楊富銀，黃 焱，張白愚

(解放軍信息工程大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州450002)

1 衛(wèi)星通信中的ACM

衛(wèi)星通信由于具有覆蓋范圍廣、通信容量大、經(jīng)濟(jì)效益高、不受地理環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)，已成為信息化的主要支柱之一［1］。DVB-S2是2005年3月歐洲數(shù)字視頻廣播組織(Digital Video Broadcasting，DVB)發(fā)布的寬帶衛(wèi)星應(yīng)用的第二代傳輸標(biāo)準(zhǔn)，它采用了多種信道編碼和調(diào)制方案組合，采用LDPC碼與BCH碼級(jí)聯(lián)的糾錯(cuò)編碼方案，支持1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5/6，8/9，9/10 共 11種編碼碼率，可采用的調(diào)制方式包括QPSK，8PSK，16APSK和32APSK，它的核心技術(shù)是自適應(yīng)編碼調(diào)制(Adaptive Coding and Modulation，ACM)技術(shù)［2］。

與DVB-S采用的固定編碼調(diào)制(Constant Coding and Modulation，CCM)技術(shù)不同的是，DVB-S2采用的ACM技術(shù)將衛(wèi)星終端接收的信道狀態(tài)信息通過回傳信道反饋給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)根據(jù)該信息來調(diào)整調(diào)制方式和編碼碼率，以此來應(yīng)對(duì)信道的變化，從而使系統(tǒng)的整體傳輸性能達(dá)到最優(yōu)［3］。它要求根據(jù)單個(gè)用戶的鏈路條件來最優(yōu)化傳輸參數(shù)，比如，在一些無線系統(tǒng)里，傳輸效率是根據(jù)瞬時(shí)的信道條件針對(duì)每個(gè)終端進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整的。DVB-S2的ACM鏈路如圖1所示。

圖1 DVB-S2 ACM鏈路圖

通常ACM技術(shù)在優(yōu)化無線系統(tǒng)的性能方面是很有效的，但是在衛(wèi)星環(huán)境中仍存在一些嚴(yán)重影響ACM系統(tǒng)性能的因素，其中一個(gè)非常重要的因素就是自適應(yīng)回路延時(shí)，它會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)跟蹤信道變化的能力。自適應(yīng)回路延時(shí)有多個(gè)組成部分，包括衛(wèi)星終端報(bào)告信道狀態(tài)傳輸延時(shí)、回傳鏈路傳播延時(shí)、網(wǎng)關(guān)引入的延時(shí)和固定的240～250 ms衛(wèi)星前向鏈路延時(shí)(根據(jù)衛(wèi)星終端所處的經(jīng)緯度不同而不同)［4］。在衛(wèi)星環(huán)境中，很高的回路延時(shí)增加了信道的時(shí)變性，這將明顯降低ACM系統(tǒng)的效率。另外，在這樣不可靠的網(wǎng)絡(luò)中，反饋的信令信息通過一個(gè)不可靠的傳輸協(xié)議(比如UDP)來避免頻繁轉(zhuǎn)發(fā)，這將導(dǎo)致：萬一出現(xiàn)包丟失的情況，使用的將是過時(shí)的信道狀態(tài)信息。例如，在文獻(xiàn)［5］中，作者提出了一種編碼方案的平均頻譜效率算法，來幫助選擇最合適的編碼調(diào)制方案。然而，在給出的模型中，作者明顯地忽略了在非對(duì)稱的衛(wèi)星環(huán)境下由反饋信道產(chǎn)生的有抑制作用的延時(shí)問題，這造成了該模型在具有非常高的傳播延時(shí)的衛(wèi)星網(wǎng)中是無效的。

鑒于以上所述，本文提出采用基于預(yù)測(cè)的信道估計(jì)來取代瞬時(shí)估計(jì)的信道狀態(tài)信息，以此來應(yīng)對(duì)過多的回路延時(shí)帶來的不利影響。本文所提出的基于預(yù)測(cè)的方案主要依賴于LMS算法，該算法的特點(diǎn)就是具有相對(duì)較低的復(fù)雜度，很適合實(shí)時(shí)處理。

