一种基于ASCM技术的卫星通信实现方法

安中文 郝晓强 时立锋 杨博 张华健

(航天恒星科技有限公司，北京 100095)

随着卫星互联网建设上升为国家“新基建”发展战略，高通量卫星通信应用已成为行业发展趋势。在卫星通信系统中，通常多个小站需要共享来自主站的同一前向载波，受不同链路状况及天线增益和雨衰等天气因素影响，不同小站之间接收信噪比都不尽相同，有些甚至具有很低的信噪比且实时变化。为了适应此问题及实现宽带信息传输，卫星数字化视频广播第二代标准(DVB-S2)引入了自适应编码调制(ACM)技术。基于此技术，可根据主站及小站接收信噪比而实时动态调整传输信息的编码调制方式(MODCOD)以适应链路状况，通过自适应选择最优的MODCOD进行信息传输，从而使链路的吞吐量达到最大化，提高了频谱利用率，同时又保证了较高的通信可靠性。

然而对于车载动中通、便携式以及机载、船载等移动终端使用场景，通常需要采用小口径卫星天线。对于小口径天线，其天线增益/接收系统噪声温度(G/T)值也相对较小，同时受链路及天气状况影响，这类终端需要以较低的信噪比接收来自主站的ACM信号，国内及国际上美国联邦通信委员会(FCC)与欧洲电信标准化协会(ETSI)相关协议都限定了卫星频带内的等效全向辐射功率(EIRP)值，因此小口径天线使用会进一步受限。另外，采用小口径天线也容易受到临道干扰。

为了实现低信噪比的信号接收及抗干扰，解决ACM技术瓶颈及小口径天线使用受限问题，在卫星通信领域可以基于扩频通信与ACM相结合的技术手段，即自适应扩频编码调制(ASCM)技术[1]。由于引入扩频通信技术后，能够使有用信号以较低的功率谱密度进行信号传输，从而满足小口径天线的使用要求及限制。基于扩频技术，在同样的MODCOD下，可以实现更低信噪比的信号接收[2]。

本文对ASCM技术在卫星通信系统的应用进行研究分析，介绍了扩频通信技术的基本思想和优势，设计了一种基于ASCM技术的卫星通信实现方法，并具体阐述了其研究内容，通过此方法可以有效解决小口径天线应用时所面临的低信噪比传输问题，同时可以根据链路情况自适应快速调整ASCM参数，从而达到实现高带宽传输目的。

1 扩频通信技术

目前扩频通信技术被广泛应用于通信领域，特别是对于卫星通信领域也有很重要的应用意义。所谓扩频通信是一种扩展频谱的通信技术，即通过扩频的方式使其信号传输时所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽[3]。在发送端通过一种特定的码序列(又称伪随机码)来完成频带的扩展，在接收端则用同样的码序列对扩频信号进行相关解扩，从而恢复出所传信息数据。

根据香农的信道容量公式，对于同样的信号传输速率，信号带宽(W)和信噪比(S/N)可以通过互换的方式实现[4]，即如果增加了传输信号带宽，那么对于信噪比的要求就会有所降低。扩频通信就是基于此理论依据和基本思想[5]，通过扩展带宽技术来降低对信噪比的传输要求，从而实现了信息在低信噪比信道条件下的可靠传输。

基于扩频通信技术，信号频谱得以大大扩展，通过采用扩频码序列在发送端进行扩频调制，同时在接收端用相应的扩频码序列进行解调，使其具有窄带通信无法比拟的优良性能，主要技术优势见表1。

表1 扩频通信技术优势Table 1 Advantages of spread spectrum communication technology

2 一种基于ASCM技术的卫星通信实现方法

本文设计了一种基于ASCM技术的卫星通信实现方法，具体步骤如下。

(1)对所设计方法适用的卫星通信系统架构进行分析，即基于何种架构、卫星通信体制及应用场景。

(2)对在卫星通信中应用ASCM技术时，如何实现ASCM的数据收发进行说明，即通过阐述所设计的ASCM传输帧格式，来明确ASCM数据传输时的信噪比反馈、ASCM参数调整以及有效数据等信息。

