调制编码方式对宽带卫星系统广播链路性能影响的研究

许富元

（国家新闻出版广电总局西安监测台）

摘要：宽带卫星系统具有容量大、受地理条件限制小、覆盖范围大、可扩展性好、安全可靠、广播能力固定等优点，是地面通信网络的有效补充。论文建立了基于DVB-RCS/S2协议的宽带教育卫星系统仿真平台，研究了广播链路在不同调制编码方式时的信息效率、信道码元速率，分析了误码率为10^-7时，各种调制编码方式所需信噪比大小及达到的频谱效率。研究结果表明，相同调制方式下，信息效率、频谱效率随着编码效率的增加而增加，信道码元速率随着编码效率的增加而减小。关键词：调制编码 信息效率 频谱效率 0. 引言随着网络宽带化的演进，高速率的宽带多媒体业务成为为了满足客户需求而必须提供的服务。由于人类活动范围的加大，与地面网络相比，卫星网络更能实现全球覆盖，在广域范围内提供通信服务。另外，在面对地球自然灾害的情况下，卫星能提供应急服务，保证受灾地区与外界的通信。因而，建立宽带卫星系统具有必要性。宽带卫星系统的一个重要组成部分是无线链路，在卫星无线链路中，除了自由空间损耗外，引起信号衰落的因素，还与天气状况有关，如大气中的水氧分子、大气折射、大气闪烁、法拉第旋转和去极化等，对于20GHz/30GHz无线信道，雨衰^[1]会造成很大的链路衰减。在沙尘暴多发的地方，还要考虑沙尘暴^[2]对链路性能的影响。为了适应卫星链路损耗不稳定的特性，广播链路DVB-S2协议采用外码BCH码和内码低密度奇偶校验码（LDPC）级联的信道编码方式，支持1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9、9/10等多种内码型。另外，DVB-S2协议还支持QPSK、8PSK、16APSK和32APSK四种调制方式^[3]。这样， 该协议可以根据需要，选择使用不同的调制编码方式，提高链路性能。目前，国内外许多学者对DVB-S2协议的实现方法及应用进行了大量研究，但尚没有关于不同调制编码方式下信息效率及频谱效率的研究。本文在构建双向宽带教育卫星网络仿真平台的基础上，对广播链路采用不同调制编码方式的信息效率、信道码元速率进行研究，并对误码率为10^-7时，各种调制编码方式所需信噪比大小及达到的频谱效率进行分析。1. 宽带卫星仿真平台双向宽带教育卫星系统由GEO卫星、地面信关站、网络控制中心、服务提供商、小站组成^[4]。其中，GEO是位于我国上空的一颗透明转发星；地面信关站若干个，分布在我国的一些城市，具有管理和路由功能；网络控制中心负责全网的管理；服务提供商用于提供教育资源及Internet服务；小站负责将接收到的信号传给用户终端。本文的研究基于软件搭建的双向宽带教育卫星仿真系统。从信关站到小站的前向链路使用DVB-S2协议，从小站到信关站的回传链路使用DVB-RCS协议。信关站通过30GHz波段馈电波束与卫星通信，小站通过20GHz波段用户波束与卫星通信，每个馈电波束管理若干个用户波束，如图1所示。除卫星节点只具透明转发功能，其它节点都基于TCP/IP协议。本文重点关注使用DVB-S2协议的前向链路性能，在理论研究的基础上，然后进行仿真研究和分析。

图1 波束参考模型

Fig.1 Multibeam Reference Model

2. 不同调制编码方式对信息效率的影响2.1 理论分析采用DVB/S2协议，编码、帧头、导频块等会加入冗余，且不同调制编码方式加入冗余比例不同，因而采用不同的调制编码方式，在相同的信源速率下，信道码元速率也不相同。下表是在不同调制编码方式下的信息效率，其代表有效载荷在传输帧中所占的比例，计算方法如公式1所示：

其中，k_bch表示一帧中有效载荷长度；n_ldpc表示帧长，普通帧为64800bits，超短帧为16200bits；

S表示发送时，一帧被切割的时隙数；M表示调制阶数，如QPSK为2，8PSK为3，16APSK为4，32APSK为5；int{}表示取整。表1为根据公式1计算得到的DVB-S2支持的每种调制编码方式的信息效率。

