基于概率整形的Ka宽带卫星通信系统传输性能研究

黄宏宇 张琦 李彬彬

摘  要： 为了在保证可靠性的条件下，尽可能的提高卫星通信的效率，本文设计了一种基于概率整形的Ka宽带卫星通信系统。从信号层角度建立了Ka信道模型，分析了卫星信道对信号传输的影响。仿真研究了不同天气条件下采用不同调制方式的信号的传输性能，分析了系统信源熵、误符号率特性。研究结果表明，概率整形方案与均匀分布的正交幅度调制方案相比在误符号率方面得到了提升，在晴天、多云、间歇性小雨的情况下，通过概率整形技术可以获得一定的信噪比增益，随着噪声功率的升高可通过采用不同程度的概率整形来使系统的误符号率满足要求。而在雨天、雷雨天气下，概率整形技术所带来的增益十分有限。

关键词： 卫星通信;概率整形;正交幅度调制

中图分类号： TN911.3    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.007

本文著录格式：黄宏宇，张琦，李彬彬. 基于概率整形的Ka宽带卫星通信系统传输性能研究[J]. 软件，2020，41（08）：24-27+36

【Abstract】： In order to improve the efficiency of satellite communication as much as possible under the condition of ensuring reliability， a ka-band satellite communication system based on probabilistic shaping is designed in this paper. The ka-band channel model is established from the signal layer， and the influence of satellite channel on signal transmission is analyzed. The transmission performance of signals with different modulation modes under different weather conditions is simulated and studied， and we obtain the source entropy and error symbol rate. The simulation results show that the probabilistic shaping scheme has some advantages over the traditional quadrature amplitude modulation （QAM） scheme in terms of symbol error rate. In sunny， cloudy， and intermittent rain weather， a certain signal-to-noise ratio （SNR） gain can be obtained by the probabilistic shaping technique. With the increase of noise power， the error symbol rate （SER） can meet the requirements by using different degrees of probabilistic shaping. In rainy and thunder storm weather， the gain of probabilistic shaping scheme technology is very limited.

【Key words】： Satellite communication; Probabilistic shaping; Quadrature amplitude modulation

0  引言

随着信息科技的发展[1-3]，人们对全球时空连续通信、高可靠安全通信、区域大容量通信、高机动全程信息传输的需求日益增长，天地一体化项目被提出。在天地一体化项目当中，地面与卫星的通信是关键技术之一。由于通信需求的大幅度增长[4-5]，频谱资源日益稀缺。

为了提高通信系统的容量，卫星通信系统正向高频段发展，工作频率多为ka或ka以上。因此，ka波段的卫星通信成为了国内外研究的热点[6-7]。然而ka波段的卫星通信系统会受到天气的严重影响，不能保证每时每刻都保持较高的可靠性进行传输。均匀分布的调制格式由于在给定发射功率下最小欧式距离较小不能满足系统可靠性要求。概率整形（PS）[9]的方案通过改变各星座点的预设概率使星座点的概率分布与最优分布接近，来提高可靠性、使系统容量逼近香农极限。因此，这一技术成为了国内外研究的热点。

概率整形技术的原理是设法提高发射所需能量较小的符号的概率，降低发射所需能量较大的符号的概率。在发射能量固定的情况下，采用概率整形技术，可以增大信号星座图中的最小欧式距离，从而提高信号的抗干扰能力，使其能有效地克服“雨衰”所带来的影响。国内外对概率整形技术进行了相关研究。Huan Chen等人提出了一种相位均匀分布的圆m进制正交幅度调制（MQAM）和概率成形相结合的方案，实验研究了该方案在卫星地面的光通信系统中的效果，结果表明概率整形16QAM可以获得1.2 dB的光接收机灵敏度增益相对于传统的16QAM[10]。Bo Liu等人则研究了方型16QAM（square-16QAM）在概率成形（PS）和相干检测均匀方案中的性能。数值模拟和实验结果表明，在PS技术的帮助下，误比特率比原Square-16QAM格式的误比特率有较大提高[11]。概率整形技术在16QAM调制中取得了很好的效果，于是许多学者致力于将它应用于更高阶的调制中。L. Bertignono等人实验比较了均匀分布16QAM、32QAM和概率整形64QAM（PS-64QAM），结果表明PS-64QAM在FEC开销与均匀分布16QAM、32QAM相同的情況下灵敏度增益在0.4-1 db范围内，可达10-25%[12]。部分学者如Metodi P等人则研究了256QAM、1024QAM的概率优化分布[13]。但是，概率整形在ka波段的微波卫星通信中的研究刚刚起步。故本文主要研究概率整形技术中较为经典的16QAM在ka波段卫星通信中的性能。

为了提升卫星通信的可靠性，本文在研究概率整形信号产生机理的基础上，设计了一种基于概率整形的Ka宽带卫星通信系统，仿真研究了16QAM概率整形方案在Ka宽带卫星通信系统传输性能，分析了晴天、多云、间歇性小雨、雨天、雷雨等不同天气情况下，通过概率整形技术获得的信噪比增益，并与均匀分布调制格式进行了性能对比。

1  基于概率整形的Ka宽带卫星通信系统

1.1  系统模型

卫星通信整体过程为如图1所示，均匀随机的二进制序列经过编码后得到服从概率分布的符号，然后通过16QAM调制成为微波信号。微波信号通过ka波段卫星通信信道后，到接收端。接受端先对信号进行功率放大，再通过解调器对其进行解调。最终通过解码器，将解调得到的符号转化为收到的二进制序列。