(3)对ASCM参数调整算法进行设计，明确调整准则及调整算法，以保证所设计方法可以根据实际接收情况而自应适、吞吐量最大化且无损业务的调整ASCM参数。

2.1 适用的卫星通信系统架构

本文所设计的ASCM卫星通信实现方法适用于星状网系统拓扑架构及其卫星通信体制，即各终端的前向及回传ASCM信号参数配置均由主站负责链路状态监控及切换控制，各小站负责实时上报其接收信噪比并按照主站的切换指令进行ASCM参数配置，主站和小站相应发射和接收通道需按照主站指令进行相应ASCM参数切换[8]，特别适用于小口径天线受G/T值及链路影响而需要在低信噪比条件下实现信息传输的应用场景，适用的系统架构如图1所示。

图1 基于ASCM技术的星状网卫星通信系统架构示意图Fig.1 Star network architecture diagram of satellite communication system based on ASCM

2.2 ASCM传输帧格式

ASCM传输帧格式分为主站传输帧格式和小站传输帧格式，其中主站传输帧格式如图2所示，主站需要根据信噪比的情况，自适应调整主站及小站相应收发通道的扩频系数和MODCOD，以实现低信噪比条件下的传输最优化。每一帧由3种数据段组成[9]。

图2 主站ASCM传输帧格式图Fig.2 ASCM transmission frame format of hub

(1)帧同步段：用来获取比特流同步信息或者载波频率信息以保证接收同步，若此字段丢失则对应帧丢失，需要重新同步获取，此字段可以设置为固定长度。

(2)ASCM参数控制指令段：通过对小站上报的接收信噪比以及主站接收信噪比情况进行自适应ASCM参数控制，控制主站和小站相应发射和接收通道进行ASCM参数切换，用来表征接下来在同一发送帧中数据采用了何种扩频系数以及MODCOD，以及主站采用何种ASCM参数进行接收解调，同时控制小站以相同的ASCM参数进行数据发送。

(3)数据块：与ASCM参数控制令段表征的扩频系数以及MODCOD所对应的数据段，其位长可以根据表征的ASCM参数计算得出。

其中小站传输帧格式如图3所示，每一帧由3种数据段组成。

图3 小站ASCM传输帧格式图Fig.3 ASCM transmission frame format of modem

(1)帧同步段：与主站ASCM传输帧格式对应字段格式相同。

(2)信噪比上报及ASCM参数响应段：负责按时上报小站接收信噪比，以及对于主站ASCM参数控制指令进行响应，以完成参数调整和通信重新建立过程，用来表征接下来在同一发送帧中数据采用了何种扩频系数和MODCOD，以及小站采用何种ASCM参数进行接收解调。

(3)数据块：与主站ASCM传输帧格式对应字段格式相同。

2.3 ASCM参数调整算法

对于不同应用场景，为了实现链路速率最大化和提高频谱利用率，需要设计ASCM参数调整算法，以根据主站及各小站的接收信噪比，自适应的实时调整扩频系数以及MODCOD，另外需尽可能使用较低的扩频系数来提高传输信息效率。

例如在星状网中，由于多个小站的接收信噪比不同，因而对每个小站的ASCM配置参数也不同，比如A站接收信噪比为-3 dB，则它无需采用扩频方式即可选用二进制相移键控(BPSK)1/3的MODCOD，B站接收信噪比为-6 dB，则它需采用2倍扩频，增益3 dB，才可以选用同样的MODCOD，而C站接收信噪比为-13 dB，则它需采用的扩频增益为10 dB，才可以选用同样的MODCOD，具体对应ASCM参数配置见表2。

表2 不同终端根据信噪比调整ASCM参数示例Table 2 Example of terminals adjusting ASCM parameters according to SNR