另外，有一些研究提出通過設(shè)置合適的固定門限值來動(dòng)態(tài)地調(diào)整編碼調(diào)制方案，但是，在這樣的情況下，錯(cuò)誤的門限值設(shè)置將會(huì)嚴(yán)重降低吞吐量性能［6］。由于門限值應(yīng)該是信道根據(jù)本身的環(huán)境來調(diào)整的，因此在選擇最優(yōu)的編碼調(diào)制方案時(shí)，固定的門限值設(shè)定是不可行的。因此，在對(duì)信道狀態(tài)信息預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的編碼調(diào)制方案選擇算法來選擇更穩(wěn)健的編碼調(diào)制方案，該算法考慮到測(cè)量的損傷，引入了一些余裕。另外，本文還設(shè)計(jì)了一種滑動(dòng)窗口技術(shù)，來應(yīng)對(duì)編碼調(diào)制方案的頻繁轉(zhuǎn)換和由此引起的系統(tǒng)性能的振蕩問題。通過以上的方法，能夠得到與當(dāng)前傳播條件相一致的最優(yōu)編碼調(diào)制方案，而傳統(tǒng)的方法則是依賴于最新測(cè)量的瞬時(shí)值。

2 基于信噪比預(yù)測(cè)的最優(yōu)編碼調(diào)制方案選擇

2.1 總體環(huán)境

在本文中研究的是一個(gè)DVB-S2同步衛(wèi)星，它的下行鏈路具有再生的有效載荷，回傳鏈路(即上行鏈路)采用DVB-RCS，這些在歐盟資助項(xiàng)目IMOSAN中有詳細(xì)的介紹。在這樣的再生結(jié)構(gòu)中，不同的上行鏈路上傳輸?shù)乃型ㄐ哦荚谙滦墟溌飞媳晦D(zhuǎn)播，這是通過建立一種兩層的單點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)來完成的。IMOSAN介紹了一套完整的使衛(wèi)星頻譜得到最佳利用的方法，它采用了強(qiáng)大的物理層前向糾錯(cuò)編碼方案，它保證了可以準(zhǔn)確無誤碼地工作在距香農(nóng)極限0.7～1 dB處。它采用了自適應(yīng)編碼調(diào)制(ACM)技術(shù)，根據(jù)傳播條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的鏈路自適應(yīng)調(diào)整，從而為個(gè)人終端或群體用戶提供更精確的信道保護(hù)。IMOSAN DVB-S2/DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IMOSAN DVB-S2/DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)

2.2 基于預(yù)測(cè)的信噪比估計(jì)算法

前面的論述已經(jīng)提到，同步衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在使用ACM技術(shù)的時(shí)候遇到了一些限制因素。這主要是因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)具有非常高的傳播延時(shí)和變化的信道(比如SNR)，從而使得最優(yōu)編碼調(diào)制方案的選擇變得更加復(fù)雜。

傳統(tǒng)的方法是利用瞬時(shí)估計(jì)的信噪比的值來選擇最優(yōu)的編碼調(diào)制方案，這個(gè)方法在非對(duì)稱的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中是不適合的，因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)中信道被估計(jì)的時(shí)間與發(fā)射機(jī)接收到信道狀態(tài)信息的時(shí)間之間有很大的延遲。為了克服這個(gè)限制，本文提出根據(jù)預(yù)測(cè)的信噪比估計(jì)瞬時(shí)值來進(jìn)行編碼調(diào)制方案的選擇。

本文提出的使用預(yù)測(cè)信噪比估計(jì)瞬時(shí)值的方法是基于最小均方誤差(LMS)算法，該算法采用的是基于梯度的最陡下降法。在第n步預(yù)測(cè)的信噪比的值^s是根據(jù)式(1)計(jì)算得出的，其中權(quán)向量W的初始值是隨機(jī)的，向量S包含信噪比的N個(gè)最新值。

這個(gè)算法利用下面的步驟來更新權(quán)向量W，這樣就可以在經(jīng)過很多次的迭代后得到最小均方誤差。

式中，μ是步長(zhǎng)因子，用來控制算法的收斂特性。

文獻(xiàn)［7］中指出，當(dāng)滿足如下條件時(shí)，LMS算法的穩(wěn)定性條件就能夠得到保證

式中，λmax是矩陣Rn=SnSTn的最大特征值。Rn是一個(gè)對(duì)稱矩陣，它的最大特征值和矩陣的跡是一致的。因此，μ的值可以按照如下式子進(jìn)行更新

