李炯卉，熊蔚明，梅 凡

(1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 100190; 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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優(yōu)化衛(wèi)星數(shù)傳鏈路效率的VCM流程設(shè)計(jì)

李炯卉1,2，熊蔚明1，梅 凡1,2

(1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 100190; 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

為提高探測衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸鏈路的傳輸效能，采用可變編碼調(diào)制體制(VCM)，在不增加衛(wèi)星與地面站能量消耗和設(shè)備成本的條件下，降低鏈路資源浪費(fèi)，優(yōu)化星-地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝?在衛(wèi)星VCM數(shù)傳體制的基礎(chǔ)上，分析了近地軌道衛(wèi)星數(shù)傳鏈路的動(dòng)態(tài)鏈路預(yù)算，并詳細(xì)討論了鏈路傳輸效能的數(shù)學(xué)模型，給出了一種在有效數(shù)傳時(shí)間內(nèi)優(yōu)化數(shù)傳吞吐量的VCM流程設(shè)計(jì)算法.結(jié)果表明：該算法對于預(yù)知軌道的衛(wèi)星系統(tǒng)，根據(jù)其動(dòng)態(tài)的星-地鏈路預(yù)算結(jié)果，在保證誤碼率要求的前提下，選用不同的編碼調(diào)制方式，從而擬合鏈路預(yù)算曲線，保持較為固定的鏈路余量，實(shí)現(xiàn)鏈路效率的優(yōu)化；根據(jù)所述流程算法，針對一顆近地太陽同步軌道衛(wèi)星設(shè)計(jì)VCM數(shù)傳系統(tǒng).通過數(shù)值仿真，與傳統(tǒng)固定編碼調(diào)制設(shè)計(jì)對比，說明這種VCM設(shè)計(jì)在提高鏈路有效性方面的突出優(yōu)勢.

可變編碼調(diào)制；衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸；鏈路有效性；數(shù)傳吞吐量；鏈路預(yù)算；流程設(shè)計(jì)

近年來，有效載荷傳感器的精度不斷提高，如高分辨率的光學(xué)載荷[1]、SAR載荷等，這些應(yīng)用對衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸效能提出了更高的要求.同時(shí)，隨著微小衛(wèi)星的發(fā)展，遙感系統(tǒng)星座化已成為一種發(fā)展趨勢[2].由于體積、質(zhì)量的約束，小衛(wèi)星往往具有更加嚴(yán)格的能源設(shè)計(jì)限制[3].如何在有限的數(shù)傳時(shí)間內(nèi)，以盡可能小的能耗完成將大量數(shù)據(jù)下傳給地面站的任務(wù)，已成為衛(wèi)星數(shù)傳工程領(lǐng)域亟待解決的問題.雖然具有更高帶寬的Ka頻段已被廣泛認(rèn)為未來對地探測衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)鏈路的發(fā)展方向[4]，但是，目前我國存在大量技術(shù)成熟的X波段地面站設(shè)備，改造成為Ka波段需要投入大量的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間成本.因此，研究通過新型數(shù)傳體制以提高X波段數(shù)傳鏈路效能仍然非常必要.

可變編碼調(diào)制(variable coding modulation，VCM)是在通信過程中快速切換信道編碼和調(diào)制方式的方法.VCM要求預(yù)先設(shè)計(jì)好編碼調(diào)制方式選用的流程.遙感衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)信道條件是可以預(yù)測的，無須設(shè)計(jì)信息反饋結(jié)構(gòu)，因此其數(shù)傳系統(tǒng)滿足使用VCM的條件.例如，隨著衛(wèi)星軌道位置的變化，鏈路余量會(huì)形成規(guī)律性的動(dòng)態(tài)變化.傳統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用固定編碼調(diào)制體制(constant coding modulation，CCM)，為保證誤碼率要求，須根據(jù)最小的鏈路余量設(shè)計(jì)編碼調(diào)制方式.那么，在整個(gè)數(shù)傳過程中隨著鏈路余量增大，必然存在較大的鏈路資源浪費(fèi).通過VCM技術(shù)可以降低這種浪費(fèi)，從而更加充分地利用鏈路資源.

