ACM技术在卫星通信IP网互联中的应用*

林习良，周锦标，赵乾宏

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴214431)

1 引言

随着Internet的广泛应用和网络技术的快速发展，IP技术以开放的网络协议、互联互通性好、统一的网络接口、用户接入灵活、面向无连接、网络自动寻址等优点，已成为数据传输网建设或升级改造的首选，并在我国航天测控领域数据传输网得到了应用。由于IP协议封装的数据分组开销字节较多，对于用户业务量不大的专用网络，为保证一定的服务质量，与专线电路传输方式相比，IP化传输对带宽的需求也有所增加，这对于通过光纤互联的网络不成问题，但对于航天测量船等只能通过卫星通信电路进行网络互联的机动节点，在当前卫星转发器资源仍很紧张的条件下，传输带宽已成为限制宽带IP网互联的瓶颈。因此，针对目前广泛应用的频分多址技术，有必要通过技术改进和方案优化，将卫星通信技术与IP技术有机融合，从而充分利用有限的信道资源，进一步提高传输效率，更好地满足宽带业务需求。而自适应编码调制(Adaptive Coding and Modulation，ACM)技术以其智能化的传输机制、高效的频谱利用率、网络化的数据接口正好适应了这方面技术发展的要求，从而成为当前和未来无线通信系统研究的关键技术之一。

针对ACM技术在卫星通信中的应用研究，目前大多基于欧洲数字视频广播(Digital Video Broadcasting，DVB)的第二代传输标准 DVB－S2，而缺少对Comtech EF Data公司研发的VersaFEC_ACM技术性能的研究。文献[1]对基于DVB－S2标准的ACM技术的链路性能进行了仿真测试，文献[2]针对DVBS2标准提出了一种基于子空间分解的数据辅助类信噪比估计算法，文献[3]分析了基于DVB－S2标准的ACM控制机制，并提出了其编码调制方案的简化方法，而DVB－S2_ACM系统存在较大的时延，无法满足航天测量船数据传输的实时性要求。本文通过对适用于卫星通信的两种不同ACM技术的性能分析比较，得出了VersaFEC_ACM技术性能优于DVB－S2_ACM的结论，并对VersaFEC_ACM技术应用于岸船间卫星通信IP网互联的链路性能进行了估算。

2 ACM技术原理

包括卫星通信在内无线通信系统要求尽可能有效利用有限的带宽资源，提高系统的信道容量，传统的通信技术通常采用高效的信道编码以提高系统的可靠性，采用多进制调制方式以提高频谱利用率。但使用固定的编码和调制方法往往需要较多的系统余量，才能保证在较为恶劣的链路条件下保持正常通信或保持一定的误比特率(Bit Error Rate，BER)。当信道条件恶化引起信噪比(Signal－to－Noise Ratio，SNR)低于某一临界值时，系统将达不到规定的BER性能要求，必须采取高效的抗衰落技术来提高系统的性能。根据发送端调制编码方案(Modulation and Coding Scheme，MCS)是否变化，可将编码调制工作模式分为3种类型[4]:恒定编码调制(Constant Coding and Modulation，CCM)、可变编码调制(Variable Coding and Modulation，VCM)和ACM。CCM是最简单也是当前最常用的一种工作模式;VCM适用于一个载波包含多路不同信号，即多路单载波系统;ACM适用于点对点通信的单路单载波系统。

ACM技术通过回传信道建立了一个闭环控制系统，是提高信道利用率的有效措施之一，其基本思想是接收端根据接收信号质量对信道进行实时估计，并将估计的信道状态信息通过反馈信道传送给发射端，发射端再根据信道状态信息动态改变编码和调制方式，接收机也同时更改相应参数，以适应无线信道衰落的变化，从而充分利用信道资源，可在不增加信道带宽的情况下提高链路的吞吐量和改善系统的误码率性能，因而具有抗干扰能力强、频谱利用率高等优点，从而达到改善数据传输服务质量的目的。

