意義下)。隨著M的增大，更多的元素選進集合。通過上述優化方法選取代表元素到集合的次序為1 14 13 15 12 16 8 4 9 5 7 6 2 3。

當然，這種優化會損失頻譜效率。頻譜效率的損失如圖4所示。

圖4 不同的MODCOD集合大小下頻譜的效率Fig.4 Spectral efficiency for different MODCOD subset size

從圖4中可以看出：即使M=4，頻譜效率達到98%以上，即損失也沒有超過2%；當M=8時，頻譜效率接近100%，損失幾乎可以忽略不計。由此可以證明：在實際應用中這種方案可以在幾乎沒有影響系統性能的前提下，減小DVB-S2本身的缺陷，大大簡化了ACM控制機制的復雜度，加快了GW跟蹤信道變化的速度。

5 結 論

本文論述了采用ACM技術的DVB-S2標準，將極大提升衛星通信系統的平均系統容量，而且具有更高鏈路時間可用性和空間可有性；根據現階段的用戶實際接收條件，提出了ACM控制機制的簡化方案。仿真結果表明：該方案能夠將編碼調制方案從28種降低到8種以下；當M=8時，頻譜效率接近100%，在幾乎不影響系統性能的前提下，極大地簡化ACM控制機制的復雜程度，為自適應衛星通信中ACM技術的大規模應用提供了參考。

參考文獻：

[1] Alberto Morello, Ulrich Reimers. DVB-S2, the second generation standard for satellite broadcasting and unicasting[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2004,22(3):249-268.

[2] ETSI EN 302 307 V1.1.1，Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcating, Interactive Services, News Gathering and broadband satellite applications [S].

[3] Castanet L，Lemorton1 J, Konefal T, et al. Comparison of various methods for combining propagation effects and predicting loss in low-availability systems in the 20-50GHz frequency range[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2001,19(3):317-334.

[4] Alberto Morello, Vittoria Mignone. DVB-S2 Ready for lift off[J]. EBU Technical Review, 2004(10)：1-10.

[5] Hermann Bisch, Hartmut Brandt, Tomaso de Cola, et al. Adaptive coding and modulation for satellite broadband networks: From theory to practice[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking，2009,28(2):59-111.

[6] N Girault, E Alberty, G Verelst. Validation of DVB-S2 System Performances with ACM[C]//Proceedings of 27th IET and AIAA International Communications Satellite Systems Conference. Edinburgh, UK:IEEE,2009:444-449.