基于信道质量预测的卫星自适应编码调制方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于信道质量预测的卫星自适应编码调制方法，首先卫星端利用信噪比反馈结果结合LMS算法周期性的完成对信道信噪比的预测；LMS算法稳定后卫星端利用信噪比预测值取代反馈值进行DVB?S2X的ACM传输；当连续n次SNR的预测值都落入了?5到5dB的区域，则进行优化子集ACM调整；当连续m次的SNR的预测值都落出了?5到5dB的区域，则退出优化子集ACM，回到传统DVB?S2X中的ACM。本发明克服了反馈链路的时延问题，通过信道预测有效的减少反馈的频次，也避免了由于反馈链路质量不好或者时延较大带来的ACM不匹配的问题，雨衰模式下可以快速的切换到相应的调制编码。
【专利说明】
基于信道质量预测的卫星自适应编码调制方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种卫星编码调制方法。
【背景技术】
[0002] 卫星通信已成为人们生活、科研、军事等领域不可缺少的一部分，尤其是在战争 中，有效可靠的战场通信是取得最后胜利的重要保障。复杂电磁环境和自适应编码调制技 术相比固定的编码调制技术有更高的频谱资源利用率，但是运种利用率的提升是建立在有 准确、可靠及时的反馈信息的前提条件下的。国际电联分配用于卫星固定通信的频段为Ka 频段，其有3.5G化频带资源，能提供更多的通信容量。但是由于Ka频段受雨衰的影响较大， 降雨在Ka频段上所产生的瞬间衰落最高可达十几地，运就对自适应策略的调整范围及调整 时间提出了更高的要求。
[0003] 如图1所示，传统的编码调制切换策略是将接收端(终端)计算的瞬时信噪反馈到 卫星端，但是由于反馈时延内卫星信道的时变性和反向链路质量的变化，导致发射端(卫星 端)无法选择最优的编码调制方式。因此，可W采用信道预测的方法得到信道状态预测值取 代瞬时信道估计值的方法，有效降低反馈信息的时延对系统造成的不利影响。另外，随着最 新卫星标准DVB-S^(的自适应编码调制技术(ACM)的颗粒度越来越细化，雨衰较大时，自适 应编码调制技术需要的反馈频次就越高，反馈时延影响也就越大。如果信道信息不能及时 反馈，导致卫星端采用非最佳的编码调制方式，会造成高误比特率和吞吐量的降低。因此， 需要建立雨衰天气下的ACM自适应调整算法，减少反馈频次，提升反馈信息的时效性。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于信道预测的卫星自适应编码调制 方法，义用最小均方算法(LMS，Least Mean Square)实现下一时刻f目噪比的预测，并利用最 优化自适应编码调制子集调整方案，提升ACM的准确度和减少反馈时间，迅速的将调制编码 方式与雨衰信道坏境进行适配，能够有效的减少反向链路的时延和低信噪比带来的影响。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括W下步骤：
[0006] (1)卫星端用若干个连续时刻的反馈信噪比基于LMS算法预测下一时刻的信噪比，
得到预KWn为权向量，初始值是包括零向量的随 机向量， 的取值范围为[1，3 ]; P为阶数，取值为5~ 10 ; Sn为最接近n+1时刻的P个连续时刻反馈SNR组成的向量，即Sn= [ Sn，Sn-I，…，Sn-P+I ];
[0007] (2)若
U卫星端利用為骑取代Sn进行ACM传输；否则，继续利用Sn进行 ACM传输；
[000引（3)判断当前时刻n之前是否连续q次预测信噪比和反馈信噪比都为-5~5地，q不 大于10,若是，则采用信噪比动态调整范围为-10地~10地、颗粒度为3-5地的ACM子集方案 作为优化子集ACM，进入步骤(4);否则，进入步骤(5);
[0009] (4)若连续m次的预测信噪比和反馈信噪比小于-5地或大于5地，m不大于7,则退出 优化子集ACM，进入步骤(5);否则，卫星端继续使用优化子集ACM，循环执行本步骤；
[0010] (5)卫星端使用DVB-S2X的ACM传输，返回步骤（1)。
[0011] 所述q的取值范围为5~8，m的取值范围为3-5。
[0012] 本发明的有益效果是：
[0013] 1、本发明克服了反馈链路的时延问题，通过信道预测有效的减少反馈的频次，也 避免了由于反馈链路质量不好或者时延较大带来的ACM不匹配的问题。
[0014] 2、本发明的优化子集法可W很好地适应雨衰天气下信道快速的变化，增大了颗粒 度，可降低反馈频次，雨衰模式下可W快速的切换到相应的调制编码。