需要注意的是，为了提高信息传输效率，要尽量选用较低的扩频系数，例如当接收信噪比为-6 dB时，采用2倍扩频，增益3 dB，可以适用BPSK 1/4的MODCOD，则对应每符号有用信息比特率为0.25/2=0.125；如果采用扩频30倍，对应增益为15 dB，则相对可以提高到9 dB的信噪比，可以适用八相位相移键控(8PSK)3/4的MODCOD，则每符号有用信息比特率为2.25/30=0.075，约为采用扩频3 dB时的一半频谱利用率，对应对比关系见表3。

表3 不同ASCM参数对应信息比特率对比示例Table 3 Comparison of information bit rates corresponding to different ASCM parameters

基于上述ASCM参数调整准则，设计了一种ASCM参数调整算法如图4所示，具体说明如下。

图4 ASCM参数调整算法过程图Fig.4 ASCM flowchart of parameter adjustment algorithm

步骤1：按照约定的ASCM参数对小站和主站相关通道的发送及接收模块ASCM参数进行初始化配置，以建立前向和回传信道的初始通信过程。

步骤2：通信建立后，小站定时上报接收信噪比，主站则定时监测所接收信噪比，以便根据通信链路情况动态调整ASCM参数。

步骤3：主站根据信噪比情况计算各信道接收和发送ASCM参数，以此作为调整ASCM参数的依据。

步骤4：主站判断是否有信道ASCM参数需要调整，若小站接收需调整则执行步骤5(a)，若主站接收需调整则执行步骤5(b)，否则执行步骤3，通过此步骤来达到根据接收信噪比情况优化ASCM参数的目的。

步骤5(a)：主站下发小站接收ASCM调整指令，同时按原ASCM参数发送空数据帧，直到收到小站指令响应[10]。小站响应指令时，主站所发数据段为空帧，小站无需接收此帧数据，因此缩短了切换时间。

步骤5(b)：主站下发小站发送ASCM调整指令，直到收到小站指令响应，然后主站调整接收模块按新ASCM参数接收，小站响应指令时所发数据段为空帧，主站无需接收此帧数据，因此缩短了切换时间。

步骤6(a)：小站响应参数切换指令后，立即调整接收模块按新ASCM参数接收，无需接收对应帧的数据段，因此缩短了切换时间，同时主站按调整后的ASCM参数发送空数据帧，直到小站响应已收到，则代表新通信建立过程完成，然后主站再发业务数据，继续执行步骤3。通过这种“握手”确认机制保障了调整ASCM参数时通信有效连接以及不会影响业务传输，且切换处理时间在毫秒级，算上卫星链路时延，总切换时间不会超过1 s，中断时也不会影响用户体验。

步骤6(b)：小站响应参数切换指令后，立即调整发送模块按新ASCM参数发送空数据帧，直到主站响应已收到，则代表新通信建立过程完成，然后小站再发业务数据，继续执行步骤3，通过这种“握手”确认机制保障了调整ASCM参数时通信有效连接以及不会影响业务传输，且切换处理时间在毫秒级，算上卫星链路时延，总切换时间不会超过1 s，中断时也不会影响用户体验。

3 验证分析

本节对所设计的基于ASCM技术的卫星通信实现方法进行验证分析，首先对ASCM技术在卫星通信中的应用优势进行实际测试，基于星状网架构的卫星通信系统，从小站回传链路方向进行验证，小站前向接收链路也同理。采用同样的小站、主站及小口径天线，并在同样链路情况下对应用ASCM技术前后进行对比验证。使用频谱仪的频谱测试软件对所发信号在频域的幅频特性关系进行测试，采用ASCM技术后，小站扩频前发射信号频谱如图5(a)所示，即有用信号带宽为2 MHz(对应滚降系数为0.2)，小站采用4倍扩频系数，即扩频后发射信号带宽为8 MHz，对应信号频谱如图5(b)所示，对于同样的发射功率(对应频谱的积分功率)，扩频后最高信号电平约下降6 dB，从而降低了功率谱密度。