VCM的研究依托于信道編碼和信號調(diào)制的設(shè)計(jì).空間數(shù)據(jù)咨詢委員會(huì)(the consultative committee for space data systems，CCSDS)針對于星地鏈路提出了兩種支持VCM的通信協(xié)議：一種是藍(lán)皮書[5]中給出的串聯(lián)級聯(lián)卷積碼(serially concatenated convolutional codes，SCCC)；另一種是基于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(European telecommunication standards institute, ETSI)于2003年制定的Digital Video Broadcasting by satellites (DVB-S2)協(xié)議[6]，使用Bose-Chaudhuri-Hochquenghem (BCH) 為外碼，Low Density Parity Check (LDPC)為內(nèi)碼的級聯(lián)編碼方式.2013年美國噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(jet propulsion laboratory，JPL)在CCSDS會(huì)議上提議制定關(guān)于VCM幀結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，從而推動(dòng)并規(guī)范VCM在工程中的使用.2014年11月，VCM協(xié)議紫皮書[7]進(jìn)入修訂階段.

JPL的Hamkins等[8-10]在DVB-S2協(xié)議的基礎(chǔ)上，闡述了基于AR4JA LDPC的編碼調(diào)制子系統(tǒng)，并在不同調(diào)制階數(shù)和編碼率下詳細(xì)地仿真分析了系統(tǒng)性能，為設(shè)計(jì)基于LDPC的VCM系統(tǒng)奠定基礎(chǔ).MAPSK高階調(diào)制技術(shù)針對衛(wèi)星數(shù)傳應(yīng)用的研究和實(shí)現(xiàn)[11-13]，為衛(wèi)星數(shù)傳VCM系統(tǒng)提供了關(guān)于高階調(diào)制的技術(shù)基礎(chǔ).Cossu等[14]提出將VCM思想應(yīng)用到低軌地球觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸體制設(shè)計(jì)中，給出VCM系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)框圖，并基于SCCC的VCM技術(shù)評估了某K波段遙感衛(wèi)星的鏈路效率；張旭[15]設(shè)計(jì)了VCM的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，使用DVB-S2中推薦的4種調(diào)制方式和LDPC編碼，結(jié)合低軌衛(wèi)星過境時(shí)間內(nèi)的鏈路預(yù)算，使用一種簡單的 VCM流程，使衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)的傳輸量提高35.5%.可見，VCM在衛(wèi)星數(shù)傳領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)得到較為全面的分析和認(rèn)識(shí).在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本文從通信有效性的原理角度出發(fā)，通過分析鏈路預(yù)算，設(shè)計(jì)出一套針對衛(wèi)星數(shù)傳鏈路環(huán)境和給定編碼調(diào)制方式的最佳VCM流程設(shè)計(jì)算法.該算法能夠保證在有效數(shù)傳時(shí)間內(nèi)獲得最大的信息吞吐量.

1 可變編碼調(diào)制原理與體系模型

1.1 VCM概念與應(yīng)用模型

在衛(wèi)星數(shù)傳應(yīng)用中，信道條件具有一定的規(guī)律性變化.例如一顆在高度為600 km的太陽同步軌道上的衛(wèi)星(簡稱“例星1”).當(dāng)它經(jīng)過地面站時(shí)，向地面站傳輸數(shù)據(jù).衛(wèi)星在仰角大于5°時(shí)建立數(shù)傳鏈路.例星1的鏈路設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.

表1 某遙感衛(wèi)星的X波段數(shù)傳鏈路設(shè)計(jì)參數(shù)

注：1. 玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K；2.[]表示的參數(shù)量綱為dB.

衛(wèi)星與地面站之間的距離，即數(shù)傳鏈路長度R隨仰角而變化，從而帶來了動(dòng)態(tài)的鏈路預(yù)算結(jié)果，如圖1所示.

圖1 例星1對地面站的動(dòng)態(tài)數(shù)傳鏈路預(yù)算

Fig.1 Dynamic data transmission link budget of E_Sat1 to its ground station

圖1中橫坐標(biāo)為地面站對衛(wèi)星仰角，縱坐標(biāo)為鏈路預(yù)算的S/N0.從圖1中可以看出，隨著仰角的增大，鏈路預(yù)算充裕度增加.在本例中，衛(wèi)星過境期間存在著11.8 dB的余量波動(dòng).

圖2為6種編碼調(diào)制方案下的系統(tǒng)歸一化吞吐量的仿真示意圖.仿真中認(rèn)為誤碼率大于10-5時(shí)，數(shù)據(jù)有效傳輸.從圖2中可以看出，低階調(diào)制編碼方案在信噪比較低時(shí)其系統(tǒng)吞吐量比高階調(diào)制編碼方案高，但是隨著信噪比的增大，吞吐量穩(wěn)定在一個(gè)較低的水平；而高階調(diào)制編碼方案在信噪比較低時(shí)由于信道噪聲的影響，誤碼率較高，不能實(shí)現(xiàn)有效傳輸.但是隨著信道狀況的改善，采用高階調(diào)制編碼方式，可獲得更高的系統(tǒng)吞吐量.

