南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院衛(wèi)星通信論文

1、濱江學(xué)院課程設(shè)計(jì)題 目 基于LDPC碼的衛(wèi)星通信自適應(yīng)編碼調(diào)制 院 系 濱江學(xué)院 專 業(yè) 通信工程 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 李家強(qiáng) 職 稱 教授 二一五 年 五 月 三十 日基于LDPC碼的衛(wèi)星通信自適應(yīng)編碼調(diào)制摘要：隨著寬帶衛(wèi)星通信的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的C頻段、Ku頻段已不能滿足日益增長(zhǎng)的通信需求。因此,可用帶寬大、抗干擾能力強(qiáng)的Ka頻段成為衛(wèi)星通信領(lǐng)域廣泛使用的頻段。但是,Ka頻段衛(wèi)星通信面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是雨衰對(duì)其產(chǎn)生的巨大影響,為了保證衛(wèi)星通信中信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?提高鏈路的可用度,需要釆用自適應(yīng)技術(shù)來(lái)抵抗雨衰帶來(lái)的影響。本文對(duì)Ka頻段衛(wèi)星通信中基于LDPC碼的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了研究。

2、關(guān)鍵詞:Ka頻段衛(wèi)星通信，準(zhǔn)循環(huán)LDPC(QC-LDPC)碼，雨衰，自適應(yīng)編碼調(diào)制(ACM)，低密度奇偶校驗(yàn)碼，信道估計(jì)，信道預(yù)測(cè)，傳輸模式。1、緒論1.1 Ka頻段衛(wèi)星通信研究現(xiàn)狀及發(fā)展隨著對(duì)衛(wèi)星通信信道容量需求的增加,衛(wèi)星通信中已有的C(6/4GHz)頻段和Ku (14/12GHZ)頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)已不能滿足日益增長(zhǎng)的需求,向更高的Ka頻段推進(jìn)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。Ka頻段也稱為30GHZ/20GHZ頻段,國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)給衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)分配了 Ka頻段。Ka頻段的上行頻率為27.5GHz?31 GHz,下行頻率為 17.7GHz?2LlGHz。早在1974年,美國(guó)NASA就曾在Fairc

3、hild研制的ATS-6上進(jìn)行了 20?30GHz連續(xù)波和多個(gè)單音的傳播試驗(yàn),從此開(kāi)辟了 Ka頻段衛(wèi)星傳播和通信的先河。之后發(fā)射的LES8、9(林肯試驗(yàn)衛(wèi)星8、9)不僅與地球站進(jìn)行了 Ka頻段的傳播試驗(yàn),而且建立了衛(wèi)星間Ka頻段試驗(yàn)鏈路。1977年,日本發(fā)射了與美國(guó)合作研制的ETS-II(工程試驗(yàn)衛(wèi)星II),并于1977年發(fā)射了自己的通信試驗(yàn)衛(wèi)星CS-1,1983年發(fā)射了 CS-2商用衛(wèi)星。CS-2不但是日本第一顆商用通信衛(wèi)星,也是世界上第一顆搭載Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的實(shí)用通信衛(wèi)星。歐空局于1990年發(fā)射的OLYMPUS通信衛(wèi)星,也進(jìn)行了 Ka頻段的通信和電波傳輸試驗(yàn)。1991年意大利發(fā)射了 Ka頻

4、段衛(wèi)星ITALSAT,星上載有三類有效載荷,其中兩類用于Ka頻段點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,包括多波束系統(tǒng)和全球波束系統(tǒng)。1993年美國(guó)發(fā)射了 ACTS再生中繼式衛(wèi)星,具有星上處理功能,證實(shí)了 Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可用性,是Ka頻段衛(wèi)星通信發(fā)展的里程碑。1994年美國(guó)研制的高可靠、高保密、抗摧毀能力強(qiáng)的Milstar,以及于1998年發(fā)射的COMETS星都預(yù)示著Ka頻段衛(wèi)星通信正邁向一個(gè)新的臺(tái)階。目前,國(guó)外正在建設(shè)專用的衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng),主要有由靜止軌道衛(wèi)星組成的Spaceway、Astrolink、Cyberstar等系統(tǒng)和由低軌道衛(wèi)星組成的Teledesic、Skybridge等系統(tǒng),這些系統(tǒng)都為全球覆

