一種LEO衛星協同通信系統自適應調制機制與性能分析

晏志勇，劉 芳

（1. 新余學院 機電工程系，新余 338000；2. 新余學院 計算機系，新余 338000）

一種LEO衛星協同通信系統自適應調制機制與性能分析

晏志勇1，劉 芳2

（1. 新余學院 機電工程系，新余 338000；2. 新余學院 計算機系，新余 338000）

0 引言

由于星上系統到地面終端信號傳播過程中各種效應的影響,當衛星通信系統的地面移動終端在小仰角工作時,信號的隨機衰落甚至超過30dB。隨著近年來集成電路設計與實現技術的發展、大功率高頻寬帶放大器的設計實現,以各種信號處理技術的長足進步,為自適應技術在衛星通信系統中的應用,從而打破傳統的固定發射功率、固定碼率、確定編碼調制方式的衛星通信系統物理層設計與實現方法提供了可能。在自適應調制系統中,一般使地面終端在理想的信道條件下采用較高階的調制方式,從而在一定的發射功率限制條件下保證接收信號的信噪比,達到保證系統誤碼性能指標的目的當信道條件惡化時,通過對接收信號的測量感知信道狀態的改變,適應性采用較低階的調制方式,從而在一定的發射功率限制條件下、通過降低信號速率來補償接收信號信噪比下降對系統誤碼指標的影響,最終達到保證系統誤碼性能指標的目的。

參照自適應編碼調制技術(Adaptive Coding and Modulation)在UTMS等系統中的成功運用,考慮到未來衛星通信系統星上處理能力(onboard processing-OBP)與終端處理能力的提高,在LEO衛星協同通信系統中,通過對系統信道狀態的實時測量,通過一定的信令輔助手段,在信道狀態發生改變的情況下,自適應改變編碼調制方式,通過改變編碼方法、符號傳輸速率、調制方式、或者擴頻碼的擴頻因子、使衛星通信系統的調制編碼方法能夠跟隨信道狀態的變化,在相當大的工作周期比例內逼近信道的山農容量極限,有效保證重要業務的傳輸,可利用自適應編碼調制(Adaptive Coding and Modulation)技術達到充分利用寶貴的衛星無線信道資源的目的。由此,我們提出一種在LEO衛星協同通信系統中根據信道狀態改變MQAM調制模式的實現方案,以在特性動態變化的信道中逼近山農信道容量,取得更好的系統性能。

1 LEO衛星通信系統模型設計

圖1給出在LEO衛星協同通信系統中實現MQAM自適應調制的原理框圖。

地面終端的待傳信息經交織、編碼等基帶處理后,按照系統控制指令選擇特定MQAM星座進行MQAM調制,調制信號經濾波、射頻調制、與射頻放大等處理后經過具有各種衰落和噪聲影響的無線信道到達星上接收機。

星上接收端對地面終端發送信息按預先信令約定的調制模式對信號進行解調和譯碼,輸出解調信號。在接收端對接收信號的功率或信噪比進行評估,也可在信號解碼后通過對信號誤碼率的測量對系統信噪比參數進行綜合評估。根據對相應信道信噪比的估計結果在假定上、下行信道互惠的情況下、或根據一定關系公式,參照當前信道上所承載的業務誤比特率要求,決定相應信道的調制模式并通過信令信道反饋給發送端。同時在下行信道中按照決定的調制模式進行改變。發送端根據星上處理器的決定進行MQAM調制,同時將自身對系統信噪比測試的結果,向星上處理器發送,以供星上處理器用于計算信道狀態參數使用。

圖1 AMQAM原理框圖

我們首先在假設信道平穩的前提下假設信道衰落的相干時間大于業務信息包一次傳輸所需時間周期。即:信道參數變化的速率遠低于符號傳輸速率,信道特性參數在數百個符號傳送周期內可近似看作常數,同時假設以上信道狀態估計、調制方式同步時間參數和信道估計誤差為0。

對于上述的MQAM系統,由于解調器具有M=2n(n=1,2…) 個固定的電平,進行相干解調時,每M進制的錯誤概率為:

式中:Eb為每比特信號的能量,N0是噪聲功率譜密度,n為傳輸中每個符號攜帶比特信息量,有n=log2M,M為調制方式的星座點數等。Q (x)是Q函數,可用誤差函數erfc (x)表示為:

誤差函數erfc (x)的定義為:

由此得到MQAM誤符率為:

由于每個符號攜帶n bit信息,所以誤比特率為:

于是有:

MQAM通信系統的誤比特率是信噪比γ=E/N0和MQAM通信系統調制模式M的確定函數。在確定業務n的誤比特率Pb≤BERk要求前提下,可求出系統當前信噪比Eb/N0與調制模式n的對應關系。由于物理實現的限制,調制模式M應取2的冪數,即有M=2n(n=1,2…) 。因此,對于某種特定的第k類業務所要求的特定的門限誤比特率BERr,可求出針對當前系統信噪比指標γk=Eb/N0所對應的最佳MQAM通信系統調制模式。

假設MQAM系統有種模式可供選擇,則AMQAM控制算法可描述為:

算法1(AMQAM控制算法):

1)當γ＜γk1時,根據業務類型k選擇什么都不發送(業務暫時中斷-非實時連接業務)或選擇按最低發送速率的最低調制模式發送(BPSK)。這里γk1代表第k類業務在最低調制模式下保證誤比特率門限指標所需的最低信噪比門限;

2)當γkn＜γ＜γk(n+1)時,選擇調制模式1≤n≤N。這里γkn代表第k類業務在調制模式n下誤比特率門限指標所對應的最低系統信噪比門限。

3)當γ＞γkN時,選擇調制模式N。這里γkN代表第k類業務在最高發送速率下選擇最高調制模式保證誤比特率門限指標所需的最低信噪比門限。

假設話音業務所要求的誤碼率BERv＜10-3,流媒體業務,交互式業務與后臺業務所要求的誤碼率BERd＜10-6,則可在對應Pev=10-3、Ped=10-6與處各劃一條與橫軸平行的直線,作為與各業務相對應的BER門限,求出各種調制方式下的SNR-BER曲線與這條直線的交點的SNR值,即可作為各種調制方式在此BER門限下的判決門限。通過Matlab仿真計算得到表1所示結果。

表1 信噪比參數與MQAM模式的選擇對照表

2 性能分析

我們已知MQAM系統的歸一化頻帶利用率為:

其功率利用率可由誤比特率公式來衡量:

因此,其頻帶利用率應該用系統在每一個區間的數據速率與系統落在該區域的概率進行加權求和求解,即如果設系統落在以信噪比門限γn表示的區間的概率為Pγ(γ),假設信道條件為緩變平坦衰落信道,信道變化速率遠低于符號傳輸速率,即信道特性在數百個符號傳輸周期內近似為常數。以Nakagami模型對信道建模,可得:

這里,為接收信噪比的平均值。

則系統在整個工作空間的頻譜利用率可表示為:

類似地,由于MQAM自適應調制方法將系統工作模式按系統信噪比情況劃分為M個離散的區間,在每個區間內保證實際系統信噪比高于由業務質量要求所對應的系統信噪比門限,因此系統實際工作的誤比特率指標通常低于由用戶業務質量所要求的目標誤比特率指標,為:

根據以上分析進行數值仿真,可以看到,通過采用自適應方式,使系統容量動態逼近系統信道的動態容量,而對于采用固定模數的QAM系統要么是為了保證系統在90%的分布空間對最苛刻業務的服務質量的保證而浪費了系統的大多數容量,要么就是使相當部分的信道條件下用戶業務的服務質量得不到保證。

由仿真結果來看當系統信噪比要求提高時,系統可根據信道狀況的改善,改變調制模式,提高星座編碼數,以盡可能利用系統信道容量。當系統受各種因素影響導致接收信號信噪比降低時,系統可通過專用信令信道的協調,跟隨降低星座編碼數,從而在較低的系統信噪比下保證系統的誤比特率指標要求。由于數據業務追求更高的誤比特率指標要求(數值更低),因此其在相同系統信噪比條件下可達到的系統頻帶率低于較低誤比特率指標要求(數值稍高)的話音業務。由此從另一個角度說明本文所提出的自適應調制方式可在適應信道狀況的同時適應業務的變化,達到跨層優化系統性能的目的。

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A LEO satellite coordinated communications system adaptive modulation mechanism and performance analysis

YAN Zhi-yong1, LIU Fang2

我們提出一種在LEO衛星協同通信系統中根據信道狀態改變MQAM調制模式的實現方案，以在特性動態變化的信道中逼近山農信道容量，取得更好的系統性能。

LEO衛星協同通信系統；MQAM

晏志勇(1976－),男,江西上高人,講師,研究方向為機電一體化。

TN914

A

1009-0134(2011)1(上)-0158-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).48

2010-09-23