圖2 不同編碼調(diào)制方案之下的歸一化吞吐量

Fig.2 Normalized throughput with different modulation and code rate

因此VCM思想應(yīng)運(yùn)而生，即根據(jù)某一預(yù)定的流程采用不同的編碼調(diào)制傳輸模式，以適應(yīng)不同的信道條件(例如，傳輸距離)，最大限度地利用鏈路增益余量，降低鏈路資源浪費(fèi)，從而在不增加能量消耗和設(shè)備成本的條件下，提高數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的總吞吐量.

1.2 VCM體系數(shù)學(xué)模型

對于本文所討論的低軌遙感衛(wèi)星，其信道可以近似視為加性高斯白噪聲(additive white Gaussian noise，AWGN)信道.在這種近似假設(shè)下，暫不討論多普勒、衰落等因素的影響，以便于獨(dú)立地分析可變編碼調(diào)制子系統(tǒng)的性能.同時(shí)，假設(shè)模型中接收設(shè)備有理想的載波和同步性能，無相位噪聲.

在AWGN信道中，根據(jù)香農(nóng)公式，例星1在數(shù)傳時(shí)間內(nèi)，信道容量表現(xiàn)為圖3的變化規(guī)律.

圖3 例星1數(shù)傳鏈路容量的變化規(guī)律

根據(jù)上述分析，VCM流程設(shè)計(jì)的原則就是：有效的數(shù)傳時(shí)間內(nèi)，在帶寬限制的條件下，滿足傳輸誤碼率要求的同時(shí)使有效比特率盡可能地靠近鏈路容量曲線，從而獲得盡可能大的數(shù)據(jù)吞吐量.這個(gè)問題，用數(shù)學(xué)表示為優(yōu)化問題：

maximizeT

s.t.

BBlimit，

PePe,target.

式中：B為系統(tǒng)所用的實(shí)際帶寬；Blimit為可用的最大帶寬；Pe為系統(tǒng)的誤比特率；Pe,target是設(shè)計(jì)要求得目標(biāo)誤比特率；T為數(shù)據(jù)吞吐量(bits)，即衛(wèi)星在數(shù)傳時(shí)間內(nèi)，向地面?zhèn)鬏數(shù)目傂畔⒘繛?/p>

式中:Rb(t)為有效信息比特速率，其取值可隨時(shí)間變化，因此表示為時(shí)間t的函數(shù)；Tp為衛(wèi)星過境時(shí)數(shù)傳鏈路保持的時(shí)間.

設(shè)信道編碼方式集合為C，其元素個(gè)數(shù)為nC；調(diào)制方式集合為M，其中包含nM種不同的調(diào)制方式.為了方便表達(dá)，本文只討論P(yáng)SK、APSK調(diào)制方式和LDPC編碼.定義εM為調(diào)制階數(shù)，εC為編碼碼率.對于M中的元素，εM取1、2、3、4、5分別表示BPSK、QPSK、8PSK、16APSK和32APSK.

(1)

VCM的目標(biāo)是：在限制條件內(nèi)選用合適的調(diào)制編碼，使得有效信息比特速率Rb盡可能大.

式中η為頻譜利用率.因此，對于單載波系統(tǒng)有

由此可見，VCM體系的核心內(nèi)容是對數(shù)傳過程中編碼調(diào)制方式變化流程的設(shè)計(jì)(即選擇合適的εM和εC)，從而求解對T的優(yōu)化問題.

2 VCM流程設(shè)計(jì)方法

對所有的tk∈{Tp N}，通過鏈路預(yù)算得出S(tk)/N0.設(shè)Es表示經(jīng)過調(diào)制映射后的平均符號能量，則由式(1)有

設(shè)某種編碼調(diào)制方式在AWGN信道中的解調(diào)門限為γ([εM,εC],Pe,target).它表示使用M中階數(shù)為εM的調(diào)制方式和C中碼率為εC的編碼方式組，使系統(tǒng)在AWGN信道中達(dá)到目標(biāo)誤比特率Pe,target時(shí)所需的最小Es/N0.

定義1 有效編碼調(diào)制組合.

設(shè)[εM,εC]i是C及M中編碼和調(diào)制方式的一種組合，(i=1,2,…,K)，其中K=nM·nC.該組合對應(yīng)的解調(diào)門限和頻譜利用率分別為γi和ηi.若對于任意滿足γi-γj≥0的組合[εM,εC]j(j=1,2,…,K)且j≠i，都有ηi-ηj>0，那么[εM,εC]i稱為有效編碼調(diào)制組合.

