卫星通信中自适应策略（ACM）研究与应用

吉志海

摘 要：本文研究卫星通信中自适应调整策略，结合收端信号速率的自适应解调，给出了分布式自学习的ACM调整流程，并通过优化卫星通信系统控制流程，提高卫星系统的收敛响应速度。

关键词：卫星通信；自适应；ACM；

1概述

目前我国卫星通信一般采用静止轨道卫星，通信距离长、传输时延大、覆盖范围广，通信过程中易受到电离层扰动以及雨、雪、雾和空气中的水汽影响，波束覆盖范围内信道条件复杂。

因此，卫星系统设计时为保障系统链路的可用度，针对大气衰减（主要雨衰）预留较大的余量，也即为干扰和链路衰减预留较高的Eb/N0，使得系统功率资源和带宽资源无法发挥到最大，降低了系统容量。ACM技术可以根据信道状况自适应选择合适的编码码率和调制方式，并已经在DVB-S2、HSPA、LTE等卫星、地面无线通信系统中得到应用。

2ACM（Adaptive Coding and Modulation）系统基本原理

相对于静态系统按最差链路情况设计不同，ACM系统可以更好地受益于链路传播和波束C/I条件改善，以获得更高的系统吞吐量；在发生更深的衰落时，ACM系统可以使用更大的发射功率、更鲁棒的调制和编码方案获得更高的链路可用性[1]。

ACM工作模式的基本原理是发端通过收端的链路质量反馈，动态调整编解码码率、调制方式、发射功率等参数，选择合适的方案，在（暴）雨、链路衰减很大时也能维持极低限基础通信服务。而在天气条件好的情况下，可降低功率、提高频谱利用率等方式降低链路余量和优化系统功率资源，显著提升系统容量。在DVB-S2中为支持ACM工作模式提供了28种编译码方案，仿真分析表明，并不需要实现DVB-S2所推荐的所有28种方案，通过合理设计各种工作模式的频谱效率和Eb/N0分布，调制和编码方案最小实现4种时，频谱效率也可达到98%以上[4]。

3基于双向反馈链路ACM策略实现

3.1信道估计

导频[C/Nt]通常可以表示为：

其中PS表示导频序列发射功率， 表示所有接收噪声和干扰功率。在时刻tk = k Tslot的有用信号功率可以估计为：

其中rp（m）和rq（m）对应于去除载波相位误差后的码片匹配滤波器输出在时间tm = mTc处的同相和正交导频分量采样，而dp（m）和dq（m）构成最初的导频扩频序列。操作符| |N对应于模N运算符， 对应于时隙的持续时间。

总接收功率PR可以表示如下：

可以推导出噪声加干扰功率估计值：

估计 由下式给出[1]：

得到 后，根据调制、编码方案确定[B]、[Rs]，由下式即可以推算出链路的Eb/N0：

考虑到主要的控制环路时延是由于GEO卫星传播时间引起的，本文设定的时隙粒度最大为32ms，能够应付0.5dB/s的信道变化。

3.2ACM策略主要信令参数

发送端根据收端反馈的链路质量，结合发端信息源的服务要求、系统结构和流量统计，确定不同的实施策略。控制信令主要携带以下信息：

功率调整；

工作模式：对应确定的调制方式、码型及帧长等；

收端Eb/N0；

收/发端站址。

3.3ACM控制流程

ACM主要问题在于算法需要自适应，需要能够跟踪并预测终端的瞬时Eb/N0的变化，考虑到电磁闪烁造成的信号波动通常比环路响应时间快，在考虑卫星环境和多终端方面时，自适应调整的余量还必须考虑电磁闪烁和卫星信号电平波动的影响，避免因为余量不足，导致通信中断事件发生。

本文中发端根据链路反馈信息结合监控的卫星转发器状态自动校准，选择合适的方案。由于卫星信道传输时延，参数修正指令发送到生效约有540ms传输及响应时间，因此，考虑到传播延迟和可能的信道变化，收端的链路反馈信息时间间隔不能过长，本文中收端利用接收端发送空闲信道时隙发送链路Eb/N0（0.5秒内至少发送1次），发端根据接收端时隙结合本地监控的时隙变化情况，确定当前调整策略，每次调整后，并设定0.3dB的调整阀值，避免调整过程中产生“乒乓”震荡。

通过以下步骤完成评估调整：

1） 每个终端根据接收到的信号计算出当前链路Eb/N0（这里为简化，将干扰信号I归为噪声N）；

2） 接收端A通过反馈链路将控制信令传送给发送端B；

3） 发送端B根据对接收端[Eb/N0]A进行修正：

其中，δ为发送端B本地检测转发器功率修正；ε为调整阀值，一般设定0.3dB，用于避免“乒乓”震荡。

4）根据检测的转发器负载情况（可由中心站通过广播信令下发）进行调整判决：

a） ，当前模式工作存在通信中断风险：

在转发器负载超过70%的情况下，优先往下降低速率；

在转发器负载低于70%的情况下，优先调整发射功率，如功率调整至最大也不能满足 ，则仍需降低速率；

b） ，当前工作模式存在资源浪费：

在转发器负载超过70%的情况下，优先往下降低功率，直至最低；

在转发器负载低于70%的情况下，通知业务源可以提速，如果業务源有数据发送需求，则向上逐档选择高速率模式；如无新增业务需求，则降低发射功率，直至最低；

c）系统根据需要重复2）～4）步，直至稳定，确保Eb/N0满足解调需要；

需要注意的是，在速率档发生调整时，如果从低速率档调整至高速率档，由于带宽变大，对现有业务影响不大；如果从高速率档调整至低速率档时，则会因为信息源的数据生成速度超过发送速度，导致数据溢出丢失。因此，在信道速率发生变化时，需同步通知信息源信道速率改变情况，在高速率档向低速率档变化时，对信道终端中缓存的数据按照优先级高低进行筛选，对高优先级业务采用可靠的方式传输，而对低优先级业务则可以通过增加延迟或分组丢失的方式处理，直至信息源数据流量与信道带宽匹配。

4.小结

本文研究的ACM策略模块在项目中的得到应用，在实际应用中节省了卫星转发器功率资源，提高了系统的链路可用性和频谱利用率。

参考文献

[1] 苟晓刚，董银虎，潘申富，卫星通信网中ACM技术研究，通信系统与网络技术，2012，38（6）：12-14

[2] 林习良，周锦标，赵乾宏，ACM技术在卫星通信IP网互联中的应用，电讯技术，2013，53（12）：1598-1604

[3] 吴涛，张健，刘爱军，宽带卫星通信中的ACM技术，电讯技术，2010，50（12）：19-22.

[4] 郭映月，黄焱，ACM技术在DVB-S2 IP单播系统中的应用，电视技术，2006（4）：62-64

（作者作者身份证号码：320102197905081218）