羅 毅

（中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局，陜西西安 710001）

0 引 言

Internet在生活中被越來越廣泛地應用，且網(wǎng)絡技術(shù)加快了發(fā)展步伐。在對數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)進行建設或升級改造時，使用IP技術(shù)已經(jīng)成為第一選擇。因為IP技術(shù)在傳輸數(shù)據(jù)方面具有眾多優(yōu)勢，如網(wǎng)絡協(xié)議比較開放、互聯(lián)互通性能良好、使用的網(wǎng)絡接口整齊劃一、用戶可以靈活接入、可以自動查詢網(wǎng)絡地址等。當前，IP技術(shù)已經(jīng)被運用到眾多領(lǐng)域，包括航天測控在內(nèi)的領(lǐng)域也已開始使用IP技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。IP協(xié)議在封裝數(shù)據(jù)分組方面會消耗大量字節(jié)，有些使用專用網(wǎng)絡但并沒有太多業(yè)務量。為了能夠滿足其服務質(zhì)量要求，雖然IP化傳輸在傳輸過程中也會增加帶寬的數(shù)量，但是與專線電路相比，并不會造成一些與其他以光纖為互聯(lián)方式形成的類似問題。航天測量船經(jīng)常會因為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器而造成資源緊張的局面，甚至已經(jīng)造成IP網(wǎng)互聯(lián)提前進入瓶頸期，主要原因是傳輸帶寬的限制。所以，想要提高傳輸效率，滿足帶寬業(yè)務的需求，將衛(wèi)星通信技術(shù)與IP技術(shù)之間進行有機結(jié)合勢在必行，但前提是要改進原有技術(shù)且制作出優(yōu)化方案。

1 ACM技術(shù)工作原理

無線通信系統(tǒng)希望充分利用現(xiàn)有的寬帶資源提高系統(tǒng)內(nèi)的信道容量，衛(wèi)星通信也采取了相同的做法。傳統(tǒng)的通信技術(shù)為了提升系統(tǒng)的可靠性，一般會采用較高效的信道編碼，并且會以多進制調(diào)制方式提高頻譜的利用率。因為編碼和調(diào)制方法都處于一種固定不變的狀態(tài)，一旦遇到鏈路條件惡劣的情況，只有系統(tǒng)余量充足才能保證通信正常，或者保證誤比特率（BER）的數(shù)值在正常范圍內(nèi)。保持信道條件穩(wěn)定是為了達到誤比特率的要求，如果信道條件惡化，必然會降低信噪比（SNR），信噪比下降到臨界值以下，便會降低系統(tǒng)性能。為了提高系統(tǒng)性能到原有水平，只能采取高效的抗衰落技術(shù)。

編碼調(diào)制工作模式的分類依據(jù)來源于發(fā)送端調(diào)制的編碼方案（MCS），根據(jù)其是否會發(fā)生變化可以分為恒定編碼調(diào)制（CCM）、可變編碼調(diào)制（VCM）以及自適應編碼調(diào)制（ACM）[1]。恒定編碼調(diào)制使用最廣泛且操作簡單；可變編碼調(diào)制適合在載波單一但包含信號較多的系統(tǒng)中使用；而自適應編碼調(diào)制卻適用于載波單一、信號單一的系統(tǒng)。自適應編碼調(diào)制在提高信道利用率方面采取了建立閉環(huán)控制系統(tǒng)的措施。該系統(tǒng)的工作理念是將信號發(fā)送至接收端，由接收端根據(jù)信號的質(zhì)量估計信道的實時情況，然后再將其傳送至發(fā)射端，發(fā)射端需要對編碼和調(diào)制方式進行動態(tài)變更，以適應信道狀態(tài)。由于無線信道產(chǎn)生了變化，接收機也需要及時更改與之對應的一些數(shù)據(jù)，然后才能更好地利用信道資源，是在不增加信道帶寬的情況下真正提高鏈路吞吐量的最簡潔途徑，且更改數(shù)據(jù)可以有效避免發(fā)生誤碼的情況，增強信道資源的抗干擾能力，提高頻譜的使用效率，長期以往提高傳輸數(shù)據(jù)的服務質(zhì)量。自適應編碼調(diào)制技術(shù)的主要作用是克服信道的時變性和對鏈路中的損耗進行補償，所以信道質(zhì)量有所改變時并不一定要改變發(fā)射功率，只要改變發(fā)送端的編碼方案接口。想要使通信系統(tǒng)長期處于可用狀態(tài)，必須控制好數(shù)據(jù)的傳輸速度。傳輸速度并不是隨意控制的，而是要根據(jù)信道的條件進行調(diào)節(jié)。高階的編碼方案只適用于質(zhì)量較好的信道，對一些質(zhì)量較差的信道，使用低階的編碼方案更穩(wěn)妥。