5、蓋系統(tǒng),多數(shù)采用了 Ka頻段。著名的國(guó)際太空咨詢機(jī)構(gòu)Euroconsult指出: “2018年,Ka頻段需求將占衛(wèi)星容量總需求的14%,主要采用Ku頻段和C頻段的軍事衛(wèi)星通信也將被推向Ka頻段”。我國(guó)Ka頻段通信技術(shù)還處在研究階段,地面設(shè)備及星上轉(zhuǎn)發(fā)器的研究在九五期間已經(jīng)展幵,部分專題已取得突破,但與國(guó)外先進(jìn)水平還存在較大差距,在Ka頻段衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)的研究上任重而道遠(yuǎn)。1.2基于LDPC碼的衛(wèi)星通信自適應(yīng)編碼調(diào)制意義Ka頻段衛(wèi)星通信因其具有可提供的帶寬大、通信容量大、波束窄、終端尺寸小、軌道平面內(nèi)可容納的衛(wèi)星多和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)成為寬帶衛(wèi)星通信的理想選擇。但是,在衛(wèi)星通信中,電波在空間傳

6、輸時(shí)要受到很多因素的影響,如大氣吸收、對(duì)流層閃爍、云、霧、雪、雨等都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)不同程度的衰落。與C頻段和Ku頻段相比,Ka頻段衛(wèi)星通信面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是它受降雨因素的影響比較嚴(yán)重。如對(duì)強(qiáng)度為22.4mm/h的降雨,在地球站對(duì)衛(wèi)星的仰角為40°時(shí),C頻段的雨衰僅為O.ldB,可忽略;Ku頻段為4.5dB;而Ka頻段在下行鏈路頻率為20GHz時(shí),雨衰為12.2dB,上行鏈路頻率為30GHz時(shí)的雨衰則高達(dá)23.5dB。目前正在設(shè)計(jì)的Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng),因雨衰引起的通信中斷平均每月要超過(guò)3小時(shí),這就難以滿足一般電信用戶和廣播電視通信可用度達(dá)到99.97%的要求。因此,對(duì)雨衰的補(bǔ)償是Ka頻

7、段衛(wèi)星通信亟待解決的一個(gè)難題。C頻段和Ku頻段中,常使用預(yù)留余量的辦法9。傳統(tǒng)的預(yù)留余量對(duì)策一是增大天線的尺寸,二是加大系統(tǒng)的發(fā)射功率,這樣可以保證有5?lOdB的余量來(lái)克服雨衰丨但在Ka頻段預(yù)留余量,特別是多雨地區(qū),則需要二十幾或四十幾分貝,這樣會(huì)使系統(tǒng)成本大大增加且對(duì)鄰近地空鏈路造成強(qiáng)烈干擾,故完全采用預(yù)留余量的辦法很不現(xiàn)實(shí)。同時(shí),為了解決一個(gè)局部區(qū)域的大降水,全部覆蓋區(qū)域都預(yù)留同樣大的余量也很不合理t9。因此,針對(duì)Ka頻段衰減,必須采用一種靈活有效地抗衰減技術(shù),既能保證通信質(zhì)量,又能合理利用資源,同時(shí)又不會(huì)帶來(lái)鏈路間的干擾問(wèn)題。文獻(xiàn)12中分析了 Ka頻段地空鏈路電波傳輸過(guò)程中受到衰減情況

