DVB－S2网络中优化资源分配的新方案

杨富银，黄 焱，张白愚

(解放军信息工程大学信息工程学院，河南郑州450002)

1 卫星通信中的ACM

卫星通信由于具有覆盖范围广、通信容量大、经济效益高、不受地理环境限制等优点，已成为信息化的主要支柱之一［1］。DVB-S2是2005年3月欧洲数字视频广播组织(Digital Video Broadcasting，DVB)发布的宽带卫星应用的第二代传输标准，它采用了多种信道编码和调制方案组合，采用LDPC码与BCH码级联的纠错编码方案，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种编码码率，可采用的调制方式包括QPSK，8PSK，16APSK和32APSK，它的核心技术是自适应编码调制(Adaptive Coding and Modulation，ACM)技术［2］。

与DVB-S采用的固定编码调制(Constant Coding and Modulation，CCM)技术不同的是，DVB-S2采用的ACM技术将卫星终端接收的信道状态信息通过回传信道反馈给网关，网关根据该信息来调整调制方式和编码码率，以此来应对信道的变化，从而使系统的整体传输性能达到最优［3］。它要求根据单个用户的链路条件来最优化传输参数，比如，在一些无线系统里，传输效率是根据瞬时的信道条件针对每个终端进行单独调整的。DVB-S2的ACM链路如图1所示。

图1 DVB-S2 ACM链路图

通常ACM技术在优化无线系统的性能方面是很有效的，但是在卫星环境中仍存在一些严重影响ACM系统性能的因素，其中一个非常重要的因素就是自适应回路延时，它会严重影响系统跟踪信道变化的能力。自适应回路延时有多个组成部分，包括卫星终端报告信道状态传输延时、回传链路传播延时、网关引入的延时和固定的240～250 ms卫星前向链路延时(根据卫星终端所处的经纬度不同而不同)［4］。在卫星环境中，很高的回路延时增加了信道的时变性，这将明显降低ACM系统的效率。另外，在这样不可靠的网络中，反馈的信令信息通过一个不可靠的传输协议(比如UDP)来避免频繁转发，这将导致：万一出现包丢失的情况，使用的将是过时的信道状态信息。例如，在文献［5］中，作者提出了一种编码方案的平均频谱效率算法，来帮助选择最合适的编码调制方案。然而，在给出的模型中，作者明显地忽略了在非对称的卫星环境下由反馈信道产生的有抑制作用的延时问题，这造成了该模型在具有非常高的传播延时的卫星网中是无效的。

鉴于以上所述，本文提出采用基于预测的信道估计来取代瞬时估计的信道状态信息，以此来应对过多的回路延时带来的不利影响。本文所提出的基于预测的方案主要依赖于LMS算法，该算法的特点就是具有相对较低的复杂度，很适合实时处理。

另外，有一些研究提出通过设置合适的固定门限值来动态地调整编码调制方案，但是，在这样的情况下，错误的门限值设置将会严重降低吞吐量性能［6］。由于门限值应该是信道根据本身的环境来调整的，因此在选择最优的编码调制方案时，固定的门限值设定是不可行的。因此，在对信道状态信息预测的基础上，本文提出了一种新的编码调制方案选择算法来选择更稳健的编码调制方案，该算法考虑到测量的损伤，引入了一些余裕。另外，本文还设计了一种滑动窗口技术，来应对编码调制方案的频繁转换和由此引起的系统性能的振荡问题。通过以上的方法，能够得到与当前传播条件相一致的最优编码调制方案，而传统的方法则是依赖于最新测量的瞬时值。

2 基于信噪比预测的最优编码调制方案选择

2.1 总体环境

在本文中研究的是一个DVB-S2同步卫星，它的下行链路具有再生的有效载荷，回传链路(即上行链路)采用DVB-RCS，这些在欧盟资助项目IMOSAN中有详细的介绍。在这样的再生结构中，不同的上行链路上传输的所有通信都在下行链路上被转播，这是通过建立一种两层的单点到多点的网络来完成的。IMOSAN介绍了一套完整的使卫星频谱得到最佳利用的方法，它采用了强大的物理层前向纠错编码方案，它保证了可以准确无误码地工作在距香农极限0.7～1 dB处。它采用了自适应编码调制(ACM)技术，根据传播条件进行动态的链路自适应调整，从而为个人终端或群体用户提供更精确的信道保护。IMOSAN DVB-S2/DVB-RCS网络的整体结构如图2所示。

图2 IMOSAN DVB-S2/DVB-RCS网络的整体结构

2.2 基于预测的信噪比估计算法

前面的论述已经提到，同步卫星网络在使用ACM技术的时候遇到了一些限制因素。这主要是因为该网络具有非常高的传播延时和变化的信道(比如SNR)，从而使得最优编码调制方案的选择变得更加复杂。

传统的方法是利用瞬时估计的信噪比的值来选择最优的编码调制方案，这个方法在非对称的卫星网络中是不适合的，因为该网络中信道被估计的时间与发射机接收到信道状态信息的时间之间有很大的延迟。为了克服这个限制，本文提出根据预测的信噪比估计瞬时值来进行编码调制方案的选择。

本文提出的使用预测信噪比估计瞬时值的方法是基于最小均方误差(LMS)算法，该算法采用的是基于梯度的最陡下降法。在第n步预测的信噪比的值^s是根据式(1)计算得出的，其中权向量W的初始值是随机的，向量S包含信噪比的N个最新值。