否則，存在一種組合[εM,εC]j具有更低的解調(diào)門限，同時(shí)又能夠得到更高(或相等)的頻譜利用率，那么[εM,εC]i在VCM系統(tǒng)設(shè)計(jì)中就不存在使用價(jià)值了，便稱其為無效組合.

定義Γ為C和M構(gòu)建的全部有效編碼調(diào)制組合的解調(diào)門限集合.將Γ中的元素按數(shù)值從小到大排序，得到:

由定義1可知，ηi<ηj.

比較Es(tk)/N0和Es(tk+1)/N0，若

(2)

尋找γi∈?！葅γ0=0,γK+1=∞}，使其滿足:

(3)

同理，若Es(tk)/N0≤Es+1(tk)/N0，視為鏈路余量在tk～tk+1的時(shí)間段內(nèi)減性變化.為了保證誤碼率要求，以較小的Es(tk+1)/N0為判斷依據(jù)，尋找γi∈?！葅γ0=0,γK+1=∞}，滿足:

(4)

并按照其對應(yīng)的組合建立數(shù)傳鏈路，或者暫停數(shù)傳.

最終，根據(jù)上述的流程規(guī)劃，得到衛(wèi)星過境時(shí)間內(nèi)的信息吞吐量為Es/N0.

其中，η(k)為tk～tk+1時(shí)間段內(nèi)的頻譜利用率.

3 仿真與結(jié)果分析

針對例星1的數(shù)傳鏈路，設(shè)計(jì)VCM數(shù)傳體系，并討論其對鏈路效率的影響.

M中的元素為QPSK、8PSK、16APSK和32APSK，即εM的可能取值為2、3、4、5.C中為各碼率的AR4JA LDPC編碼，εC的可能取值為2/3、3/4、4/5、5/6.

表2中總結(jié)了通過計(jì)算機(jī)仿真得到的編碼調(diào)制子系統(tǒng)解調(diào)門限，滿足Pe,target=10-5.

表2 編碼調(diào)制子系統(tǒng)滿足Pe=10-5的解調(diào)門限

Tab.2DemodulationthresholdforPe=10-5ofthecodingmodulationsub-system

CODMOD[εM，εC]η/((Bit?s-1)?Hz-1)γ(Pe，target)QPSK2/3[2，2/3]0．6603．01QPSK3/4[2，3/4]0．7503．98QPSK4/5[2，4/5]0．8004．59QPSK5/6[2，5/6]0．8305．098PSK2/3[3，2/3]1．0006．468PSK3/4[3，3/4]1．1257．788PSK4/5[3，4/5]1．2008．648PSK5/6[3，5/6]1．2509．2116APSK2/3[4，2/3]1．3338．8116APSK3/4[4，3/4]1．50010．0716APSK4/5[4，4/5]1．60010．9016APSK5/6[4，5/6]1．66711．4832APSK3/4[5，3/4]1．87512．6232APSK4/5[5，4/5]2．00013．5132APSK5/6[5，5/6]2．08314．09

圖4中所示為通過仿真所得的表2中各編碼調(diào)制方式的誤碼率曲線.為了得出滿足Pe,target=10-5的解調(diào)門限，仿真中關(guān)注的目標(biāo)誤碼率范圍在10-7≤Pe,target≤10-2之內(nèi)，并確保誤碼率曲線經(jīng)過Pe,target=10-5刻線.參與仿真的數(shù)據(jù)量在108量級，因此針對于Pe,target=10-5的解調(diào)門限仿真結(jié)果精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位.

解映射時(shí)通過計(jì)算接收符號的對數(shù)似然比(log-likelihood ratio，LLR)得到解調(diào)的軟判決，以此作為LDPC解碼器的輸入.通過LDPC解碼獲取硬判決信息.仿真中，LDPC解碼采用迭代解碼方式，迭代最高次數(shù)為50次.

根據(jù)定義1可以判斷，表2中8PSK 5/6，即[3, 5/6]組合為無效組合.除此之外的14個(gè)組合的解調(diào)門限構(gòu)成有效編碼調(diào)制組合的解調(diào)門限集合Γ.

算例 星1的過境時(shí)間Tp= 630 s，取VCM最小變化周期Δ=5 s，將Tp量化為126段.在軌道的上行階段，鏈路余量變化滿足式(2)，按式(3)原則選取最優(yōu)編碼調(diào)制組合；在軌道下行階段，組合選擇遵循式(4).如此所得的VCM流程見表3.

