晏志勇，劉 芳

（1. 新余學(xué)院 機(jī)電工程系，新余 338000；2. 新余學(xué)院 計算機(jī)系，新余 338000）

一種LEO衛(wèi)星協(xié)同通信系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制與性能分析

晏志勇1，劉 芳2

（1. 新余學(xué)院 機(jī)電工程系，新余 338000；2. 新余學(xué)院 計算機(jī)系，新余 338000）

0 引言

由于星上系統(tǒng)到地面終端信號傳播過程中各種效應(yīng)的影響,當(dāng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的地面移動終端在小仰角工作時,信號的隨機(jī)衰落甚至超過30dB。隨著近年來集成電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展、大功率高頻寬帶放大器的設(shè)計實(shí)現(xiàn),以各種信號處理技術(shù)的長足進(jìn)步,為自適應(yīng)技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,從而打破傳統(tǒng)的固定發(fā)射功率、固定碼率、確定編碼調(diào)制方式的衛(wèi)星通信系統(tǒng)物理層設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法提供了可能。在自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)中,一般使地面終端在理想的信道條件下采用較高階的調(diào)制方式,從而在一定的發(fā)射功率限制條件下保證接收信號的信噪比,達(dá)到保證系統(tǒng)誤碼性能指標(biāo)的目的當(dāng)信道條件惡化時,通過對接收信號的測量感知信道狀態(tài)的改變,適應(yīng)性采用較低階的調(diào)制方式,從而在一定的發(fā)射功率限制條件下、通過降低信號速率來補(bǔ)償接收信號信噪比下降對系統(tǒng)誤碼指標(biāo)的影響,最終達(dá)到保證系統(tǒng)誤碼性能指標(biāo)的目的。

參照自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)(Adaptive Coding and Modulation)在UTMS等系統(tǒng)中的成功運(yùn)用,考慮到未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)星上處理能力(onboard processing-OBP)與終端處理能力的提高,在LEO衛(wèi)星協(xié)同通信系統(tǒng)中,通過對系統(tǒng)信道狀態(tài)的實(shí)時測量,通過一定的信令輔助手段,在信道狀態(tài)發(fā)生改變的情況下,自適應(yīng)改變編碼調(diào)制方式,通過改變編碼方法、符號傳輸速率、調(diào)制方式、或者擴(kuò)頻碼的擴(kuò)頻因子、使衛(wèi)星通信系統(tǒng)的調(diào)制編碼方法能夠跟隨信道狀態(tài)的變化,在相當(dāng)大的工作周期比例內(nèi)逼近信道的山農(nóng)容量極限,有效保證重要業(yè)務(wù)的傳輸,可利用自適應(yīng)編碼調(diào)制(Adaptive Coding and Modulation)技術(shù)達(dá)到充分利用寶貴的衛(wèi)星無線信道資源的目的。由此,我們提出一種在LEO衛(wèi)星協(xié)同通信系統(tǒng)中根據(jù)信道狀態(tài)改變MQAM調(diào)制模式的實(shí)現(xiàn)方案,以在特性動態(tài)變化的信道中逼近山農(nóng)信道容量,取得更好的系統(tǒng)性能。

1 LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)模型設(shè)計

圖1給出在LEO衛(wèi)星協(xié)同通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)MQAM自適應(yīng)調(diào)制的原理框圖。

地面終端的待傳信息經(jīng)交織、編碼等基帶處理后,按照系統(tǒng)控制指令選擇特定MQAM星座進(jìn)行MQAM調(diào)制,調(diào)制信號經(jīng)濾波、射頻調(diào)制、與射頻放大等處理后經(jīng)過具有各種衰落和噪聲影響的無線信道到達(dá)星上接收機(jī)。

星上接收端對地面終端發(fā)送信息按預(yù)先信令約定的調(diào)制模式對信號進(jìn)行解調(diào)和譯碼,輸出解調(diào)信號。在接收端對接收信號的功率或信噪比進(jìn)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(tǒng)信噪比參數(shù)進(jìn)行綜合評估。根據(jù)對相應(yīng)信道信噪比的估計結(jié)果在假定上、下行信道互惠的情況下、或根據(jù)一定關(guān)系公式,參照當(dāng)前信道上所承載的業(yè)務(wù)誤比特率要求,決定相應(yīng)信道的調(diào)制模式并通過信令信道反饋給發(fā)送端。同時在下行信道中按照決定的調(diào)制模式進(jìn)行改變。發(fā)送端根據(jù)星上處理器的決定進(jìn)行MQAM調(diào)制,同時將自身對系統(tǒng)信噪比測試的結(jié)果,向星上處理器發(fā)送,以供星上處理器用于計算信道狀態(tài)參數(shù)使用。

圖1 AMQAM原理框圖

我們首先在假設(shè)信道平穩(wěn)的前提下假設(shè)信道衰落的相干時間大于業(yè)務(wù)信息包一次傳輸所需時間周期。即:信道參數(shù)變化的速率遠(yuǎn)低于符號傳輸速率,信道特性參數(shù)在數(shù)百個符號傳送周期內(nèi)可近似看作常數(shù),同時假設(shè)以上信道狀態(tài)估計、調(diào)制方式同步時間參數(shù)和信道估計誤差為0。

對于上述的MQAM系統(tǒng),由于解調(diào)器具有M=2n(n=1,2…) 個固定的電平,進(jìn)行相干解調(diào)時,每M進(jìn)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(diào)制方式的星座點(diǎn)數(shù)等。Q (x)是Q函數(shù),可用誤差函數(shù)erfc (x)表示為:

誤差函數(shù)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(tǒng)的誤比特率是信噪比γ=E/N0和MQAM通信系統(tǒng)調(diào)制模式M的確定函數(shù)。在確定業(yè)務(wù)n的誤比特率Pb≤BERk要求前提下,可求出系統(tǒng)當(dāng)前信噪比Eb/N0與調(diào)制模式n的對應(yīng)關(guān)系。由于物理實(shí)現(xiàn)的限制,調(diào)制模式M應(yīng)取2的冪數(shù),即有M=2n(n=1,2…) 。因此,對于某種特定的第k類業(yè)務(wù)所要求的特定的門限誤比特率BERr,可求出針對當(dāng)前系統(tǒng)信噪比指標(biāo)γk=Eb/N0所對應(yīng)的最佳MQAM通信系統(tǒng)調(diào)制模式。

假設(shè)MQAM系統(tǒng)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(dāng)γ＜γk1時,根據(jù)業(yè)務(wù)類型k選擇什么都不發(fā)送(業(yè)務(wù)暫時中斷-非實(shí)時連接業(yè)務(wù))或選擇按最低發(fā)送速率的最低調(diào)制模式發(fā)送(BPSK)。這里γk1代表第k類業(yè)務(wù)在最低調(diào)制模式下保證誤比特率門限指標(biāo)所需的最低信噪比門限;

2)當(dāng)γkn＜γ＜γk(n+1)時,選擇調(diào)制模式1≤n≤N。這里γkn代表第k類業(yè)務(wù)在調(diào)制模式n下誤比特率門限指標(biāo)所對應(yīng)的最低系統(tǒng)信噪比門限。

3)當(dāng)γ＞γkN時,選擇調(diào)制模式N。這里γkN代表第k類業(yè)務(wù)在最高發(fā)送速率下選擇最高調(diào)制模式保證誤比特率門限指標(biāo)所需的最低信噪比門限。

假設(shè)話音業(yè)務(wù)所要求的誤碼率BERv＜10-3,流媒體業(yè)務(wù),交互式業(yè)務(wù)與后臺業(yè)務(wù)所要求的誤碼率BERd＜10-6,則可在對應(yīng)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(yè)務(wù)相對應(yīng)的BER門限,求出各種調(diào)制方式下的SNR-BER曲線與這條直線的交點(diǎn)的SNR值,即可作為各種調(diào)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(jié)果。

表1 信噪比參數(shù)與MQAM模式的選擇對照表

2 性能分析

我們已知MQAM系統(tǒng)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(yīng)該用系統(tǒng)在每一個區(qū)間的數(shù)據(jù)速率與系統(tǒng)落在該區(qū)域的概率進(jìn)行加權(quán)求和求解,即如果設(shè)系統(tǒng)落在以信噪比門限γn表示的區(qū)間的概率為Pγ(γ),假設(shè)信道條件為緩變平坦衰落信道,信道變化速率遠(yuǎn)低于符號傳輸速率,即信道特性在數(shù)百個符號傳輸周期內(nèi)近似為常數(shù)。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(tǒng)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(yīng)調(diào)制方法將系統(tǒng)工作模式按系統(tǒng)信噪比情況劃分為M個離散的區(qū)間,在每個區(qū)間內(nèi)保證實(shí)際系統(tǒng)信噪比高于由業(yè)務(wù)質(zhì)量要求所對應(yīng)的系統(tǒng)信噪比門限,因此系統(tǒng)實(shí)際工作的誤比特率指標(biāo)通常低于由用戶業(yè)務(wù)質(zhì)量所要求的目標(biāo)誤比特率指標(biāo),為:

根據(jù)以上分析進(jìn)行數(shù)值仿真,可以看到,通過采用自適應(yīng)方式,使系統(tǒng)容量動態(tài)逼近系統(tǒng)信道的動態(tài)容量,而對于采用固定模數(shù)的QAM系統(tǒng)要么是為了保證系統(tǒng)在90%的分布空間對最苛刻業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量的保證而浪費(fèi)了系統(tǒng)的大多數(shù)容量,要么就是使相當(dāng)部分的信道條件下用戶業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量得不到保證。

由仿真結(jié)果來看當(dāng)系統(tǒng)信噪比要求提高時,系統(tǒng)可根據(jù)信道狀況的改善,改變調(diào)制模式,提高星座編碼數(shù),以盡可能利用系統(tǒng)信道容量。當(dāng)系統(tǒng)受各種因素影響導(dǎo)致接收信號信噪比降低時,系統(tǒng)可通過專用信令信道的協(xié)調(diào),跟隨降低星座編碼數(shù),從而在較低的系統(tǒng)信噪比下保證系統(tǒng)的誤比特率指標(biāo)要求。由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)追求更高的誤比特率指標(biāo)要求(數(shù)值更低),因此其在相同系統(tǒng)信噪比條件下可達(dá)到的系統(tǒng)頻帶率低于較低誤比特率指標(biāo)要求(數(shù)值稍高)的話音業(yè)務(wù)。由此從另一個角度說明本文所提出的自適應(yīng)調(diào)制方式可在適應(yīng)信道狀況的同時適應(yīng)業(yè)務(wù)的變化,達(dá)到跨層優(yōu)化系統(tǒng)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(wèi)星協(xié)同通信系統(tǒng)中根據(jù)信道狀態(tài)改變MQAM調(diào)制模式的實(shí)現(xiàn)方案，以在特性動態(tài)變化的信道中逼近山農(nóng)信道容量，取得更好的系統(tǒng)性能。

LEO衛(wèi)星協(xié)同通信系統(tǒng)；MQAM

晏志勇(1976－),男,江西上高人,講師,研究方向?yàn)闄C(jī)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