伍 萍

（信息工程大學 信息工程學院，河南 鄭州450002）

0 引言

衛(wèi)星通信自20世紀40年代提出，并經過了半個多世紀的發(fā)展，已逐漸成為區(qū)域與跨洋通信、國家基礎干線通信、國防軍事通信、行業(yè)及企業(yè)專網通信乃至個人通信的重要手段，隨著信息全球化、互聯(lián)網和數(shù)字多媒體通信以及視頻、音頻廣播業(yè)務的增長、通信個體化、機動性及無縫覆蓋的需求，衛(wèi)星通信將會發(fā)揮越來越重要的戰(zhàn)略作用。優(yōu)化衛(wèi)星通信鏈路可以很大程度上節(jié)省成本，優(yōu)化衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以從以下幾個方面：對基帶數(shù)據(jù)有效壓縮、提高轉發(fā)器功率利用率、提高轉發(fā)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(yōu)化衛(wèi)星通信。

1 優(yōu)化衛(wèi)星通信的VSAT衛(wèi)星通信網技術

1.1 網絡拓撲結構

衛(wèi)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(huán)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(shù)據(jù)網，以改善其自動化管理、發(fā)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(huán)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(yè)務傳輸?shù)膽铆h(huán)境。此種結構的VSAT網在進行點到點間傳輸或實時性業(yè)務傳輸時采用網狀結構，而進行點到多點間進行數(shù)據(jù)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(yōu)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(yè)務傳輸，能擇優(yōu)選擇最合適的多址方式，估計會有較大的發(fā)展[1]。

1.2 VAST組網方式

VSAT組網非常靈活，可根據(jù)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(yè)務子網和控制子網兩部分，業(yè)務子網負責交換、傳輸數(shù)據(jù)或話音業(yè)務，控制子網負責對業(yè)務子網的管理和控制。傳輸數(shù)據(jù)MIA話音業(yè)務的信道可稱為業(yè)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(yè)務子網的組網則視業(yè)務的要求而定，通常數(shù)據(jù)網為星狀網而話音網為網狀網。

2 優(yōu)化衛(wèi)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?shù)挠行院涂煽啃浴Ｔ趥鹘y(tǒng)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(xiàn)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(fā)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(tǒng)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(fā)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(wèi)星通信系統(tǒng)，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(wèi)星移動通信。

2.2 優(yōu)化衛(wèi)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(shù)，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?shù)木幋a算法，相應的系數(shù)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(lián)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(tǒng)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(tǒng)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(lián)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(shù)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(xiàn)。為了解決性能與設備復雜性的矛盾，1966年Forney提出了級聯(lián)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(lián)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(fā)差錯,而內碼主要用于糾隨機差錯。在采用級聯(lián)碼的通信系統(tǒng)中,首先將輸入數(shù)據(jù)送入糾正突發(fā)錯誤的編碼器，這個編碼器叫外編碼器(采用外碼的編碼規(guī)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(guī)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(xiàn)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(shù)差異進行連續(xù)性的估計和跟蹤。通過專用的自適應濾波和相位鎖定環(huán)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(tài)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(wèi)星電路的兩端能夠在同一個頻帶上同時發(fā)送各自的載波，明顯節(jié)省衛(wèi)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(wèi)星轉發(fā)器利用效率，無與倫比的節(jié)省費用效果，優(yōu)化衛(wèi)星通信系統(tǒng)，提高通信保密性能 。

3 結語

本文對VSAT衛(wèi)星通信進行了討論，由于其組網方式具有優(yōu)越性，在現(xiàn)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(wèi)星通信系統(tǒng)，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(jié)省功率；波迭加技術使得全雙工衛(wèi)星電路的兩端能夠在同一個頻帶上同時發(fā)送各自的載波，明顯節(jié)省衛(wèi)星帶寬，通過以上技術的討論，對優(yōu)化衛(wèi)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(wèi)星信道編碼技術及新發(fā)展[J].通信技術,2008,41(07):30-31.

[3] 王新梅,肖國鎮(zhèn).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.