ACM是克服信道时变性和补偿链路损耗的一种链路自适应技术，当信道质量发生变化时，不改变发射功率，而是根据信道质量变化改变发送端MCS。当信道质量较好时采用高阶MCS，信道质量较差时采用低阶MCS，使得系统在有利的信道条件下高速传输数据，在信道恶化时降低传输速率，保证通信系统的可用度。系统工作过程如图1所示[1]。

图1 ACM系统原理框图Fig.1 Conceptual block diagram of ACM system

从图中可以看出，在接收端，接收机通过接收到的信息首先对接收到的数据进行MCS提取，解调、解码输出数据，同时对通信信道质量进行估计，将衰落信道信息告知发送端ACM控制器，控制器中的MCS选择模块根据信道预测结果，按一定的自适应算法选择MCS，并告知发送端调整MCS。在保证系统性能的前提下，动态改变发送端MCS，以获得较高的系统吞吐量，提高系统资源利用率，保证通信系统的可用度。

3 卫星通信中的ACM技术

卫星通信链路距离长，传输时延大，覆盖范围广，电波穿过地球大气层在地球站与卫星之间传播时，会遇到电离层中自由电子和离子的吸收作用，还会受到对流层中水汽、雨、雪、雾的吸收与散射影响，从而产生一定的衰减，并随时会发生变化，加上不同地理位置信号强度差异，信道条件十分复杂，因此，ACM是一种适用于卫星信道的传输技术。对于单向卫星广播链路，可采用不同方式建立专门的反馈信道;对于双向卫星通信链路，反馈信道可以直接利用反向通信链路实现。

3.1 DVB－S2_ACM 技术

2005年3月，欧洲发布了宽带卫星应用第二代传输标准DVB－S2，其核心就是ACM技术。DVBS2_ACM采用低密度奇偶校验码(Low Density Parity－Check Codes，LDPC)与BCH码级联方式编码，支持 1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9、9/10 等11 种编码率，以及 QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等不同调制方式，提供多达28种MCS，实际应用中MCS数目可以适当减少[2]。基于该技术的卫星通信系统由多个地面信关站、网络控制中心、众多用户小站和卫星等构成，地面信关站之间通过光纤互联，从信关站经卫星到用户小站的前向链路使用DVB－S2标准，从用户小站到信关站的反馈信道使用DVB－RCS标准(Return Channel via Satellite，RCS)，由用户卫星终端向网关报告SNR和卫星终端支持的最有效的MCS，网关根据该信道状态信息来调整MCS，以此应对信道变化。该技术主要用于数字视频广播，也包含双向交互业务，适用于组建大型公用宽带卫星通信网络。

与一般编码方式不同，DVB－S2支持的是固定分组长度输出，其输入分组长度由编码率反向推出，可输出两种类型FEC帧，帧长为64.8 kb的普通块(即所谓64k块)有11种编码率可供选择，帧长为16.2 kb的短块(即所谓16k块)有10种编码率可供选择。因此，在DVB－S2_ACM系统中，对于同一类型的FEC帧，每个块包含的比特数是固定的，BER=10－7时DVB－S2各MCS所需的SNR门限如图2所示[5]。

3.2 VersaFEC_ACM 技术

2009年7月，美国Comtech EF Data公司发布了支持ACM技术的高级卫星调制解调器(Modulator and Demodulator，MODEM)CDM625，其独特的实现方式申请了专利保护，它采用的ACM技术与Comtech EF Data和Comtech AHA公司联合发布的最新前向纠错(Forward Error Correction，FEC)技术——VersaFEC 配合使用，支持 BPSK、QPSK、8QAM、16QAM等不同调制方式及VersaFEC特有的短块LDPC码，可提供12种MCS。VersaFEC_ACM工作过程中可认为输出功率和符号率固定不变(比特率可变范围达到7∶1)，不支持同步接口，只支持IP接口，输出符号率范围为37～4 100 ksample/s，该模式支持IP业务VLAN、QoS等功能。

