ACM技术在卫星通信IP网互联中的应用

罗 毅

（中国民用航空西北地区空中交通管理局，陕西西安 710001）

0 引 言

Internet在生活中被越来越广泛地应用，且网络技术加快了发展步伐。在对数据传输网进行建设或升级改造时，使用IP技术已经成为第一选择。因为IP技术在传输数据方面具有众多优势，如网络协议比较开放、互联互通性能良好、使用的网络接口整齐划一、用户可以灵活接入、可以自动查询网络地址等。当前，IP技术已经被运用到众多领域，包括航天测控在内的领域也已开始使用IP技术进行数据传输。IP协议在封装数据分组方面会消耗大量字节，有些使用专用网络但并没有太多业务量。为了能够满足其服务质量要求，虽然IP化传输在传输过程中也会增加带宽的数量，但是与专线电路相比，并不会造成一些与其他以光纤为互联方式形成的类似问题。航天测量船经常会因为卫星转发器而造成资源紧张的局面，甚至已经造成IP网互联提前进入瓶颈期，主要原因是传输带宽的限制。所以，想要提高传输效率，满足带宽业务的需求，将卫星通信技术与IP技术之间进行有机结合势在必行，但前提是要改进原有技术且制作出优化方案。

1 ACM技术工作原理

无线通信系统希望充分利用现有的宽带资源提高系统内的信道容量，卫星通信也采取了相同的做法。传统的通信技术为了提升系统的可靠性，一般会采用较高效的信道编码，并且会以多进制调制方式提高频谱的利用率。因为编码和调制方法都处于一种固定不变的状态，一旦遇到链路条件恶劣的情况，只有系统余量充足才能保证通信正常，或者保证误比特率（BER）的数值在正常范围内。保持信道条件稳定是为了达到误比特率的要求，如果信道条件恶化，必然会降低信噪比（SNR），信噪比下降到临界值以下，便会降低系统性能。为了提高系统性能到原有水平，只能采取高效的抗衰落技术。

编码调制工作模式的分类依据来源于发送端调制的编码方案（MCS），根据其是否会发生变化可以分为恒定编码调制（CCM）、可变编码调制（VCM）以及自适应编码调制（ACM）[1]。恒定编码调制使用最广泛且操作简单；可变编码调制适合在载波单一但包含信号较多的系统中使用；而自适应编码调制却适用于载波单一、信号单一的系统。自适应编码调制在提高信道利用率方面采取了建立闭环控制系统的措施。该系统的工作理念是将信号发送至接收端，由接收端根据信号的质量估计信道的实时情况，然后再将其传送至发射端，发射端需要对编码和调制方式进行动态变更，以适应信道状态。由于无线信道产生了变化，接收机也需要及时更改与之对应的一些数据，然后才能更好地利用信道资源，是在不增加信道带宽的情况下真正提高链路吞吐量的最简洁途径，且更改数据可以有效避免发生误码的情况，增强信道资源的抗干扰能力，提高频谱的使用效率，长期以往提高传输数据的服务质量。自适应编码调制技术的主要作用是克服信道的时变性和对链路中的损耗进行补偿，所以信道质量有所改变时并不一定要改变发射功率，只要改变发送端的编码方案接口。想要使通信系统长期处于可用状态，必须控制好数据的传输速度。传输速度并不是随意控制的，而是要根据信道的条件进行调节。高阶的编码方案只适用于质量较好的信道，对一些质量较差的信道，使用低阶的编码方案更稳妥。

2 卫星通信中的ACM技术

卫星通信链路不但可以实现远距离传输信息，而且可以增大传输时延，实现大面积覆盖。当电波与卫星之间进行传播时，会遇到各种各样的阻碍使电波衰减，不同地方还可能会影响到信号的强度。在这种复杂的信道条件下，建议使用ACM技术。

2.1 DVB-S2＿ACM技术

DVB-S2第二代传输标准在2005年发布，发布的主体是欧洲各国，并且将ACM技术作为了整个带宽卫星应用的核心技术，以BCH码级联为编码方式，支持多达11种编码率，在调制方式上也支持QPSK、8PSK等28种，但是在应用时编码方案可以根据实际情况进行缩减。使用DVB-S2＿ACM技术的卫星通信系统有众多要素构成[2]，如DVB-S2标准并不适用于所有的传输方式，仅仅能够满足类似于卫星到用户小站的传输距离。所以，信息从用户小站出来直至到达信关站的反馈信道需要用到其他标准。DVB-S2＿ACM技术在数字视频广播领域使用较为广泛，一些双向交互业务也会采用这一技术。可见，该技术在大型公用宽带卫星通信网络方面更具优势。