8、(包括對(duì)流層閃爍、大氣吸收、信號(hào)去極化、系統(tǒng)間干擾等),并給出了幾種減輕衰減的對(duì)策,包括功率控制技術(shù)、自適應(yīng)傳輸技術(shù)、分集技術(shù)以及混合FCM技術(shù)等。文獻(xiàn)13中利用OLYMPUS星得到的測(cè)量數(shù)據(jù),給出了一種上行鏈路自適應(yīng)功率控制算法來(lái)減小雨衰的影響。文獻(xiàn)16中提出了一種應(yīng)用在Ka頻段的開(kāi)環(huán)上行功率控制技術(shù),并且得到這種功率控制技術(shù)的精度在±2.5dB之間。功率控制技術(shù)雖然比較實(shí)用,但是會(huì)對(duì)鄰道或者鄰星帶來(lái)干擾。自適應(yīng)傳輸技術(shù)被認(rèn)為是一種資源共享的衰減消除技術(shù)(FMT)2,主要包括自適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)編碼、自適應(yīng)數(shù)據(jù)率。自適應(yīng)編碼調(diào)制(ACM)結(jié)合了自適應(yīng)編碼和自適應(yīng)調(diào)制兩種方式,是非常具

9、有潛力和研究?jī)r(jià)值的技術(shù)之一?；贒VB-S標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用固定編碼調(diào)制(CCM)方式,通常留有一定的通信余量來(lái)補(bǔ)償信道衰減,這樣降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率,浪費(fèi)了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻譜資源。為了最大限度地利用信道容量,在有限的頻譜資源上高速傳輸多媒體數(shù)據(jù),提高系統(tǒng)在雨衰信道中的頻譜利用率,就必須使發(fā)送速率隨信道容量變化而變化,也就是使編碼調(diào)制方式具有自適應(yīng)特性21。文獻(xiàn)15給出了自適應(yīng)編碼調(diào)制在3G無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,通過(guò)最大化平均吞吐量來(lái)選擇最佳編碼調(diào)制傳輸模式。文獻(xiàn)16中應(yīng)用自適應(yīng)前向差錯(cuò)控制編碼(AFEC)技術(shù)來(lái)減小雨衰的影響,同時(shí)表明AFEC能在鏈路可用度和頻帶效率之間有比較好的折中。文

10、獻(xiàn)17為了實(shí)現(xiàn)可靠的遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸,使用了一種基于Turbo碼和APSK的ACM傳輸方案,該方案下能夠降低系統(tǒng)中斷時(shí)間概率,改善鏈路可用度。文獻(xiàn)18分析了 DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)中自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法和在Ka頻段多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中的性能。文獻(xiàn)19針對(duì)單播寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),提出了一種設(shè)計(jì)和優(yōu)化ACM傳輸方案的方法。以上研究都表明,ACM是一種有效的抗雨衰傳輸方案。因此,本文以Ka頻段衛(wèi)星通信為背景,研究ACM技術(shù)在抗雨衰對(duì)策中的應(yīng)用。2、Ka頻段抗雨衰自適應(yīng)技術(shù)簡(jiǎn)介2.1自適應(yīng)功率控制技術(shù)自適應(yīng)功率控制一般包括上行功率控制和下行功率控制,它是補(bǔ)償由降雨等因素引起的衛(wèi)星鏈路信號(hào)衰減最實(shí)用的技術(shù)之一。

11、圖2.為衛(wèi)星通信系統(tǒng)上下行功率控制示意圖。一般情況下,功率控制分為開(kāi)環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制。開(kāi)環(huán)的功率控制系統(tǒng)調(diào)整地球站的高功率放大器(HPA)僅僅基于衰減測(cè)量,而不借助于接收端的任何反饋信息。在有透明衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的情況下,調(diào)整地球站發(fā)射端載波功率可以控制上下行功率電平,來(lái)補(bǔ)償上下行信號(hào)傳播衰減。而閉環(huán)功率控制系統(tǒng)中,地球站或衛(wèi)星是否改變發(fā)射功率取決于從接收器得到的反饋信息而不僅僅基于衰減估計(jì)。然而,實(shí)際中,當(dāng)衛(wèi)星應(yīng)用閉環(huán)控制系統(tǒng)時(shí),必須考慮在地球站和衛(wèi)星之間往返時(shí)間所帶來(lái)的傳播延遲。對(duì)于地球靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng),傳播延遲成為制約閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)信道變化的瓶頸,主要是因?yàn)樯疃扔晁?、閃爍等惡化的大氣現(xiàn)象