图5 扩频前后小站发射信号频谱图Fig.5 Spectrum diagram of transmitted signal of terminal before and after spreading

在主站接收端，使用频谱仪的误差向量幅度(EVM)测试软件对主站解调后的信号质量进行测试，采用ASCM技术前，EVM指标均值为5.36%，而采用4倍扩频系数的ASCM技术后，主站解调后信号的EVM指标均值减小到1.78%，信号质量改善效果明显，测试对比结果如图6所示。

图6 采用ASCM技术前后主站解调信号EVM指标对比Fig.6 Comparison of EVM with demodulated signal of hub before and after using ASCM

通过小站端的软件监控界面可以显示出主站解调后的接收信噪比，对应小站端的发射信噪比，结果如图7所示，测试结果表明：采用ASCM技术后，在同样的接收信噪比条件下，主站解调后的接收信噪比由7 dB提高到10 dB，由于采用4倍扩频系数，可以得到6 dB的扩频增益，再考虑3 dB的系统工作损耗，从而实测提升了3 dB的主站接收信噪比，对应可传的最高阶MODCOD由四相移键控(QPSK)9/10提高到了8PSK 5/6。

图7 采用ASCM技术前后主站解调信噪比对比Fig.7 Comparison of SNR with demodulated signal of hub before and after using ASCM

综上所述，采用ASCM技术前后性能对比见表4，经对比验证分析，在卫星通信系统中应用本文所设计的ASCM实现方法，可以有效提高接收端的信号质量和解调后的接收信噪比，特别是可以解决小口径卫星天线受G/T值、EIRP值限制及链路条件差时的使用受限问题，在较低信噪比下仍可以实现信息接收。由于在接收端需采用特定的扩频码解扩，其抗干扰能力也更强。另外，ASCM参数调整算法将控制小站按照主站解调门限可接受的最高阶MODCOD发送信息，以尽可能提高信道利用率。

表4 采用ASCM技术前后性能对比Table 4 Performance comparison before and after using ASCM technology

接下来基于星状网架构的卫星通信系统，从小站前向接收链路方向进行验证，对ASCM参数调整算法进行测试，小站回传链路也同理。在前向滚降系数为0.25，QPSK模式下，前向每个帧为固定长度64 800 bit，测试了几种场景下的ASCM参数调整时间，具体测试参数和经计算所得的切换时间见表5，下面说明具体计算公式。

(1)

式中：t为切换处理时间；A为调整前所发空帧数；B为调整后所发空帧数；C为所发帧长的比特数，在测试场景中为64 800 bit；D为调整前的扩频倍数；E为滚降系数，在测试场景中为0.25；F为传输带宽；G为所传MODCOD每符号对应的比特数；H为调整后的扩频倍数。

T=t+0.24(A+B)

(2)

式中：T为总切换时间。

例如对于表5中序号1对应的测试场景，按照式(1)计算切换处理时间为0.027 s，按照式(2)计算总切换时间约为0.99 s。

表5 ASCM参数调整数据及切换时间Table 5 Adjustment data and switching time of ASCM parameter

经测试验证表明：所设计ASCM参数调整算法的切换处理时间为毫秒级，针对同步轨道卫星，算上卫星链路时延(一次星地往返时延约为240 ms)，总切换时间不会超过1 s。另外在参数调整过程中，所传输业务数据没有丢失，且只发送了4帧的空数据帧就完成了链路的参数重新建立过程，具有切换时间短、用户无感知和无损业务传输的优点。

4 结束语

本文通过将扩频技术应用到卫星通信领域，并与ACM技术相融合，设计了一种基于ASCM技术的卫星通信实现方法，可以实现在较低信噪比下的卫星信号收发，有效地解决了小口径天线受G/T值及链路影响的使用受限问题，并可以自适应地调整ASCM参数，以最大化的提高信道吞吐量。今后将研究在卫星通信系统中，基于扩频通信的CDMA应用，实现多个小站共享同一频带，从而进一步提高ASCM信号传输时的频谱利用率及各小站间的抗干扰特性。