VersaFEC采用固定信息分组长度输入，输出分组长度随着编码率改变而不同，而每一帧包含的符号数是固定的，它能以最低的编解码时延，获得最大的编码增益，代表了当前性能最优的FEC技术，提供了充分的编码率和调制类型，可保证任何条件下都能获得最优的链路性能。

在VersaFEC_ACM系统中，MCS每次切换以BER为5×10－8所对应的SNR为门限，为防止临界状态下在两种MCS间来回切换，可根据需要对接收信号 Eb/No人为设置一定的余量(范围为0～4.5 dB)，而系统在该余量外自动附加了0.3 dB的滞后量。例如，若将余量设为0 dB，意味着当实时估计的SNR低于BER为5×10－8所对应的SNR时，MCS将从高阶切换至低阶;而只有当实时估计的SNR高于BER为5×10－8所对应的 SNR 0.3 dB时，MCS才从低阶切换至高阶。当信道衰落过大引起远端解调器失锁时，可以根据预先设置的策略保持当前使用的MCS或直接切换至最低阶MCS，而选择切换至最低阶MCS可最大程度提高链路的鲁棒性。VersaFEC_ACM模式下余量0 dB时MCS切换点如图3所示，部分主要参数见表1[6]。

图2 BER=10－7时 DVB－S2中 MCS所需 SNR及对应频谱效率Fig.2 Required SNR for BER=10－7versus spectral efficiency for MCS of DVB－S2

图3 VersaFEC_ACM各MCS切换点Fig.3 VersaFEC_ACM MCS switch points

3.3 性能比较

DVB－S2定义的方案在数据广播和高速数据应用中非常有效，但其编码输出的FEC帧包含的比特数是固定的，这意味着每个MCS对应的符号数是变化的，使同步问题变得尤为重要，从而增加了解调的复杂度，又因为在SNR很低的条件下跟踪高阶调制的载波受到限制，还需添加引导符号以帮助跟踪。在选择更低阶MCS时，随着吞吐量的下降，编码时延会相应增加，对于话音等低速条件下要求低时延的IP应用，即使所谓的短块时延也显得太大。而且在ACM模式下，DVB－S2没有定义用于向发送端回传SNR的帧头信道，留作各设备生产厂家自行实现，因此，所有ACM系统所采用的技术都属各自独有，缺少统一的标准，而报告SNR需要另外占用带宽，这没有计算在编码率内，实际频谱效率有所下降。

VersaFEC从研发之初就意识到了DVB－S2存在的不足，从而致力于降低编码时延和系统复杂度。采用的技术有:使用尽可能短的LDPC码，且不进行交织;输出的符号数固定而不是比特数固定;低SNR条件下不使用引导符进行载波跟踪;减少MCS数量;物理层设计了帧头信道用于向发送端回传SNR，作为帧结构的一部分计入编码率，不需另外占用带宽。它使用的块长从2～8.2 kb不等，而其他LDPC编码(包括DVB－S2短块)使用的块长16 kb，VersaFEC在与现有LDPC码保持相同编码增益性能的同时，显著降低了时延。在频谱效率方面，VersaFEC_ACM所选用的调制方式和编码率虽然数量上有所减少，但在不同信道条件下能够表现出连续而又能区分层次的性能，能够更好地满足工程化应用的需要。

在不考虑卫星链路传播时延的条件下，ACM系统时延为最差情况下的MCS所对应的编码时延(实际应用时还需另外考虑网络端口缓存时延，通常不小于20 ms)，在其他参数不变时，编码时延与数据速率成反比。对于符号率100 ksample/s的情况，DVB－S2_ACM 64k 块的编码时延为1 316 ms，16k块的编码时延为329 ms，而VersaFEC_ACM的编码时延仅为34 ms。

由此可见，与 DVB－S2_ACM相比，VersaFEC_ACM编码时延更低，系统更加简单，组网更为方便，因此，对于利用已有卫星链路进行IP网互联，VersaFEC_ACM技术是一个较好的选择，能够大大增加点到点IP业务的吞吐量。