[0015] 3、本发明算法稳定简单，方便硬件实现，可应用到工程实践中。
【附图说明】
[0016] 图1是卫星链路传输的示意图；
[0017] 图2是本发明的实现流程图；
[0018] 图3(a)是LMS预测线性信噪比的结果与实际信噪比的比较示意图；图3(b)是线性 信道变化条件下LMS预测误差示意图；
[0019] 图4(a)是Raylei曲衰落信道条件下LMS预测信噪比的结果与实际信噪比的比较示 意图；图4(b)是LMS预测误差不意图；
[0020] 图5(a)是利用上一时刻瞬时信噪比和利用LMS算法预测得到的信噪比为判据得到 的ACM吞吐量性能比较示意图；图5(b)是利用上一时刻瞬时信噪比和利用LMS算法预测得到 的信噪比为判据得到的ACM误码率性能比较示意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0022] 参照图2,本发明提出的基于LMS算法信道预测的自适应调制编码方法，包括如下 步骤：
[0023] (1)首先卫星端利用信噪比反馈结果结合LMS算法完成对信道信噪比（SNR)的预 测：
[0024] 卫星端基于LMS算法进行信道预测，依据信噪比间的相关性，用若干个连续时刻的 信噪比反馈值基于LMS算法预测下一时刻的信噪比。具体的实现过程为:第n时刻预测的信 噪比自的值：
[0025]
[0026] 其中，Wn为权向量(抽头系数），其初始值是随机的，可W设置为零向量。P为阶数或 抽头数（一般取值5-10) DSn为最接近n+1时刻的P个连续时刻反馈SNR组成的向量，即Sn =
[Sn，Sn-l，…，Sn-p+1]权向量的更新公式为：
[0027]
[0028] 上式用来更新权向量W，通过多次迭代后使真实值和预测值间的误差的均方值达 到最小。丑:由.Ll的取估为；
[0029]
[0030] 其中，P的取值范围为[1，3]。
[0031] (2)当前时刻反馈信噪比等于上一时刻预测SN則寸（即^-S。严。），卫星端利用预 测5^值為絲取代反馈SNR值Sn作为ACM传输的准则；否则，继续利用反馈SNR值Sn作为ACM传 输准则。
[0032] (3)当前时刻n之前是否连续q次(q取值建议范围5-8,不要超过10)预测SNR/反馈 SNR都落入了-5到5地的区域(卫星信道雨衰时信噪比统计概率大于98%)，进行优化子集 ACM(进入雨衰模式）；进入雨衰模式后，ACM的信噪比动态调整范围将不使用DVB-S2X中的-10地到20地(颗粒度约0.3地，），而是调整为范围-10地到10地颗粒度为3-5地的ACM子集方 案，见下表，是DVB-S2X中范围从-IOdB到10地的可选择调制编码方式，在其中挑选颗粒度满 足3-5dB的调制编码方式即可，进入步骤(4);否则，进入步骤(5)。
[0033]
[0034] (4)当连续m次(m取值建议范围3-5,不要超过7)的预巧USNR/反馈SNR都落出了-5到 5地的区域，退出优化子集ACM，进入步骤(5);否则，卫星端继续使用优化子集ACM。
[0035] (5)卫星端使用DVB-S2X的ACM传输。返回步骤（1)。
[0036] 本发明的基于LMS算法信道预测的自适应调制编码方法的具体实施方法，举例说 明如下：
[0037] 步骤1，首先卫星端利用信噪比反馈结果结合LMS算法周期性的完成对信道信噪比 (SNR)的预测:举例说明，第即时刻预测的信噪比載的值：
[00；3 引
[0039] 其中，Wn为权向量(抽头系数），初始设置为零向量，P为5"Sn为最接近n+1时刻的5个 连续时刻信噪比反馈值组成的向量，即Sn=[Sn，Sn-l，…，Sn-4]。权向量的更新公式为：
[0040]
[0041] 上式用来更新权向量W，通过多次迭代后使真实值和预测值间的误差的均方值达 到最小。其中，y的取值为：
[0042]
[0043] 其中，P的取值为1.5。假设通过W上计算得到第5时刻预测的信噪比爲的值为 0.7 地。
[0044] 步骤2,假设，经过100次权向量W迭代后
卫星端利用信噪比预测值 参絞i取代反馈值Sioo进行DVB-S2X的ACM传输；
[0045] 步骤3,假设出现了连续5次SNR值为-1地，0.2地，0地，1.1地，0.5地(即连续5次SNR 的预测值都落入了-5到5地的区域），进入雨衰模式，假设ACM方案调整为颗粒度4左右的ACM 子集方案(-10地到10地），举例说明，最终选择为下表1:
[0046] 表1雨衰模式下ACM子集方案(颗粒度4左右） r00471