2.2 DVB-S2＿ACM技术的性能

根据DVB-S2标准制定的方案，更适用于一些数据广播和高速数据应用。由于该技术在编码输出上相对固定，所以FEC中包含的比特数是固定的，意味着一个编码方案将会对应多个符号数。在这种情况下，要十分注意同步问题，且在调节的复杂程度上有所增加。当信噪比（SNR）的数值偏低时，对于跟踪一些高阶调制的载波会有所困难。为了能够继续对其进行跟踪，需要及时添加一些引导符号。如果选择的编码方案是更低阶的，编码时延反而会随着吞吐量的降低而增加。有些IP应用本来需要处于一种低速条件，比如话音。为了能够让设备的生产商对编码方案自行定义一个帧头信道用于向发送端回传信噪比（SNR），DVB-S2估计将这一部分设置了留白。所以，一般情况下，自适应编码调制技术（ACM）并没有统一的使用标准，每一项技术都属于各自所拥有的。在对信噪比（SNR）进行报告时，还需要占用一个宽带。由于预先计算的编码率并没有将其纳入其中，导致了实际的频谱效率会低于预期。如果忽略卫星链路的传播时延，自适应编码调制技术系统在时延情况最糟糕的情况下，编码方案对应的编码时延也不会低于20 ms。如果保持其他数据固定不变，那么编码时延和数据速率之间将成反比关系。

3 卫星通信IP网中ACM技术的应用分析

3.1 可行性分析

现阶段，我国的岸船间进行通信基本都采用点对点双星卫星电路方式，具体包括数据、话音、图像3种业务类型。话音业务在传输上依然沿用专线电路传输方式，与原有方式的不同之处是双星卫星在传输过程中会经历一个协议转换器。增加该装置的目的是共同将信息接入IP网。卫星通信的基本工作模式是恒定编码调制（CCM），一般以QPSK对其进行调制、码率为3/4的Turbo乘积码（TPC）。对传输时延也提出了具体要求，端到端的IP业务在传输信息时不能超过400 ms。为了使比特率（BER）的数值优于10且有较大的功率余量，必须确保接收端的Eb与N0的比值在10 dB之间。通过与TPC所需的Eb/N0的数据进行对比发现，能够显著提高链路吞吐量的方式是将余量转化为通信能力[3]。实验研究表明，链路速率在实际开通中可以完全可以超过64 kb/s，也就是说即使设计的方案完全合理，编码时延也可能会发生大幅降低，从而达到端到端业务在传输过程中时延小于400 ms的条件。所以，想要在原有的指标要求下提高频谱利用率，可以选择ACM为主要的工作模式。但是，在通信双方卫通的选择上会有所要求，需要使用CDM625型的MODEM。

3.2 ACM工作过程

通过IP网互联可以实现卫通站A到卫通站B的单向链路。具体的工作流程为：当卫通站A处于阳光明媚的天气时，卫通站B可以在信噪比（SNR）状态最大时接收到信号，然后在以编码方案（MCS）为计算依据算出Eb/N0；该数值经由卫通站B反馈给卫通站A，由ACM控制器与编码方案（MCS）中的比特率（BER）进行比较，然后对编码方案（MCS）进行选择，使用的编码方面（MCS）越高阶，对应的比特率（BER）Eb/N0的数值越高，但是卫通站B用于接受信号的Eb/N0的数值会降低，只有将Eb/N0的数值调整到相近，且余量不能够继续支出其使用更高阶的编码方案（MCS）时，才能够使最终的链路吞吐量达到最大；当卫通站A处于雨水天气时，卫通站B接收信号的信噪比（SNR)以及Eb/N0都会降低，比特率（BER）便不能够与卫通站B传回的Eb/N0相匹配，这时ACM控制器便会选择低阶的编码方案（MCS），卫通站B再次接收到的信号Eb/N0也会随之提高，然后可以有效改善链路的性能。

3.3 注意事项

虽然CDM625型MODEM可以满足各种用户提出的不同要求，但是如果将其应用于航天测量船和任务中心间的相互通信，还需注意以下要求。

3.3.1 缓存器大小应设置在一个合理的范围内

CDM625在广域太网口中设置缓存器的目的是及时进行调整以适应编码方案造成的链路吞吐量的变化，以防数据丢失。该缓存器根据低阶MCS0进行设置，合理范围为20～780 ms，系统的时延也会随着缓存器数值的变化而变化。如果将该缓存器用于岸船间的卫星通信IP网互联，为了满足指标要求，需要将缓存器的参数设置为20 ms。

3.3.2 端口不在限速

用卫通电路对IP网中的数据进行同步时，一般会对路由器进行端口限速，限速的标准是信道带宽。CDM625可以通过自协商协议实现IP接口和本地网络的共联，在控制拥塞方面采取暂停帧的方式。这样做是为了避免接口缓存器溢出，且使其长期保持在75%～87%范围内。这样无论是使用交换机还是路由器，都不会再受到传输速度的限制[4]。

3.3.3 编码方案应明确规定其调整范围

一般编码方案的自适应范围都是事先由工作人员定好的数值，MCS0代表最低阶的编码方案，MCSO能够促进电路可用度的有效提高，但是会限制岸船通信所租用的卫星转换器贷款及其功率。最高阶的方案编码不能随便设置，应根据卫通路在开通时所测试的结果确定其模式，如果出现方案编码最高阶与最低阶编号相同的情况，那么则会改变原有的工作模式，变为恒定编码调制（CCM）模式。

4 结 论

自适应编码调制（ACM）技术作为一种数据传输效率高且智能化的无线通信技术，无论是在编码时延还是系统的复杂程度上，都更加适合通信卫星的信息传输。ACM技术在卫星链路功率余量和链路传输能力的相互转化方面，既能够在原有带宽的限制下将误码率保持在一定范围内，又不会造成通信链路的堵塞。后续我国将以国内的通信卫星为媒介，对未来的设备改造在选型和通信优化方案上提供可以参考的意见。