2 衛(wèi)星通信中的ACM技術(shù)

衛(wèi)星通信鏈路不但可以實現(xiàn)遠距離傳輸信息，而且可以增大傳輸時延，實現(xiàn)大面積覆蓋。當電波與衛(wèi)星之間進行傳播時，會遇到各種各樣的阻礙使電波衰減，不同地方還可能會影響到信號的強度。在這種復雜的信道條件下，建議使用ACM技術(shù)。

2.1 DVB-S2＿ACM技術(shù)

DVB-S2第二代傳輸標準在2005年發(fā)布，發(fā)布的主體是歐洲各國，并且將ACM技術(shù)作為了整個帶寬衛(wèi)星應用的核心技術(shù)，以BCH碼級聯(lián)為編碼方式，支持多達11種編碼率，在調(diào)制方式上也支持QPSK、8PSK等28種，但是在應用時編碼方案可以根據(jù)實際情況進行縮減。使用DVB-S2＿ACM技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)有眾多要素構(gòu)成[2]，如DVB-S2標準并不適用于所有的傳輸方式，僅僅能夠滿足類似于衛(wèi)星到用戶小站的傳輸距離。所以，信息從用戶小站出來直至到達信關(guān)站的反饋信道需要用到其他標準。DVB-S2＿ACM技術(shù)在數(shù)字視頻廣播領(lǐng)域使用較為廣泛，一些雙向交互業(yè)務也會采用這一技術(shù)?？梢姡摷夹g(shù)在大型公用寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡方面更具優(yōu)勢。

2.2 DVB-S2＿ACM技術(shù)的性能

根據(jù)DVB-S2標準制定的方案，更適用于一些數(shù)據(jù)廣播和高速數(shù)據(jù)應用。由于該技術(shù)在編碼輸出上相對固定，所以FEC中包含的比特數(shù)是固定的，意味著一個編碼方案將會對應多個符號數(shù)。在這種情況下，要十分注意同步問題，且在調(diào)節(jié)的復雜程度上有所增加。當信噪比（SNR）的數(shù)值偏低時，對于跟蹤一些高階調(diào)制的載波會有所困難。為了能夠繼續(xù)對其進行跟蹤，需要及時添加一些引導符號。如果選擇的編碼方案是更低階的，編碼時延反而會隨著吞吐量的降低而增加。有些IP應用本來需要處于一種低速條件，比如話音。為了能夠讓設備的生產(chǎn)商對編碼方案自行定義一個幀頭信道用于向發(fā)送端回傳信噪比（SNR），DVB-S2估計將這一部分設置了留白。所以，一般情況下，自適應編碼調(diào)制技術(shù)（ACM）并沒有統(tǒng)一的使用標準，每一項技術(shù)都屬于各自所擁有的。在對信噪比（SNR）進行報告時，還需要占用一個寬帶。由于預先計算的編碼率并沒有將其納入其中，導致了實際的頻譜效率會低于預期。如果忽略衛(wèi)星鏈路的傳播時延，自適應編碼調(diào)制技術(shù)系統(tǒng)在時延情況最糟糕的情況下，編碼方案對應的編碼時延也不會低于20 ms。如果保持其他數(shù)據(jù)固定不變，那么編碼時延和數(shù)據(jù)速率之間將成反比關(guān)系。

3 衛(wèi)星通信IP網(wǎng)中ACM技術(shù)的應用分析

3.1 可行性分析

現(xiàn)階段，我國的岸船間進行通信基本都采用點對點雙星衛(wèi)星電路方式，具體包括數(shù)據(jù)、話音、圖像3種業(yè)務類型。話音業(yè)務在傳輸上依然沿用專線電路傳輸方式，與原有方式的不同之處是雙星衛(wèi)星在傳輸過程中會經(jīng)歷一個協(xié)議轉(zhuǎn)換器。增加該裝置的目的是共同將信息接入IP網(wǎng)。衛(wèi)星通信的基本工作模式是恒定編碼調(diào)制（CCM），一般以QPSK對其進行調(diào)制、碼率為3/4的Turbo乘積碼（TPC）。對傳輸時延也提出了具體要求，端到端的IP業(yè)務在傳輸信息時不能超過400 ms。為了使比特率（BER）的數(shù)值優(yōu)于10且有較大的功率余量，必須確保接收端的Eb與N0的比值在10 dB之間。通過與TPC所需的Eb/N0的數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，能夠顯著提高鏈路吞吐量的方式是將余量轉(zhuǎn)化為通信能力[3]。實驗研究表明，鏈路速率在實際開通中可以完全可以超過64 kb/s，也就是說即使設計的方案完全合理，編碼時延也可能會發(fā)生大幅降低，從而達到端到端業(yè)務在傳輸過程中時延小于400 ms的條件。所以，想要在原有的指標要求下提高頻譜利用率，可以選擇ACM為主要的工作模式。但是，在通信雙方衛(wèi)通的選擇上會有所要求，需要使用CDM625型的MODEM。