表1 信息效率计算结果表

Table 1 The Calculation Result Table of Information Efficiency

2.2 仿真验证当不同用户波束所属的小站接收相同的服务，且每个波束采用不同调制编码方式时，信道中传输的码元速率不同。如图2所示，最上边曲线表示信源速率，单位为bits/s；下边4条曲线表示用户波束的码元速率，单位为baud，其采用的调制编码方式依次为qpsk8/9，qpsk2/3， 8psk5/6和8psk2/3。参照图中结果，可以得知，仿真结果中信息效率与表中的理论计算一致。

图2 不同调制编码方式下信道码元速率对比图

Fig.2 Comparation of Channel Symbol Rate in different MODCOD

图3是同一个用户波束在其它因素都相同的情况下，当链路采用8psk和8psk5/6时，小站接收端的误码率。从图中可以看出，与8psk相比，8psk5/6明显具有强的纠错能力，能降低链路误码率。

图3 不同调制编码方式接收机误码率

Fig.3 Receiver BER in different MODCOD

3. 不同调制编码方式对频谱效率的影响3.1 理论分析频谱效率代表每单位带宽传输的信息速率，最直接的反应了一个信道的传输能力。对于采用DVB-S2协议的前向链路来说，限制信道频谱效率的因素有信噪比、升余弦滚降系数α、调制编码方式及帧的封装发送形式。在理想情况下，不考虑信噪比的限制因素，且假设α=0，则频谱效率只与调制编码方式及帧的封装发送形式有关，计算方法如公式2所示：

其中M表示调制阶数，η表示信息效率。按照这个计算公式，普通帧的频谱效率如图4所示：

图4 理想信道条件下的频谱效率

Fig.4 Spectrum Efficiency in ideal Channel

从图4中可以看出，在一定的准无误码率条件下，当编码方式一定时，高阶调制通过采用高的Es/N0，可以使链路频谱效率提高；当调制方式一定时，码率高的编码方式通过采用高的Es/N0，可以使链路频谱效率提高。3.2 仿真验证根据DVB-S2协议提供的实测数据，在高斯白噪声信道下，为了达到准无误码率Quasi Error Free PER=10-⁷的服务质量要求，对于普通帧，在不同调制编码方式下，Es/N0和频谱效率的关系^[3,5,6]如下图5所示，Es为每传输符号的平均功率，N0为单边带噪声功率谱密度。按照协议规定，MODCOD数值和具体的调制编码方式对应，按照横坐标从左到右，MODCOD值依次为1～9、12、10、11、13、14、18、15、19、16、17、20～28。

图5 不同调制编码方式的频谱效率

Fig.5 Spectrum Efficiency in different MODCOD

对比图4和图5中相同调制编码方式下的频谱效率，可以得知，为了满足一定的误码率要求，在信噪比足够大的情况下，实际频谱效率接近理论计算所得频谱效率。4. 结论宽带卫星通信系统不仅要求支持多种数据接口，且无线链路易受外界环境变化的影响，具有不稳定性，因而广播链路使用DVB-S2协议。该协议支持多种输入流格式及调制编码方式，选择合适的调制编码方式，能在不同条件下满足一定的用户需求。通过本文的研究，我们可以得出，信息效率随着编码效率的增加而增加；在一定的误码率要求下，链路信噪比、频谱效率随着码率的增加而增加，随着调制阶数的升高而升高；在相同的信源速率条件下，信道码元速率随着码率的增加而降低，随着调制阶数的升高而降低。 参考文献:[1] Mohammad Mahfujur Rashid，Md. Rafiqul Islam，AHM Zahirul Alam. Rain Fade and It’s Effect Analysis for Earth-to-Satellite Microwave Link Based on Measured Rainfall Statistics in Bangladesh. IEEE，2003，244-249.[2] Erdenekhuu Norinpel. Microwave Attenuation due to Dust and Sand Storm in arth-Satellite Link. IEEE，2007，599-601.[3]TESI EN 301 790，v1.4.1，“Digital Video Broadcasting (DVB):Interaction Channel for Satellite distribution Systems”[4]郭 庆，王振永，顾学迈. 卫星通信系统[M].电子工业出版社，2001：422.[5]张佳鹏，黄普明，陈 私. 基于DVB-S2的遥感卫星自适应数据传输新技术. 第六届卫星通信新业务新技术学术年.2010：251-262.[6] Avadh Nandra, Jivesh Govil, Harkeerat Kaur. Optimization of Satellite Link Design. IEEE，2008：147-152. 作者联系方式：许富元 电话:18009189943邮箱：xufuyuan_fly@126.com 编辑：中国新闻技术工作者联合会