4 岸船卫星通信IP网中ACM技术应用分析

下面以航天测量船与任务中心间的双向卫星链路为研究对象，对其应用VersaFEC_ACM技术进行IP网互联进行分析。

4.1 可行性分析

在我国航天测控通信网中，测量船作为任务中心下的机动测控站，具备在三大洋机动执行任务的能力，与任务中心间的信息传输以卫星通信为主，随着测量船地理位置的大范围变化，接收的卫星信号电平也会发生较大变化，即使对于性能优良的Intelsat IX系列卫星C频段全球波束转发器，其波束边缘与中心位置有效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)或星载天线品质因素(G/T值)变化也会达到5 dB以上，加上海上复杂多变的气象条件也会引起严重的传播损耗，这些因素均会导致不同地理位置、不同时间段的信道条件存在很大差异，这为ACM技术的应用奠定了基础。

当前岸船间通过点对点双向卫星电路进行通信，开通业务主要有数据、话音和图像等3种类型，虽然话音业务仍采用专线电路方式传输，但通过IP话音网关或经协议转换器后，也可与其他业务一起接入IP网传输。卫星通信工作于CCM模式，采用QPSK调制、码率3/4的Turbo乘积码(Turbo Product Codec，TPC)，要求端到端IP业务传输时延不大于400 ms(128字节包长，含卫星链路传播时延270 ms)，为使BER达到优于10－6的指标要求，通常留有较大的功率余量，确保接收端Eb/No达到10 dB左右，这与相同BER条件下TPC所需Eb/No典型值3.3 dB相比，若能将6.7 dB的余量转换为实际通信能力，将大幅提高链路吞吐量。根据当前分配的卫星带宽，实际可开通的链路速率远大于64 kb/s，即使工作于表1中第11号方案，编码时延也会随着速率的提高大幅减小，使端到端业务的传输时延满足不大于400 ms的要求。

根据以上介绍，只要通信双方卫通站选用CDM625型MODEM，并采用ACM工作模式，不降低原有的功率输出，就能在满足原有指标要求的前提下进一步提高频谱利用率，实现岸船间IP网互联，并支持当前已开通业务。

4.2 ACM工作过程

A、B两地通过卫星通信电路进行IP网互联，卫通站A至站B单向链路应用VersaFEC_ACM技术的系统示意图如图4所示，其工作过程如下:

天气晴好时，站B接收信号SNR处于最大状态，并根据当前使用的MCS计算Eb/No，站A接收到站B回传的Eb/No后，ACM控制器将其与相应MCS在BER=5×10－8所对应的Eb/No门限值比较，控制本端调制器保持当前MCS还是选用更高阶MCS，由表1可知，随着高阶MCS的使用，门限BER对应的Eb/No值提高，而站B接收信号Eb/No随之下降，一直调整至两者Eb/No相互接近且余量不足以支持使用更高阶MCS，使得链路吞吐量最大;当远端链路经历一次雨衰过程，站B接收信号SNR和Eb/No有所下降，BER不满足5×10－8要求，站 A 接收到站B最新回传的Eb/No后，ACM控制器按照其算法控制本端调制器选用低阶MCS，站B接收信号Eb/No提高，链路性能随之改善，BER满足要求但吞吐量有所下降。

图4 卫星通信ACM示意图Fig.4 Generic example of ACM over satellite

站B至站A方向ACM链路工作过程与上述相同，只要两站均配置CDM625型MODEM，就能通过正常的通信信道实现双向链路状态的自适应调整。

4.3 链路性能分析

根据上述给定的测量船卫通站CCM模式工作参数，对于1 024 kb/s卫星电路，按照符号率=比特率/(调制阶数×编码率)计算，相应符号率为683 ksample/s，根据 SNR=Eb/No+10lg(频谱效率)换算得到的SNR为11.76 dB。卫星链路占用带宽主要由符号率直接决定，工作于VersaFEC_ACM模式时，载波符号率和功率基本保持不变，因此，占用带宽也不会发生变化。以BER优于5×10－8为指标，符号率683 ksample/s时不同MCS对应链路吞吐量如表2所示。

