衛星自適應編碼調制體制下傳輸模式研究

郝廣凱，陸格格，雷 鳴，陸衛強，汪思冒

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

0 引 言

隨著科技和信息技術的不斷發展，人們對衛星通信傳輸速率的要求越來越高。目前國內在軌的星載高速數傳發射機基本采用單一的調制方式，通常情況下系統使用固定編碼及調制方式。為了保證鏈路在最大的傳輸距離衰減和最差天氣的損耗情況下的數據傳輸質量，要求在系統設計時不得不提供充分的鏈路余量來抵消環境因素所導致的衰減。在軌運行的衛星數傳發射機會采用較高的發射功率，具有很好糾錯性能的編碼方式和低階調制體制，但這是以犧牲衛星通信系統的傳輸能力為代價的[1]。

衛星自適應編碼和調制體制使數傳系統能夠根據接收端估計的信道信息動態地跟蹤信道變化，自適應改變編碼和調制方式，從而使功率利用率、信息傳輸速率以及頻帶利用率都能達到最優[2]。自適應編碼調制體制的使用可以更充分地利用信道資源，達到較高的信息傳輸速率與吞吐量[3]。

1 自適應編碼調制技術

自適應編碼調制（Adaptive Coding and Modulation，ACM）技術是在發射功率不變的情況下，數據傳輸系統根據信道參數的變化自適應地改變系統的編碼方式和調制體制，以匹配信道變化實現高效的傳輸。ACM系統的原理為遙感載荷產生的海量觀測數據經過編碼調制等處理后由數傳發射機經信道傳輸給地面，其中編碼調制體制由數據處理器來確定。數據處理器有兩種方式確定編碼調制體制，一是根據程控指令，二是根據遙控指令。地面網關根據接收機傳來的信道參數的變化情況，利用自適應算法確定編碼調制體制，以采用與信道相匹配的最優的傳輸模式，并將切換指令傳輸給衛星數傳系統和地面接收機[4]。信息到達接收機后，接收機一方面對信道進行估計，確定信道參數，如果發生改變就將信道參數反饋給地面網關設備；另一方面根據網關的發送編碼調制模式指令進行解調和譯碼，最終得到遙感載荷數據。

2 編碼調制模式確定

自適應編碼調制傳輸模式可以保障數傳系統根據地面網關設備的指令進行切換，從而實現數據傳輸。在進行自適應編碼調制系統設計時，必須先確定數據傳輸系統的編碼調制模式。ACM系統中編碼調制模式（Modulation and Coding Scheme，MCS）組合的數目稱為MCS級數，MCS級數越大，能夠進行轉換的編碼調制體制也就越多，對信道的匹配情況越好。但是MCS級數越大，衛星數傳系統設計的復雜性也就越高，耗費的資源也就越多。因此，自適應編碼調制系統中編碼調制模式的確定需要綜合考慮系統的資源消耗、運算復雜性以及系統性能等因素[5]。

自適應編碼調制系統中設計采用的調制體制分別為QPSK、8PSK、16APSK、32APSK，編碼方式結合DVB-S2標準以及在軌實際使用方式，采用低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）。自適應編碼調制系統根據信道參數變化，利用自適應算法改變LDPC碼的編碼效率和調制體制來匹配信道變化[6,7]。

在系統傳輸帶寬恒定的條件下，將不同編碼效率的LDPC編碼分別和QPSK、8PSK、16APSK、32APSK一起組合仿真得到各MCS在高斯白噪聲信道下的抗噪性能。經過仿真得到各個MCS接收端要達到10-5誤碼率所需的信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）值和所對應的理論上的頻譜利用率，如表1、圖1所示。

表1 不同編碼調制模式理論頻譜利用率及所需的SNR值

圖1 各個編碼調制模式對應頻譜利用率及到達目標比特率所需的SNR值比較

為了保證衛星數據傳輸系統在信道特別差的情況下仍然可以可靠地進行信息傳輸，低階調制編碼方式MCS1（QPSK 1/2）必須選擇。同樣為了能使系統在信道情況非常好的情況下高速進行數據傳輸，高階的調制編碼模式MCS16（32APSK 8/9）必須選擇。除此之外，剩下的編碼調制組合的采用信噪比等間隔依次遞增的方法進行挑選。自適應編碼調制系統的性能會隨著MCS級數的增大而逐漸提升，但是系統的消耗和復雜性也會增加。綜合衡量自適應編碼調制系統的性能和系統實現的難易程度，根據參考文獻[8]提出的在DVB-S2標準下自適應編碼調制系統最佳的MCS級數為7，多模式數字調制器采用的7種MCS分別為QPSK 1/2、QPSK 3/4、QPSK 7/8、8PSK 3/4、16APSK 3/4、32APSK 3/4、32APSK 8/9，這樣各個MCS切換閾值分布比較均勻。表2為高速數傳系統中可供切換的MCS，圖2為可供切換的編碼調制模式在高斯白噪聲信道下的抗誤碼性能曲線。

表2 高速數傳系統中可供切換的MCS

圖2 可供切換的MCS在高斯白噪聲信道下的抗誤碼性能曲線

3 系統設計

衛星通信數據傳輸系統采用自適應編碼調制技術后，編碼調制模式會隨著通信信道參數的變化而發生改變，數據傳輸速率也隨之改變。由于衛星頻帶受限，因此不能滿足無限制速率的信息傳輸。在進行編碼調制方式切換時，需要在充分利用頻帶資源的前提下達到最大的傳輸速率，以滿足系統的數據傳輸需求。Ka頻段下假設系統傳輸帶寬小于800 MHz，所選7種MCS的最大傳輸速率如表3所示。

表3 所選7種MCS最大傳輸速率

按照傳統的鏈路設計思路，參考各地面站雨衰情況，鏈路設計取值如表4所示[9]。由表4可以看出，按照星上有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）設計為 41.5 dBW，僅在 600 Mb/s的QPSK傳輸時有充足的鏈路余量，其余傳輸模式下無法滿足數據正常傳輸需求。

表4 數傳系統鏈路計算表

數傳系統采用ACM傳輸，可根據傳輸鏈路的信道情況進行實時估計，從而決定傳輸模式。根據表4，在不下雨的情況下，32APSK的3 000 Mb/s傳輸有充足的鏈路余量。根據文獻[10]在系統97%可用度情況下，可實現32APSK的傳輸。

4 結 論

自適應編碼調制技術是在地面站資源有限條件下提升數傳速率的有效手段，是衛星數據通信目前研究發展的重點。在現有衛星數傳系統基礎上，本文提出了有效可行的自適應編碼調制系統，確定了7種自適應編碼調制的傳輸模式。經仿真分析，采用自適應編碼調制技術可有效提升系統的傳輸速率和吞吐率。