2.3 新的編碼調(diào)制方案選擇算法

最優(yōu)編碼調(diào)制方案的選擇是在衛(wèi)星終端和衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)的協(xié)作下共同完成的。每個(gè)衛(wèi)星終端首先對(duì)信道信噪比進(jìn)行估計(jì)，然后通過回傳信道向網(wǎng)關(guān)報(bào)告信噪比值和衛(wèi)星終端支持的最有效的編碼調(diào)制方案，網(wǎng)關(guān)根據(jù)該信道狀態(tài)信息來選擇合適的編碼調(diào)制方案。在雨水的情況下，網(wǎng)關(guān)采用穩(wěn)健性較強(qiáng)的低階調(diào)制和低速率編碼，以保證一定的誤碼率要求;而在晴天的時(shí)候，則采用更高頻譜效率的編碼調(diào)制方案，提高了發(fā)送給衛(wèi)星終端的信息速率［8］。

本文提出了一種新的編碼調(diào)制方案選擇算法，該算法在變化的信道環(huán)境下更有利于選擇合適的編碼調(diào)制方案，這是因?yàn)樗コ艘恍┬瘦^低的編碼調(diào)制方案，并且給不同的信噪比區(qū)間增加了一定的余裕來保證總是選擇使數(shù)據(jù)速率最大化的最穩(wěn)健的編碼調(diào)制方案。其中，引入的余裕的值取決于測(cè)量的精度。具體如表1所示。

表1 SNR區(qū)間及其對(duì)應(yīng)的編碼調(diào)制方案

頻繁的編碼調(diào)制方案轉(zhuǎn)換將會(huì)導(dǎo)致性能的振蕩和不穩(wěn)定，為了避免此類狀況的發(fā)生，如圖3所示，本文提出使用一種滑動(dòng)窗口技術(shù)來使編碼調(diào)制方案的調(diào)整變得更平滑，同時(shí)把瞬態(tài)變化的影響降到最小。因此，本文研究的信噪比需要和每個(gè)窗口Ck測(cè)量的信噪比的平均值

圖3 SNR計(jì)算的滑動(dòng)窗口技術(shù)

因此，接收到的信噪比表達(dá)式為

式中，C是窗口的尺寸。經(jīng)過大量的仿真，得出最佳的C值為5，以下采用的就是該值。

3 實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

前面章節(jié)已經(jīng)對(duì)本文提出的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)描述，在本章主要通過仿真對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估。圖2給出了一個(gè)典型的DVB-S2網(wǎng)絡(luò)。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間是1 400 s，這個(gè)時(shí)間足夠來觀察實(shí)驗(yàn)涉及到的方案在不同的環(huán)境下的性能。在仿真的第1階段，系統(tǒng)里是沒有噪聲的;在仿真第2階段的開始，在t=245 s，引入一個(gè)噪聲源，該噪聲源使信噪比的值下降大約4 dB;在仿真第3階段的開始，在t=790 s，第2個(gè)噪聲源引入，該噪聲源使信噪比的值下降大約2 dB;仿真的最后階段從t=1 000 s開始，分別在t=1 000 s和t=1 200 s時(shí)依次撤銷第1和第2個(gè)噪聲源。這樣的性能評(píng)估可以看出本文采用的方案適應(yīng)噪聲水平變化的速度和精確度。

3.2 仿真結(jié)果與分析

圖4給出了衛(wèi)星終端仿真實(shí)驗(yàn)的信噪比瞬時(shí)值和預(yù)測(cè)值對(duì)比圖?？梢钥闯觯烙?jì)的精確度非常高，這說明了此預(yù)測(cè)機(jī)制是非常有效的。