12、持續(xù)時(shí)間短,使自適應(yīng)的功率控制跟不上信道的變化。上行鏈路功率控制(ULPC)通過(guò)改變地球站的發(fā)射功率,使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收到的地面站發(fā)射信號(hào)電平與晴空時(shí)基本相同。上行功率控制可能帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是鄰道干擾,當(dāng)控制系統(tǒng)預(yù)測(cè)到在下一個(gè)信道狀態(tài)有深度衰落時(shí),功率放大器的輸出回退(即工作點(diǎn)和飽和點(diǎn)之間的冗余:)就會(huì)下降以補(bǔ)償上行衰減,導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)的旁瓣進(jìn)入到相鄰信號(hào)的頻譜從而造成鄰道干擾。下行功率控制(DLPC)是通過(guò)改變衛(wèi)星的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)功率控制,原理與ULPC大致相同,但是由于衛(wèi)星尺寸和大小的限制以及自身控制能力存限,下行功率控制實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。除了可能的鄰道干擾之外,DLPC還可能帶來(lái)互調(diào)干擾,這是

13、由于多載波的非線性放大所產(chǎn)生的5調(diào)產(chǎn)物,對(duì)于單載波單個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的TDMA(時(shí)分多址)系統(tǒng)五調(diào)干擾影響較小,這也是TDMA比TOMA在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛的原因之一。2.2自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)是一種調(diào)制方式隨信道特性變化而自適應(yīng)改變的技術(shù),目的是為了在一定的誤碼率水平下實(shí)現(xiàn)最大的頻帶利用率。其原理是當(dāng)信道特性良好時(shí)(晴天),系統(tǒng)載噪比增大,采用高階調(diào)制方式盡可能的提高系統(tǒng)信息傳輸速率。當(dāng)信道特性變差(雨天),系統(tǒng)載噪比降低,采用低階調(diào)制方式降低信息傳輸速率來(lái)保證系統(tǒng)的通信質(zhì)量。圖2.2為一種典型的自適應(yīng)調(diào)制原理框圖。在接收端,信道估計(jì)結(jié)果作為選擇調(diào)制方式的依據(jù)。若信道變化較快,利用本

14、中貞數(shù)據(jù)的信道估計(jì)值作為下一頓發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制方式選擇的依據(jù)。若信道是慢衰落的,可以將一段時(shí)間內(nèi)的信道變化進(jìn)行加權(quán)平均,作為下一段時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制方式的選擇依據(jù)。自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)中,不同調(diào)制方式之間轉(zhuǎn)換門(mén)限值的選擇直接影響系統(tǒng)的性能。根據(jù)選擇轉(zhuǎn)換門(mén)限的依據(jù)不同,大致可分為基于誤比特率/誤符號(hào)率、基于最大吞吐量的選擇算法?；谡`比特率/誤符號(hào)率的選擇算法主要是保證系統(tǒng)可靠性要求,首先設(shè)置一個(gè)能保證通信質(zhì)量的誤碼率水平,各種調(diào)制方式所對(duì)應(yīng)的SNR-BER曲線在該誤碼率下都有一個(gè)信噪比閾值,通過(guò)信噪比估計(jì)值落在不同的閾值區(qū)間來(lái)選擇調(diào)制方式。而基于最大吞吐量的選擇算法主要是保證系統(tǒng)的有效性要求,即總是選擇當(dāng)

15、前信噪比下具有最大吞吐量的調(diào)制方式。在0LYMPUS-1號(hào)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,使用2PSK、4PSK、8PSK、6PSK的自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)時(shí),均能得到高達(dá)13.9dB的功率余量。2.3自適應(yīng)編碼技術(shù)自適應(yīng)編碼技術(shù)基本思想是根據(jù)信道特性的變化,自適應(yīng)地改變信道編碼方式或者改變同一編碼方式中的相關(guān)參數(shù)(例如碼率),保證其系統(tǒng)整體性能不變。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)不同碼率的編碼增益來(lái)補(bǔ)償信道衰減帶來(lái)的損失。圖2.3為一種Ka頻段衛(wèi)星通信自適應(yīng)編/譯碼系統(tǒng)框圖。地面站A經(jīng)過(guò)編碼后的信號(hào)經(jīng)過(guò)Ka頻段衛(wèi)星信道后到達(dá)地面站B。當(dāng)B站發(fā)生雨衰時(shí),通過(guò)信道估計(jì)檢測(cè)出當(dāng)前的衰減情況,通過(guò)反向鏈路傳到A站,A站改變編碼參數(shù)(碼率或者