表2 683 ksample/s时不同MCS对应吞吐量Table2 Throughput in different MCS at 683 ksample/s

从表2可以看出，在相同的载波带宽和输出功率条件下，如外部环境没有变化，系统可采用高阶方案MCS8，通过利用现有链路的功率余量，其吞吐量将由目前的1 024 kb/s提高至1 997 kb/s，带宽利用率将提高95%;换个角度来说，如出现雨衰等条件变化，系统若采用低阶方案MCS0，其抗信道衰落的余量将由6 dB提高至12 dB，并能使链路吞吐量维持333 kb/s不中断。如果在当前状态下发送端进一步增加输出功率，使接收端SNR提高2 dB左右(典型值－估计值+自动附加滞后量=8.0－6.43+0.3=1.93 dB)，则该链路工作于方案 MCS11时能够达到频谱效率和功率利用率最佳状态，使吞吐量达到最大2 330 kb/s，带宽利用率增加近127%，相比之下IP化传输增加的协议开销带宽是可接受的。

4.4 注意事项

CDM625型MODEM作为一款性能优良的商用产品，可以满足不同用户的多样化应用需求，对于航天测量船与任务中心间的特定通信要求，工作于ACM模式下时需注意以下几点。

(1)合理设置缓存器大小。为适应MCS调整引起的链路吞吐量变化，防止由此产生的数据丢包，CDM625广域以太网口设有一个缓存器，其大小以低阶的MCS0为参考，可在20～780 ms范围内以步进20 ms人工选择，该值设置越大，系统时延越大。对于岸船间卫星通信IP网互联，当缓存器参数使用系统默认值20 ms时，端到端传输时延约为320 ms，能够满足不大于400 ms的指标要求。

(2)取消端口限速。当前IP网通过卫通电路同步数据信道互联时，通常会根据信道带宽对路由器广域网端口进行限速，而CDM625为避免接口缓存器溢出，通过IP接口连接本地网络时使用了自协商协议，并采用暂停帧(Pause Frame)的方式进行拥塞控制，使缓存器的占用率保持在75% ～87%之间，与其连接的交换机或路由器端口不需设置限速。

(3)合理选择MCS调整范围。MCS自适应调整范围由人工预先设置，一般将最低阶MCS设置为MCS0，有利于提高电路的可用度，而岸船通信租用的卫星转发器带宽与功率均受限，最高阶MCS应按照卫通电路开通测试时确定的模式来设置，如其中一端将最高阶与最低阶MCS设置为相同的编号，则相当于一个方向工作于CCM模式。

(4)VersaFEC_ACM能够支持双向速率(或符号率)不对称链路的应用，但要求双向链路均工作于ACM模式，如一个方向需要工作于CCM模式，可采用(3)中提供的方法。

5 结束语

ACM是无线通信系统中的一种智能化的高效数据传输技术，本文从编码时延和系统复杂度等方面对适用于卫星通信的DVB－S2_ACM和VersaFEC_ACM技术性能进行了分析比较，指出了VersaFEC_ACM的技术优势，设计了应用基于VersaFEC_ACM技术的CDM625型MODEM实现岸船间卫星通信IP网互联的方案。链路计算结果表明，与原有的CCM模式相比，在输出功率达到最佳状态前，应用ACM技术能够将卫星链路功率余量自动转换为链路传输能力，充分利用有限带宽，在保持一定误码率性能的同时保证通信链路畅通。考虑到国际通信卫星组织入网测试的限制，下一步将通过国内通信卫星，利用CDM625对VersaFEC_ACM技术在岸船间卫星通信IP网互联中的性能开展应用测试，为后续设备改造选型和通信方案优化提供有力参考。

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