圖4 表2中各編碼調(diào)制組合的誤碼率曲線

過境時(shí)間/s[εM，εC]持續(xù)時(shí)間/s0～34[2，5/6]3535～79[3，2/3]4580～104[3，3/4]25105～109[3，4/5]5110～139[4，2/3]30140～159[4，3/4]20160～174[4，4/5]15175～199[4，5/6]25200～214[5，3/4]15215～229[5，4/5]15230～399[5，5/6]170400～414[5，4/5]15415～429[5，3/4]15430～454[4，5/6]25455～469[4，4/5]15470～489[4，3/4]20490～519[4，2/3]30520～524[3，4/5]5525～549[3，3/4]25550～594[3，2/3]45595～629[2，5/6]35

由于算例中星1軌道對稱的特點(diǎn)，VCM流程變化也呈現(xiàn)上下行對稱.

圖5中給出根據(jù)表3中VCM流程所獲得的信息比特率隨衛(wèi)星過境時(shí)間變化的規(guī)律.可以看出，與CCM相比，VCM設(shè)計(jì)下的比特率曲線呈現(xiàn)與圖2中理論信道容量曲線相似的變化趨勢.該VCM設(shè)計(jì)和幾種傳統(tǒng)的CCM設(shè)計(jì)性能對比見表4 .

可見，相比于傳統(tǒng)的CCM數(shù)傳體系，表3中的VCM數(shù)傳體系將吞吐量提高了70%以上.這種VCM流程設(shè)計(jì)方法，在保證系統(tǒng)誤碼率要求的前提下，最佳地安排了給定編碼調(diào)制組合的使用時(shí)間和順序，使鏈路效率得到了明顯的優(yōu)化.

圖5 VCM有效信息比特率

編碼調(diào)制方式有效數(shù)傳時(shí)間te/s時(shí)間利用率ηt/%總吞吐量T/Gbits相對于VCM/%QPSK5/6630100．0196．654．588PSK2/356088．9210．658．478PSK4/542066．7189．552．6116APSK5/628044．4175．548．7232APSK5/617027．0133．236．98VCM630100．0360．21．00

4 結(jié) 論

1)本文針對低軌道探測衛(wèi)星的應(yīng)用模型提出衛(wèi)星對地?cái)?shù)傳體制的優(yōu)化問題.給出一種基于可變編碼調(diào)制的低軌衛(wèi)星對地?cái)?shù)傳體制設(shè)計(jì)方法，以降低鏈路資源浪費(fèi)、提高星-地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝?，從而達(dá)到優(yōu)化鏈路傳輸效率的目的.

2)通過數(shù)學(xué)描述、定義及推導(dǎo)，重點(diǎn)闡述VCM流程的設(shè)計(jì)方法，通過最佳安排給定的編碼調(diào)制組合，求解鏈路效率優(yōu)化問題.最后，針對某太陽同步軌道遙感衛(wèi)星的X波段數(shù)傳鏈路，應(yīng)用所述流程算法設(shè)計(jì)其VCM流程.通過仿真計(jì)算對比，證明所設(shè)計(jì)的VCM體系明顯地提高了過境時(shí)間內(nèi)的吞吐量，優(yōu)化了鏈路效率，更加充分地利用了數(shù)傳鏈路能力.

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(編輯 張 紅)

Design of a VCM-based satellite data transmission architecture for down-link efficiency enhancement

LI Jionghui1,2, XIONG Weiming1, MEI Fan1,2

(1.National Space Science Center, CAS, Beijing 100190, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The dynamic link budget of low earth orbit (LEO) satellite data transmission link is analyzed, and the mathematical model of link efficiency is discussed. In order to enhance the data transmission link performance for exploration satellites, Variable Coding Modulation (VCM) system is applied to reduce link resource waste and improve the satellite-ground transmission throughput without increasing power consumption and design cost. A VCM schedule designing algorithm is illustrated for optimizing link throughput within the data transmission period. For a satellite system with foreseeable orbit and based on its dynamic link budget results, the proposed algorithm selects variable coding modulation combination under the bit error rate requirement to fit the link budget curve and keep a relatively constant link margin to achieve optimal link efficiency. Finally, on the basis of the proposed algorithm, a VCM data transmission system is designed for a LEO sun-synchronous satellite. According to the simulation results, the remarkable advantage of the proposed method is proved by comparison with traditional constant coding modulation design.

variable coding modulation (VCM); satellite data transmission; link efficiency; data transmission throughput; link budget; schedule design

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.10.024

2016-04-22

中國科學(xué)院專項(xiàng)創(chuàng)新基金(0-5&Y62133A64S)

李炯卉(1989—)，女，博士研究生；

熊蔚明(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

李炯卉，jionghui@nssc.ac.cn

TN927

A

0367-6234(2016)10-0162-06