16、碼長(zhǎng);)提供不同的編碼增益來(lái)抵抗信道衰減。同時(shí)B站本地譯碼器也相應(yīng)地改變參數(shù),完成自適應(yīng)編/譯碼。自適應(yīng)編碼技術(shù)首先要選擇合適的信道編碼方式,需要從以下幾個(gè)問(wèn)題出發(fā):1)編碼增益問(wèn)題。所選信道編碼必須能提供大的編碼增益來(lái)對(duì)抗降雨帶來(lái)的衰減。2)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度問(wèn)題。所選的信道編碼應(yīng)該具有低的編譯碼復(fù)雜度,便于硬件實(shí)現(xiàn)。3)碼率問(wèn)題。碼率越高,頻帶利用率越大,但是編碼增益就越小,這與高的編碼增益相矛盾,實(shí)際應(yīng)用中兩者須兼顧考慮。4)同步問(wèn)題。Ka頻段雨衰是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,不同時(shí)刻的降雨衰減變化很快,碼率切換要跟得上信道變化,這就要求譯碼器有很強(qiáng)的自同步能力,否則會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。根據(jù)以上要求,LDPC碼是

17、一種比較好的信道編碼,并且在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,例如DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)127中采用BCH碼和LDPC碼級(jí)聯(lián)的糾錯(cuò)編碼方案,支持 1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9、9/10 等多種編碼碼率。LDPC碼和Turbo碼都能逼近香農(nóng)限,且準(zhǔn)循環(huán)的LDPC碼具有線性編碼復(fù)雜度,適合在自適應(yīng)編碼系統(tǒng)中應(yīng)用。2.4自適應(yīng)TDMA技術(shù)自適應(yīng)TDMA技術(shù)是在TDMA衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)辟一定的時(shí)隙作為共享資源,這些資源平時(shí)也可用來(lái)傳一些非實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)如數(shù)據(jù)報(bào)等,當(dāng)鏈路發(fā)生雨衰時(shí),系統(tǒng)將根據(jù)一定的原則,將這些時(shí)隙動(dòng)態(tài)的分配給遭受雨衰的地球站,該站將采用更高編碼增益的編

18、碼方式或更低階的調(diào)制方式來(lái)降低符號(hào)速率對(duì)抗雨衰(一般來(lái)說(shuō),數(shù)據(jù)率下降一半則提供3dB的增益。相比于其它抗雨衰對(duì)策,自適應(yīng)TDMA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于它可以結(jié)合自適應(yīng)編碼和自適應(yīng)數(shù)據(jù)率等抗衰減措施,對(duì)星上功率無(wú)額外要求,可以應(yīng)用于下行鏈路抗衰減。文獻(xiàn)28介紹了一種應(yīng)用自適應(yīng)抗衰減對(duì)策的TDMA控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由德國(guó)郵電總局(PTT)、瑞士郵電總局(PTT)、以及德國(guó)宇航中心(DLR)用來(lái)測(cè)試Ka頻段衛(wèi)星鏈路的可用度,同時(shí)說(shuō)明了自適應(yīng)TDMA抗衰減對(duì)策可以改善雨衰鏈路的通信質(zhì)量。已有的Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)如OLYMPUS,ITALSAT基本上都采用了自適應(yīng)TDMA技術(shù)而基于這一技術(shù)的FODA/IBEA系