3.2 ACM工作過程

通過IP網(wǎng)互聯(lián)可以實現(xiàn)衛(wèi)通站A到衛(wèi)通站B的單向鏈路。具體的工作流程為：當衛(wèi)通站A處于陽光明媚的天氣時，衛(wèi)通站B可以在信噪比（SNR）狀態(tài)最大時接收到信號，然后在以編碼方案（MCS）為計算依據(jù)算出Eb/N0；該數(shù)值經(jīng)由衛(wèi)通站B反饋給衛(wèi)通站A，由ACM控制器與編碼方案（MCS）中的比特率（BER）進行比較，然后對編碼方案（MCS）進行選擇，使用的編碼方面（MCS）越高階，對應的比特率（BER）Eb/N0的數(shù)值越高，但是衛(wèi)通站B用于接受信號的Eb/N0的數(shù)值會降低，只有將Eb/N0的數(shù)值調(diào)整到相近，且余量不能夠繼續(xù)支出其使用更高階的編碼方案（MCS）時，才能夠使最終的鏈路吞吐量達到最大；當衛(wèi)通站A處于雨水天氣時，衛(wèi)通站B接收信號的信噪比（SNR)以及Eb/N0都會降低，比特率（BER）便不能夠與衛(wèi)通站B傳回的Eb/N0相匹配，這時ACM控制器便會選擇低階的編碼方案（MCS），衛(wèi)通站B再次接收到的信號Eb/N0也會隨之提高，然后可以有效改善鏈路的性能。

3.3 注意事項

雖然CDM625型MODEM可以滿足各種用戶提出的不同要求，但是如果將其應用于航天測量船和任務中心間的相互通信，還需注意以下要求。

3.3.1 緩存器大小應設置在一個合理的范圍內(nèi)

CDM625在廣域太網(wǎng)口中設置緩存器的目的是及時進行調(diào)整以適應編碼方案造成的鏈路吞吐量的變化，以防數(shù)據(jù)丟失。該緩存器根據(jù)低階MCS0進行設置，合理范圍為20～780 ms，系統(tǒng)的時延也會隨著緩存器數(shù)值的變化而變化。如果將該緩存器用于岸船間的衛(wèi)星通信IP網(wǎng)互聯(lián)，為了滿足指標要求，需要將緩存器的參數(shù)設置為20 ms。

3.3.2 端口不在限速

用衛(wèi)通電路對IP網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進行同步時，一般會對路由器進行端口限速，限速的標準是信道帶寬。CDM625可以通過自協(xié)商協(xié)議實現(xiàn)IP接口和本地網(wǎng)絡的共聯(lián)，在控制擁塞方面采取暫停幀的方式。這樣做是為了避免接口緩存器溢出，且使其長期保持在75%～87%范圍內(nèi)。這樣無論是使用交換機還是路由器，都不會再受到傳輸速度的限制[4]。

3.3.3 編碼方案應明確規(guī)定其調(diào)整范圍

一般編碼方案的自適應范圍都是事先由工作人員定好的數(shù)值，MCS0代表最低階的編碼方案，MCSO能夠促進電路可用度的有效提高，但是會限制岸船通信所租用的衛(wèi)星轉(zhuǎn)換器貸款及其功率。最高階的方案編碼不能隨便設置，應根據(jù)衛(wèi)通路在開通時所測試的結(jié)果確定其模式，如果出現(xiàn)方案編碼最高階與最低階編號相同的情況，那么則會改變原有的工作模式，變?yōu)楹愣ň幋a調(diào)制（CCM）模式。

4 結(jié) 論

自適應編碼調(diào)制（ACM）技術(shù)作為一種數(shù)據(jù)傳輸效率高且智能化的無線通信技術(shù)，無論是在編碼時延還是系統(tǒng)的復雜程度上，都更加適合通信衛(wèi)星的信息傳輸。ACM技術(shù)在衛(wèi)星鏈路功率余量和鏈路傳輸能力的相互轉(zhuǎn)化方面，既能夠在原有帶寬的限制下將誤碼率保持在一定范圍內(nèi)，又不會造成通信鏈路的堵塞。后續(xù)我國將以國內(nèi)的通信衛(wèi)星為媒介，對未來的設備改造在選型和通信優(yōu)化方案上提供可以參考的意見。