LUU4別 步骤4，假巧出现J连续3次SNK但刃5dB，5 . GdB，7dB(连续3次小巧-5判5dB的区 域），退出优化子集ACM，回到传统DVB-S2X中的ACM。
[0049]本发明的效果可W通过仿真进一步说明：
[0化日]A.仿真条件
[0051] 仿真采用LMS算法预测下一时刻的信噪比。仿真时间为1000s，假设每Is发射端向 接收端发送一次数据，每Is接收端向发射端进行一次信噪比估计值的反馈传输，反馈传输 信息无误码。信号带宽设为750MHz。假设信噪比估计精度为0.3地。仿真采用的ACM方案如表 2所示。假定在SNR区间内对应的编码调制方式的误码率为1(T 6,在SNR区间内使用信噪比更 高一级的编码调制方式的误码率为1(T4(如QPSK 1/3在-1.79<SNR<-0.77时误码率为10 -6,在SNR < -1.79时误码率为10-4)。
[0052] 表2SNR区间及其对应的编码调制方案 「00531
LUUD4J B.1々具结巧
[0055] 图3(a)是LMS预测线性信噪比的结果与实际信噪比的比较。可W发现算法稳定后， 预测值能很好的跟踪实际信噪比的变化。
[0056] 图3(b)是线性信道变化条件下LMS预测误差，可W看出，LMS预测算法对于线性信 噪比在算法稳定后有很好的预测性能。
[0057] 图4(a)是Raylei曲衰落信道条件下LMS预测信噪比的结果与实际信噪比的比较。 可W发现算法稳定后，预测值能很好的跟踪实际信噪比的变化。
[0058] 图4(b)是LMS预测误差，可W看出，LMS预测算法对于线性信噪比在算法稳定后预 测误差近似等于0。
[0059] 图5(a)为利用上一时刻瞬时信噪比和利用LMS算法预测得到的信噪比为判据得到 的ACM吞吐量性能比较。其中，取560s~710s时段的信道情况作为研究对象。由仿真结果可 W看出，由于预测信噪比更接近下一时刻的真实信噪比，在信噪比快速增大的情况下，利用 预测得到的信噪比作为判据能有效地削弱时延的影响，使ACM系统获得更好吞吐量性能，提 高了信道资源的利用率。
[0060] 图5(b)为利用上一时刻瞬时信噪比和利用LMS算法预测得到的信噪比为判据得到 的ACM误码率性能比较。其中，分别取260s~430s和880s~1000 s时段的信道情况作为研究 对象。由仿真结果可W看出，由于预测信噪比更接近下一时刻的真实信噪比，在信噪比快速 减小的情况下，利用预测得到的信噪比作为判据能有效地削弱时延的影响，使ACM系统获得 更好误码率性能，降低ACM系统的吞吐量损伤。
[0061]综上所述，在LMS预测算法稳定的情况下，采用信噪比预测值作为ACM的判据会获 得更好的系统吞吐量和更低的误码率性能，在链路信噪比快速增大时，采用预测算法会获 得更好的系统吞吐量性能;在链路信噪比快速减小时，采用预测算法会获得更低的误码率 性能，从而获得更好的服务质量。
【主权项】
1. 一种基于信道质量预测的卫星自适应编码调制方法，其特征在于包括下述步骤： (1) 卫星端用若干个连续时刻的反馈信噪比基于LMS算法预测下一时刻的信噪比，得到 预测信噪i中，Wn为权向量，初始值是包括零向量的随机向 量P的取值范围为[1，3] ;p为阶数，取值为5~10; Sn为最接近n+1时刻的P个连续时刻反馈SNR组成的向量，即Sn = [ Sn，Sn-l，· · ·，Sn-p+l ]; (2) 若馬-则卫星端利用Sgw.取代Sn进行ACM传输；否则，继续利用Sn进行ACM传 输； (3) 判断当前时刻η之前是否连续q次预测信噪比和反馈信噪比都为-5~5地，q不大于 10,若是，则采用信噪比动态调整范围为-10地~10地、颗粒度为3-5地的ACM子集方案作为 优化子集ACM，进入步骤(4);否则，进入步骤(5); (4) 若连续m次的预测信噪比和反馈信噪比小于-5地或大于5地，m不大于7,则退出优化 子集ACM，进入步骤(5);否则，卫星端继续使用优化子集ACM，循环执行本步骤； (5) 卫星端使用DVB-S2X的ACM传输，返回步骤（1)。2. 根据权利要求1所述的基于信道质量预测的卫星自适应编码调制方法，其特征在于： 所述q的取值范围为5~8, m的取值范围为3-5。
【文档编号】H04L1/00GK105846959SQ201610240210
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】张映霓, 文明, 王瑜, 徐媛媛, 茅迪
【申请人】中国电子科技集团公司第二十研究所