19、統(tǒng)已進(jìn)入商用市場(chǎng)。表2-2為FODA/IBEA系統(tǒng)中不同服務(wù)級(jí)別的參數(shù)設(shè)置。自適應(yīng)TDMA系統(tǒng)根據(jù)提供的服務(wù)質(zhì)量(誤碼率指標(biāo))不同,傳輸參數(shù)也不同。在自適應(yīng)TDMA系統(tǒng)中,頓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮頓效率、設(shè)備復(fù)雜性和信號(hào)延遲時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng),帕中的數(shù)據(jù)突發(fā)長(zhǎng)度和數(shù)目應(yīng)該是可變的。圖2.4為自適應(yīng)TDMA巾貞結(jié)構(gòu)。一個(gè)TDMA頓中包含參考突發(fā)(RB)、數(shù)據(jù)突發(fā)(DB)和若干個(gè)數(shù)據(jù)包(AH)。參考突發(fā)由主站發(fā)出,標(biāo)志著一頓的幵始。一個(gè)DB中也可以含有若干個(gè)數(shù)據(jù)子突發(fā)(DSB)。CBTRS為載波和比特定時(shí)恢復(fù)序列,它傳送的是接收端同步檢測(cè)所必需的載波同步和比特定時(shí)同步信號(hào)。在自適應(yīng)TDMA屮,能夠在一個(gè)

20、數(shù)據(jù)突發(fā)(DB)內(nèi)動(dòng)態(tài)改變其傳輸速率,使得每個(gè)數(shù)據(jù)突發(fā)內(nèi)的DSB可以有不同的符號(hào)率。當(dāng)鏈路衰減深度發(fā)生變化時(shí),鏈路傳輸參數(shù)將發(fā)生變化,數(shù)據(jù)的冗余度也會(huì)改變。系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)報(bào)的抗衰減措施是不同的I29】,對(duì)于數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)如語(yǔ)音業(yè)務(wù),發(fā)送站計(jì)算數(shù)據(jù)流帶寬的增長(zhǎng)的大小并將修改申請(qǐng)發(fā)送給主站。而對(duì)于數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù),在衰減的條件下,它將釋放一部分的共享資源。一般來(lái)說(shuō),自適應(yīng)TDMA的成本不會(huì)太高。3、基于LDPC碼的自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制(ACM)技術(shù)是一種具有信道自適應(yīng)特性、適用于無(wú)線信道的傳輸技術(shù)。它建立在信道估計(jì)的基礎(chǔ)上,通過(guò)反向無(wú)線信道將信道狀態(tài)信息傳遞給發(fā)送端,發(fā)送端根據(jù)不同的鏈路信噪比

21、自適應(yīng)地改變編碼和調(diào)制方式,從而使系統(tǒng)整體傳輸性能最優(yōu),實(shí)現(xiàn)高效可靠性傳輸。ACM技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于DVB-S2系統(tǒng)中,相對(duì)于采用固定編碼調(diào)制(CCM)方式的DVB-S系統(tǒng),傳輸容量提高了12倍本章主要研究基于LDPC碼的自適應(yīng)編碼調(diào)制方案。3.1自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)總體方案結(jié)合前面章節(jié)構(gòu)造的SF-QC-LDPC碼和雨衰時(shí)間序列模型,基于LDPC碼的自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。在該系統(tǒng)中,首先LDPC編碼模塊對(duì)信息比特編碼,然后進(jìn)行MPSK/MQAM調(diào)制,經(jīng)過(guò)雨衰信道并在接收端引入高斯白噪聲。在接收端,經(jīng)過(guò)MPSK/MQAM軟解調(diào)和迭代LDPC譯碼,最后得到相應(yīng)的信息比特。整個(gè)傳輸過(guò)程中,