2  性能分析

2.1  仿真环境

仿真利用MATLAB R2018b编程实现，为了验证概率整形方案在卫星通信中的误码率性能，我们模拟了信号在Ka频段卫星信道中传输的过程。我们假设对SER的要求是小于0.001，为了提高信号传输效率，我们在满足SER的要求的情况下，采取更高效的调制方式。因此，在不同的天气情况下，我们对概率整形16QAM方案、均匀分布的16QAM方案、QPSK方案的性能进行了比较。我们利用MATLAB模拟了图4所示信号传输过程。均匀二进制序列经过概率整形后成为服从概率分布的符号，其经过调制之后，在ka频段卫星信道中传输。然后，在接收端先进行功率补偿再进行解调，获得输出符号。最终，我们对比输入端的符号和输出端的符号，统计得到误符号率。仿真时模拟传输1×105个符号，信噪比范围是10-35 dB。

仿真时卫星信道的参数如表1所示。

功率放大器中，放大的功率倍数是衰减项中幅度的期望值平方的倒数（u1–2），这样可以补偿雨衰带来的功率损失，随后再进行判决、解调。

2.2  仿真结果

信噪比为30 dB的条件下，在没有雨衰影响时和在晴天、雨天的天气条件下受雨衰影响时均匀分布16QAM传输的星座图如图5所示。在晴天的天气下，相位，幅度影响因子的标准差较小，星座图失真程度较低。在雨天的天气条件下，星座图严重失真。雨衰项h（t）的幅度和相位服从正态分布。幅度的影响会导致星座点向原点靠近，而相位项的影响，会导致星座点以原点为轴旋转，导致星座图的几何形状发生改变。在雨天条件下，相位与幅度所服从的正态分布标准差较大，导致星座点偏差较大。

（1）晴天

在晴天的天气情况下，误符号率随着信噪比的变化如图6所示。从图6可以看到，在SER=0.001时，V=0.4的概率整形信号的SNR为13.5 dB，而均匀分布的16QAM信号的SNR为21.5 dB。由此可见，在相同的误码率下，概率整形信号随着V值的增大，对信噪比的要求逐渐降低。因此，在信噪比相等的情况下，概率整形信号性能优于均匀分布的16QAM信号。

（2）多云

在多云的天气情况下，误码率随着信噪比的变化如图7所示。从图7可以看到，当SER=0.001时，V=0.4的概率整形信号的SNR为12.5 dB，而均匀分布的16QAM信号的SNR为19.8 dB。由图7不难发现，在相同的信噪比下，概率整形信号随着V值的增大，误码率的值逐渐降低。因此，在信噪比相同的情况下，概率整形信号的误码率性能优于均匀分布的16QAM信号。

（3）间歇性小雨

在间歇性小雨的天气情况下，误码率随着信噪比的变化如图8所示。从可知图8，当SER=0.001时，V=0.4的概率整形信号的SNR为12.8 dB，而均匀分布的16QAM信号的SNR=20.8 dB。在相同的信噪比的情况下，随着V值的增大，概率整形信号的误码率逐渐降低。因此，在相同的信噪比下，概率整形信号的误码率性能优于均匀分布的16QAM信号。

（4）雨天

在雨天的天气情况下，误码率随着信噪比的变化如图9所示。由图9可知，当信噪比增大时，概率整形信号和均匀分布的16QAM信号的误码率很难降低到0.001，而QPSK信号的误码率在信噪比为16 dB时就可以满足误码率低于0.001的要求。因此，在雨天的情况下，QPSK信号的误码率性能优于概率整形信号和均匀分布的16QAM信号。

（5）雷阵雨

在雷阵雨的天气情况下，误码率随着信噪比的变化如图10所示。由图10可知，在信噪比大于20 dB时，概率整形信号和均匀分布的16QAM信号的误码率變化缓慢，误码率达不到小于0.001的要求。在这种天气情况下，QPSK信号的误码率随着信噪比的增大而降低。因此，在雷阵雨天气下，QPSK信号的误码率性能优于概率整形信号和均匀分布的16QAM信号。

（6）概率整形对传输效率的影响

由信源熵的计算公式（5）可以知道，当均匀分布的概率变为不均匀后，信源熵值会有所减少。概率整形方案正是通过牺牲一定的传输效率来换取可靠性的，我们通过公式（5）计算了随着缩放因子v的变化，信源熵值的变化，其曲线如图11所示。

4  结论

为了研究概率整形技术在ka波段卫星通信中的效果，本文对16QAM概率整形的方案、传统16QAM方案、QPSK方案在卫星通信当中的效果进行了仿真。通过MATLAB仿真得到了各传输方式在不同天气情况下传输的误符号率性能。结果表明，16QAM概率整形方案可以有效地提高卫星通信的可靠性，带来一定的信噪比增益。在晴天、间歇性小雨、多云的天气条件下，当16QAM的可靠性不能满足需求时，可以采用16QAM概率整形的方案来达到误码率要求。但在雨天、雷雨天气下，概率整形16QAM方案无法进一步的提高传输效果，这时需要更换调制格式，采用低阶的调制如QPSK等来保证可靠性。

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