宽带卫星通信中的ACM技术

吴 涛 ，张 健2，刘爱军

(1.解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.中国电子设备系统工程公司研究所，北京 100141)

1 引 言

随着市场的需求和技术的进步，已经使用了10余年的卫星数字视频广播标准DVB-S已经不能满足市场的需要。2004年，ETSI(欧洲电信标准化组织)批准了新的卫星数字视频广播标准——DVB-S2。

DVB-S2着重体现了3个核心理念：最佳的传输性能、系统的灵活性、合理的用户接收复杂度[1]。

与DVB-S相比，DVB-S2提供几乎达到香农极限(距离仅0.7～1 dB)的前向纠错编码方案；同时与DVB-S固定的编码调制方案相比，新标准提供了多达28种的调制编码方式(以下简称MODCOD)，支持3种(DVB-S仅支持一种)滚降因子，可以提供更高的频谱利用率。同时DVB-S2也是一个非常灵活的标准，不再局限于支持MPEG-TS流(MPEG Transport Stream)的交互式应用，还支持普通流(Generic Stream, GS)的交互式应用,如连续的比特流、IP包、ATM包等；可以根据信道条件和用户需要为不同的业务提供不同的错误保护级别；采用了自适应编码调制(ACM)技术的DVB-S2系统，传输容量可以增加30%以上。特别是在交互式点对点应用时，卫星容量可以增加100%～200%[2]。

目前DVB-S2系统的编码调制方案较复杂[2]。本文根据用户实际接收条件，提出编码调制方案的简化方案。实验结果表明，编码调制方案从28种降低到8种时，对系统性能的影响几乎可以忽略，极大地降低了ACM的控制复杂度。

2 ACM技术的背景

作为DVB-S2的核心技术，ACM能够根据信道条件自适应地改变信号的编码调制方式和错误保护级别。DVB-S中的链路预算对所有用户采用统一的编码调制方案，为了保证处于严重衰落信道条件下用户的通信(这种情况在一年之中可能仅有几十分钟)，每条链路都留有一定“裕量”，从而浪费了宝贵的通信资源。ACM能够根据不同用户的信道条件，为其配置不同的MODCOD，充分利用“裕量”，从而大幅提高系统性能。

2.1 衰落信道

卫星信道衰落的原因主要有以下几点：

(1)大气损耗。从Ku频段开始，特别是在Ka和更高的频段，大气损耗将会导致很严重的传播损耗，例如雨衰、电离层损耗[3]；

(2)天线增益。多波束卫星天线的增益随着地理位置而变化，例如：波束中心峰值天线增益比波束边缘覆盖地区高5 dB，这会导致位于不同地理位置用户信道条件的差异。

2.2 ACM原理

ACM卫星链路原理如图1所示，包括网关(Gateway,GW)、ACM DVB-S2调制器、上行链路中心站、在轨卫星、卫星接收终端(Satellite Receiving Terminal, ST)，卫星接收终端通过回传信道连接至网关，构成ACM的闭环。ACM的工作机制如图1所示[4]。

图1 DVB-S2中的ACM链路Fig.1 The ACM link of DVB-S2

(1)ST接收到卫星信号后，通过回传信道向GW发送链路质量报告，内容包括信号噪声加干扰比值(Signal to Noise plus Interference Ratio, SNIR)和ST支持的频谱效率最高的MODCOD。ST一般周期地向GW发送链路质量报告，出于减少回传信道开销的考虑,ST可以仅在需要改变MODCOD时才向GW发送信息；

(2)收到链路质量报告后，GW为发往ST的数据选择编码调制方案。在信道条件恶劣的情况下，GW采用保护性较强的MODCOD，保证链路的可用性；而在信道条件较好的时候，则使用频谱效率高的MODCOD；

(3)为防止在信道条件恶劣时出现信息“溢出”，ACM使用信源速率控制技术。当信源和网关配置靠近时，GW将根据SNIR直接控制信源速率；当信源距离网关很远时，GW将根据网络流量控制信源速率。

3 MODCOD

DVB-S2中提供了28种MODCOD方案，能为各种衰落条件的信道选择适当的MODCOD。编码调制手段的多元化，使ACM控制机制得以更好地运作。ACM方案几乎可以在各种信道条件下，保持链路具有良好的时间可用性和空间可用性，具有很好的信道适应性。

实际应用中MODCOD的方案数目可以适当减少，主要有以下几点原因：

(1)DVB-S2中的MODCOD设计是有缺陷的。图2给出了在10-7的误码率条件下配置各MODCOD所需的SNIR门限[5]。从图中可以看出，第12号MODCOD(以下MODCOD用其序号简称)比10和11好(频谱效率相似，但所需Es/N0更低)；同样地，18比16和17要好；而且，22和23，27和28之间的差别很小，都可以从MODCOD方案中各移除一种。经过初选后的基本MODCOD方案为除去{10，11，16，17，23，28}的所有22种MODCOD(精简方案不唯一)；