这个算法利用下面的步骤来更新权向量W，这样就可以在经过很多次的迭代后得到最小均方误差。

式中，μ是步长因子，用来控制算法的收敛特性。

文献［7］中指出，当满足如下条件时，LMS算法的稳定性条件就能够得到保证

式中，λmax是矩阵Rn=SnSTn的最大特征值。Rn是一个对称矩阵，它的最大特征值和矩阵的迹是一致的。因此，μ的值可以按照如下式子进行更新

2.3 新的编码调制方案选择算法

最优编码调制方案的选择是在卫星终端和卫星网关的协作下共同完成的。每个卫星终端首先对信道信噪比进行估计，然后通过回传信道向网关报告信噪比值和卫星终端支持的最有效的编码调制方案，网关根据该信道状态信息来选择合适的编码调制方案。在雨水的情况下，网关采用稳健性较强的低阶调制和低速率编码，以保证一定的误码率要求;而在晴天的时候，则采用更高频谱效率的编码调制方案，提高了发送给卫星终端的信息速率［8］。

本文提出了一种新的编码调制方案选择算法，该算法在变化的信道环境下更有利于选择合适的编码调制方案，这是因为它去除了一些效率较低的编码调制方案，并且给不同的信噪比区间增加了一定的余裕来保证总是选择使数据速率最大化的最稳健的编码调制方案。其中，引入的余裕的值取决于测量的精度。具体如表1所示。

表1 SNR区间及其对应的编码调制方案

频繁的编码调制方案转换将会导致性能的振荡和不稳定，为了避免此类状况的发生，如图3所示，本文提出使用一种滑动窗口技术来使编码调制方案的调整变得更平滑，同时把瞬态变化的影响降到最小。因此，本文研究的信噪比需要和每个窗口Ck测量的信噪比的平均值

图3 SNR计算的滑动窗口技术

因此，接收到的信噪比表达式为

式中，C是窗口的尺寸。经过大量的仿真，得出最佳的C值为5，以下采用的就是该值。

3 实验仿真及结果

3.1 实验设置

前面章节已经对本文提出的技术方案进行了详细描述，在本章主要通过仿真对其性能进行评估。图2给出了一个典型的DVB-S2网络。本次实验测试时间是1 400 s，这个时间足够来观察实验涉及到的方案在不同的环境下的性能。在仿真的第1阶段，系统里是没有噪声的;在仿真第2阶段的开始，在t=245 s，引入一个噪声源，该噪声源使信噪比的值下降大约4 dB;在仿真第3阶段的开始，在t=790 s，第2个噪声源引入，该噪声源使信噪比的值下降大约2 dB;仿真的最后阶段从t=1 000 s开始，分别在t=1 000 s和t=1 200 s时依次撤销第1和第2个噪声源。这样的性能评估可以看出本文采用的方案适应噪声水平变化的速度和精确度。

3.2 仿真结果与分析

图4给出了卫星终端仿真实验的信噪比瞬时值和预测值对比图。可以看出，估计的精确度非常高，这说明了此预测机制是非常有效的。

图5和图6从可靠性和吞吐量方面显示了实验方案保持一致。的性能。图5为实验过程中基于瞬时值的ACM原方案和基于预测值的ACM新方案的误码率变化对比图。图6为实验过程中固定编码调制方案、基于瞬时值的ACM原方案和基于预测值的ACM新方案的吞吐量对比图。由图5可以看出，本文提出的ACM新方案在实验过程中体现了较高的可靠性，无论是在信道条件好还是信道条件差的情况下误码率都比ACM原方案的低，这也说明了新方案在不断变化的信道环境下，能够根据信道环境很好地快速地调整编码调制方案，极大地降低了系统的误码率。通过图6可以看出3种方案下系统吞吐量的情况，采用ACM技术时系统的性能明显比采用固定编码调制技术的要好，在采用固定编码调制技术的系统中，当误码率高到一定程度时，系统的吞吐量直接降到0 bit/s，同时从整体来看，与采用ACM原方案相比，采用ACM新方案的吞吐量有了一定的改善。

图4 信噪比瞬时值和预测值的对比

图5 实验过程中ACM原方案和ACM新方案的误码率变化

图6 实验过程中固定编码调制方案、ACM原方案和ACM新方案的吞吐量

综上所述，本文提出的DVB-S2网络中优化资源分配的新方案能够精确地对信道状态进行预测，有效地消除了自适应回路延时对DVB-S2自适应编码调制系统性能的影响，同时，与传统方案相比，新方案能够更好地完成最佳编码调制方案的选择，也避免了频繁的编码调制方案转换导致的系统性能振荡和不稳定状况。新方案改善了系统的性能，使网络资源得到了更有效的利用。

4 结束语

本文主要对DVB-S2网络中优化资源分配的方案进行了研究，首先提出了一种基于预测的信噪比估计算法，来解决卫星网络中反馈带来的过多延时的问题。在预测值的基础上，本文提出了一种新的编码调制方案选择算法，该算法考虑到了测量损伤，通过引入一些余裕来完成更稳健的编码调制方案的选择。另外，本文还提出了一种滑动窗口技术，来解决编码调制方案频繁转换以及其带来的系统性能的振荡问题。大量的实验仿真证实了本文提出的方案能够对信道环境进行精确预测，在实时处理中能够更好地选择最合适的编码调制方案，性能比传统的方案更优。

［1］王世强，侯妍.卫星通信系统技术研究及其未来发展［J］.现代电子技术，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，黄焱.ACM技术在DVB-S2 IP单播系统中的应用［J］.电视技术，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.自适应编码调制技术在DVB-S2中的应用［J］.中国有线电视，2006(17)：1697-1700.