22、信噪比估計(jì)單元通過(guò)導(dǎo)頻序列可以獲得信道狀態(tài)信息。而這些信息又可以通過(guò)反饋鏈路送回發(fā)送端從而自適應(yīng)地改變傳輸模式。圖3.1自適應(yīng)編碼調(diào)制方案系統(tǒng)框圖本方案主要包括自適應(yīng)編碼調(diào)制傳輸模式設(shè)計(jì)、信噪比估計(jì)單元、以及模式切換選擇三個(gè)部分,最后給出仿真結(jié)果和性能分析。3.2自適應(yīng)編碼調(diào)制傳輸模式設(shè)計(jì)本方案自適應(yīng)信道編碼支持的碼長(zhǎng)有504、1008、2016、4032和8064,支持的碼率有1/2、2/3、3/4、5/6和7/8;自適應(yīng)調(diào)制采用的調(diào)制方式有QPSK、8PSK、16QAM 和 32QAM。3.3信噪比估計(jì)為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)傳輸,信道狀態(tài)信息必須是可知的。在衛(wèi)星通信ACM技術(shù)中,衛(wèi)星發(fā)送端必需獲得

23、信道的衰落特性才能選擇與信道狀態(tài)相適應(yīng)的編碼調(diào)制方式,從而達(dá)到鏈路自適應(yīng)的目的。這就要求地面接收站對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行信噪比估計(jì),然后通過(guò)反饋信道告知衛(wèi)星發(fā)送端。國(guó)外許多學(xué)者在二十世紀(jì)六十年代開(kāi)始對(duì)信噪比估計(jì)這個(gè)課題進(jìn)行研究,提出了很多種方法用來(lái)估計(jì)AWGN信道上的SNR47。DA-ML算法和M2M4算法性能表現(xiàn)良好,而且實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,本節(jié)主要討論這兩種信噪比估計(jì)算法并分析比較兩種算法的性能。假設(shè)信道衰落是一個(gè)慢衰落過(guò)程,則信道可以看作一個(gè)近似平穩(wěn)的信道,并且接收端沒(méi)有殘留的載波頻偏和相偏。4、仿真結(jié)果及性能分析將通過(guò)仿真說(shuō)明基于LDPC碼的自適應(yīng)編碼調(diào)制方案對(duì)雨衰的補(bǔ)償策略,仿真中采用的自適應(yīng)

24、編碼調(diào)制傳輸模式如表4.1所示。表4.1適應(yīng)編碼調(diào)制傳輸模式(移位門(mén)限中R1取10的-6次方)圖4.2為下行鏈路(20GHz)平均年時(shí)間上的雨衰情況及ACM抗雨衰的補(bǔ)償策略。由圖4.2可以看出,ACM傳輸能夠在不同的降雨衰減階段合理的選擇不同的編碼調(diào)制方式,在保證可靠性通信的前提下,盡可能的提高信息速率,保證整個(gè)鏈路的可用度達(dá)到99.92%。相對(duì)于固定編碼調(diào)制方式(CCM),假如僅考慮7/8、32QAM(模式6)這種傳輸模式,雖然能以較高的數(shù)據(jù)率傳輸數(shù)據(jù),但是只有約7.0dB的降雨衰減能夠被克服,在一年的時(shí)間內(nèi),整個(gè)鏈路的可用度為97.7%?；蛘邇H考慮1/2、QPSK(模式1)這種編碼調(diào)制方式

25、,盡管鏈路可用度也能達(dá)到99.92%,但是頻譜效率僅為Ibps/Hz。可見(jiàn)相比于CCM方案,ACM能夠在系統(tǒng)可用度和頻譜效率間取折中,保證系統(tǒng)在一定可用度下以較高的頻譜效率進(jìn)行傳輸。年平均時(shí)間%圖4.2 ACM在長(zhǎng)期雨衰分布下的補(bǔ)償策略圖4.3為ACM在雨衰時(shí)間序列中的切換策略,虛線為估計(jì)的鏈路信噪比。其中雨衰序列持續(xù)時(shí)間為50min,每秒一個(gè)采樣,模式切換帶來(lái)的時(shí)延忽略不計(jì)。由圖4.3可以看出,信噪比估計(jì)值能很好地跟上信道狀態(tài)的變化,同時(shí)控制模塊根據(jù)不同的信噪比估計(jì)值進(jìn)行模式切換。圖4.4為雨衰信道下ACM系統(tǒng)誤碼性能仿真。其中,時(shí)間序列長(zhǎng)度為3000s,每秒5000個(gè)分組,ACM系統(tǒng)根據(jù)信