(2)巨大的MODCOD方案数目使无线电资源管理(Radio Resource Management, RRM)和前向链路调整变得复杂化，增加了GW的调整时间，不利于GW实时跟踪信道的变化。因此，有必要在不牺牲系统性能的前提下，尽量减少MODCOD方案的数量。

图2 DVB-S2中MODCOD在10-7的误码率下所需的Es/N0及对应的频谱效率Fig.2 Required Es/N0 for BER=10-7 versus spectral efficiency for MODCODs of DVB-S2

MODCOD数目的减少应遵循以下原则：

(1)根据MODCOD的用户使用分布来减少其数目；

(2)减小对通信系统性能的影响；

(3)为了使得ACM的控制机制能够很好地工作，图2曲线上入选的MODCOD必须按序号依次单调。

图3给出了欧洲地区用户的MODCOD使用分布[6](不包括已经被移除的)，可以发现，MODCOD编号在9号以下使用的概率很小，只在恶劣的信道条件下才会使用，而这种情况出现的概率很小，因此初选后的MODCOD方案可以进一步简化。

图3 MODCOD的使用分布Fig.3 MODCOD distribution

4 MODCOD数目的选择

最终选定的MODCOD集合中元素的总数M影响系统通信量，所以必须设计方案来优化M。基本思想是：将初选后的MODCOD划分为若干个集合，每个集合取出SNIR门限最低的元素作为代表(保证该集合中全部元素的链路可用性)。当该集合中任何元素被GW选中时，都会被映射成代表元素。

为了保证恶劣信道条件下链路的可用性，首先初始化集合只包含MODCOD 1。然后逐次选取MODCOD进入集合，每次添加元素时，M增加1，进行下一轮优化。选取的元素要保证总体频谱效率ηt在该M下达到最佳。这个过程可以用以下等式表示：

(1)

(2)

该方法可以得出在给定M时MODCOD集合中的最佳代表元素(总体频谱效率ηt最大意义下)。随着M的增大，更多的元素选进集合。通过上述优化方法选取代表元素到集合的次序为1 14 13 15 12 16 8 4 9 5 7 6 2 3。

当然，这种优化会损失频谱效率。频谱效率的损失如图4所示。

图4 不同的MODCOD集合大小下频谱的效率Fig.4 Spectral efficiency for different MODCOD subset size

从图4中可以看出：即使M=4，频谱效率达到98%以上，即损失也没有超过2%；当M=8时，频谱效率接近100%，损失几乎可以忽略不计。由此可以证明：在实际应用中这种方案可以在几乎没有影响系统性能的前提下，减小DVB-S2本身的缺陷，大大简化了ACM控制机制的复杂度，加快了GW跟踪信道变化的速度。

5 结 论

本文论述了采用ACM技术的DVB-S2标准，将极大提升卫星通信系统的平均系统容量，而且具有更高链路时间可用性和空间可有性；根据现阶段的用户实际接收条件，提出了ACM控制机制的简化方案。仿真结果表明：该方案能够将编码调制方案从28种降低到8种以下；当M=8时，频谱效率接近100%，在几乎不影响系统性能的前提下，极大地简化ACM控制机制的复杂程度，为自适应卫星通信中ACM技术的大规模应用提供了参考。

参考文献：

[1] Alberto Morello, Ulrich Reimers. DVB-S2, the second generation standard for satellite broadcasting and unicasting[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2004,22(3):249-268.

[2] ETSI EN 302 307 V1.1.1，Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcating, Interactive Services, News Gathering and broadband satellite applications [S].

[3] Castanet L，Lemorton1 J, Konefal T, et al. Comparison of various methods for combining propagation effects and predicting loss in low-availability systems in the 20-50GHz frequency range[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2001,19(3):317-334.

[4] Alberto Morello, Vittoria Mignone. DVB-S2 Ready for lift off[J]. EBU Technical Review, 2004(10)：1-10.

[5] Hermann Bisch, Hartmut Brandt, Tomaso de Cola, et al. Adaptive coding and modulation for satellite broadband networks: From theory to practice[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking，2009,28(2):59-111.

[6] N Girault, E Alberty, G Verelst. Validation of DVB-S2 System Performances with ACM[C]//Proceedings of 27th IET and AIAA International Communications Satellite Systems Conference. Edinburgh, UK:IEEE,2009:444-449.