圖5和圖6從可靠性和吞吐量方面顯示了實(shí)驗(yàn)方案保持一致。的性能。圖5為實(shí)驗(yàn)過程中基于瞬時(shí)值的ACM原方案和基于預(yù)測(cè)值的ACM新方案的誤碼率變化對(duì)比圖。圖6為實(shí)驗(yàn)過程中固定編碼調(diào)制方案、基于瞬時(shí)值的ACM原方案和基于預(yù)測(cè)值的ACM新方案的吞吐量對(duì)比圖。由圖5可以看出，本文提出的ACM新方案在實(shí)驗(yàn)過程中體現(xiàn)了較高的可靠性，無論是在信道條件好還是信道條件差的情況下誤碼率都比ACM原方案的低，這也說明了新方案在不斷變化的信道環(huán)境下，能夠根據(jù)信道環(huán)境很好地快速地調(diào)整編碼調(diào)制方案，極大地降低了系統(tǒng)的誤碼率。通過圖6可以看出3種方案下系統(tǒng)吞吐量的情況，采用ACM技術(shù)時(shí)系統(tǒng)的性能明顯比采用固定編碼調(diào)制技術(shù)的要好，在采用固定編碼調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)中，當(dāng)誤碼率高到一定程度時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量直接降到0 bit/s，同時(shí)從整體來看，與采用ACM原方案相比，采用ACM新方案的吞吐量有了一定的改善。

圖4 信噪比瞬時(shí)值和預(yù)測(cè)值的對(duì)比

圖5 實(shí)驗(yàn)過程中ACM原方案和ACM新方案的誤碼率變化

圖6 實(shí)驗(yàn)過程中固定編碼調(diào)制方案、ACM原方案和ACM新方案的吞吐量

綜上所述，本文提出的DVB-S2網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)化資源分配的新方案能夠精確地對(duì)信道狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，有效地消除了自適應(yīng)回路延時(shí)對(duì)DVB-S2自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)性能的影響，同時(shí)，與傳統(tǒng)方案相比，新方案能夠更好地完成最佳編碼調(diào)制方案的選擇，也避免了頻繁的編碼調(diào)制方案轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的系統(tǒng)性能振蕩和不穩(wěn)定狀況。新方案改善了系統(tǒng)的性能，使網(wǎng)絡(luò)資源得到了更有效的利用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)DVB-S2網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)化資源分配的方案進(jìn)行了研究，首先提出了一種基于預(yù)測(cè)的信噪比估計(jì)算法，來解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中反饋帶來的過多延時(shí)的問題。在預(yù)測(cè)值的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的編碼調(diào)制方案選擇算法，該算法考慮到了測(cè)量損傷，通過引入一些余裕來完成更穩(wěn)健的編碼調(diào)制方案的選擇。另外，本文還提出了一種滑動(dòng)窗口技術(shù)，來解決編碼調(diào)制方案頻繁轉(zhuǎn)換以及其帶來的系統(tǒng)性能的振蕩問題。大量的實(shí)驗(yàn)仿真證實(shí)了本文提出的方案能夠?qū)π诺拉h(huán)境進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，在實(shí)時(shí)處理中能夠更好地選擇最合適的編碼調(diào)制方案，性能比傳統(tǒng)的方案更優(yōu)。

［1］王世強(qiáng)，侯妍.衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)研究及其未來發(fā)展［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(17)：63-65.

［2］ETSI EN 302 307 V1.2.1，Digital video broadcasting(DVB);second generation framing structure，channel coding and modulation systems for Broadcasting，Interactive Services，News Gathering and other broadband satellite applications(DVB-S2)［S］.2009.

［3］郭映月，黃焱.ACM技術(shù)在DVB-S2 IP單播系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2006，30(4)：62-64.

［4］ETSI TR 102 376 V1.1.1，Digital video broadcasting user guidelines for the second generation system for Broadcasting，Interactive Services，News Gathering and other broadband satellite applications(DVB-S2)［S］.2005.

［5］HOLE K J，HOLM H，OIEN G E.Adaptive multidimensional coded modulation over flat fading channels［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2000，18(7)：1153-1158.

［6］TAKEDA D，CHOW Y C，STRAUCH P，et al.Threshold controlling scheme for adaptive modulation and coding system［C］//Proc.IEEE PIMRC’04.［S.l.］：IEEE Press，2004：1351-1355.

［7］HAYKIN S.Adaptive filter theory［M］.3rd ed.［S.l.］：Prentice Hall，1996.

［8］方霖，雷菁，雍玲.自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)在DVB-S2中的應(yīng)用［J］.中國(guó)有線電視，2006(17)：1697-1700.