26、噪比估計(jì)值自適應(yīng)選擇傳輸模式。由圖4.4可以看出,在大部分的時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)能保證一定的可靠性進(jìn)行傳輸,但是也有一些時(shí)刻,誤碼率比較高,這是因?yàn)樾旁氡裙烙?jì)值大于真實(shí)值,從而造成有效載荷丟失事件的發(fā)生,使系統(tǒng)選擇了錯(cuò)誤的傳輸模式?？紤]信噪比估計(jì)誤差會(huì)帶來(lái)有效載荷丟失事件,影響系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?。?.5對(duì)物理層模式選擇進(jìn)行了仿真統(tǒng)計(jì),可以看出,若采用理想門(mén)限,有效載荷丟失事件發(fā)生的概率為0.79%,整個(gè)ACM系統(tǒng)所能達(dá)到的平均頻譜效率為3.5964bps/Hzo若在理想門(mén)限的基礎(chǔ)上考慮移位門(mén)限,有效載荷丟失事件發(fā)生的概率為0.4%,ACM系統(tǒng)所能達(dá)到的平均頻譜效率為3.590bps/Hz?？梢?jiàn),移位門(mén)

27、限能降低有效載荷丟失事件發(fā)生的概率,但是以頻譜效率損失為代價(jià)的。圖4.3 ACM在雨衰時(shí)間序列中的切換4.4雨衰信道中誤碼性能仿真表4.5對(duì)物理足模式選抒的仿真統(tǒng)計(jì)5、總結(jié)衛(wèi)星通信在高頻段上存在嚴(yán)重的雨衰影響，致使衛(wèi)星通信信噪比波動(dòng)和衰落較大。自適應(yīng)編碼調(diào)制（ACM）技術(shù)是一種有效抵抗雨衰影響和克服信道時(shí)變性的自適應(yīng)鏈路技術(shù)。ACM 技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)的固定傳輸技術(shù)能有效的提高吞吐率和頻譜效率，充分的利用信道資源。本文研究基于 LDPC 碼的衛(wèi)星通信自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)，具體研究?jī)?nèi)容如下：1以糾錯(cuò)性能較好的 LDPC 碼作為信道編碼方式，對(duì)其進(jìn)行了三個(gè)方面的研究。首先，對(duì) LDPC 碼的基本理論、校驗(yàn)

28、矩陣構(gòu)造、LDPC 編譯碼等各方面進(jìn)行闡述，為構(gòu)造 ACM 系統(tǒng)的編碼調(diào)制傳輸模式打基礎(chǔ)；另外，利用打孔方案實(shí)現(xiàn)碼率兼容，提出一種基于準(zhǔn)雙對(duì)角線結(jié)構(gòu)的 LDPC 碼的簡(jiǎn)易打孔算法，仿真證實(shí)了該算法的可行性和實(shí)用性；最后針對(duì)高階調(diào)制下的 LDPC 碼進(jìn)行研究，將編碼和調(diào)制進(jìn)行結(jié)合，詳細(xì)研究推導(dǎo)了 LDPC 碼在不同調(diào)制方式下的兩種譯碼初始化信息計(jì)算方法，并且最后與不同信道類型結(jié)合進(jìn)行仿真。這部分為實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)編碼調(diào)制奠定了基礎(chǔ)。2對(duì)基于LDPC碼的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)進(jìn)行研究，從ACM技術(shù)的基本原理出發(fā)，根據(jù)ACM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)框架，分別從信噪比估計(jì)、傳輸模式確定、反饋機(jī)制、MCS選擇算法等方面進(jìn)行研究。研究了兩種實(shí)用的估計(jì)算法：最大似然（ML）估計(jì)算法以及二階矩-四階矩估計(jì)算法，通過(guò)仿真驗(yàn)證了兩種方法的實(shí)用性和可行性；從本文提出的16種MCS傳輸策略中綜合考慮選擇確定了七種傳輸模