基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法计算机应用论文第一次修改10128修改完成杨译.docx

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基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法计算机应用论文第一次修改10128修改完成杨译

基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法

刘海燕2，蔡飞1,2，潘成胜1,2，蔡睿妍1,2

1.大连大学信息工程学院,辽宁省大连市116622

2.大连大学国家863重点实验室,辽宁省大连市116622

Email:

caifeibaozi@

摘要:

为有效地提高星地通信系统的通信质量，提出了一种编码型改变信息传输速率的VCTRM方法。

该方法根据当前星地信道状况自适应地改变调制方式和码元传输速率，并在适当的信噪比区间采用信道编码，获得了一定的编码增益，克服了采用变调制方式传输时在低信噪比时不能满足系统误比特率的缺陷，同时又解决了采用变码元传输速率在高信噪比时不能提高系统吞吐量的问题。

本文通过MATLAB对变调制方式、变码率及编码型VCTRM三种传输方式进行了仿真，仿真结果表明，该方法在不同信道状况下均能满足系统对误比特率的要求，且获得的系统吞吐量明显高于其他方法。

关键词：

通信质量；吞吐量；误比特率；调制方式；码元传输速率

文献标识码:

A中图分类号:

TN911.25

Variable-ratecommunicationsqualitycontrolapproachBasedon

Satellite-to-groundcommunicationssystem

LIUHai-yan2,CAIFei1,2,PANCheng-sheng1,2,CAIRui-yan1,2

1.Collegeofinformationengineering,DalianUniversity,Dalian,116622,China

2.National863KeyLaboratory,DalianUniversity,Dalian,116622,China

Abstract:

Inordertoimprovethecommunicationsqualityeffectively,thispaperproposedanamedVCTRMapproachofchanginginformationtransmissionrate.Theapproachchangesthemodulationmethodandthechiptransmissionrateadaptively,accordingtothecurrentchannelstatuswhensatellitecommunicateswithgroundstation.Theapproachnotonlyovercomesthedefectthatvariablemodulationmethodcannotmeettherequirementofthesystembiterrorrate（BER）,butalsosolvestheproblemthatthevariablechiptransmissionratecannotimprovethethroughputinbadchannelstatus.ThispapersimulatedthreekindsofinformationtransmissionmethodswithMATLAB,variablemodulationmethod,variablechiptransmissionmethodandVCTRMmethod.SimulationresultsindicatethattheproposedapproachcannotonlymeettherequirementofthesystemBERatanytimebutalsogetlargerthroughputthanotherapproachesapparently.

Keywords:

Communicationsquality;Throughput;BER;Modulationmethod;Chiptransmissionrate

0引言

随着通信技术的发展，卫星与地面站的通信速率越来越高，低频段有限的频谱资源导致载波频率由原来的几百MHz变为几GHz甚至几十GHz，使得卫星与地面站传输信息时损耗变得越来越大[1]。

当信道状况变差，系统接收端信噪比降低时，系统误比特率、吞吐量、时延、频带利用率等一系列影响通信质量的因素都将会受到严重影响，导致通信质量下降[2,3]。

针对这种情况，最直接有效的办法就是改变信息传输速率，现有的改变信息传输速率的方法主要有：

变码率方式[4]和变调制方式[5,6,7]。

变调制方式传输在低信噪比情况下系统误比特率高，不能保证星地通信时的可靠性；变码率方式传输在低信噪比情况下虽仍能保证星地通信的可靠性，但在高信噪比情况下不能提高系统吞吐量，当传输数据量大时不能有效提高系统通信质量。

兼顾上述二种改变信息传输速率方式各自的优点，同时针对现有改变信息传输速率方式各自的缺点，本文提出了一种基于系统最大吞吐量的编码型改变信息传输速率方法VCTRM（VariableChipTransmissionRateandModulation）。

编码型VCTRM方法在满足系统误比特率要求的前提条件下，保持最大的系统吞吐量，这样编码型VCTRM方法在保证星地可靠通信的同时，提高了系统通信质量。

1星地链路传输分析

在卫星与地面的通信过程中，信号能否正确被接收取决于接收端接收到信号的信噪比，信噪比越小，误比特率越高，通信质量将越低。

如何让星地通信时传输的信息经特殊环境（如自由空间损耗，传输路径损耗等）传输后，使得接收端仍能获得较好的接收性能以提高系统通信质量显得尤为重要[8]。

通过对星地链路传输的分析发现发射机发射功率、天线增益、信息传输损耗、码元传输速率之间的关系如下[4]：

（1）

式

（1）中，Eb/N0为接收的每位信息能量与噪声密度之比；PT为发射机的功率；Ll为发射机到天线间的路径损耗；GT代表发射天线的增益；Ls是自由空间损耗；La是传输路径损耗；Gr是接收天线的增益；k为玻耳兹曼常数；Ts代表系统噪声温度；Rs为码元传输速率。

将空间链路方程以分贝为单位进行链路计算。

假设信道处于某一状态时所有增益和损耗之和为A，则式

（1）可简写为：

（2）

从式

（2）中可明显看出，当各种增益和损耗不变时，码元传输速率Rs和[Eb/N0]之间成反比关系；若Rs保持不变，当传输损耗增大即A减小时，[Eb/N0]将减小，系统误比特率将会增大，严重影响星地链路传输的通信质量。

当传输损耗增大时，本文通过降低一定的码元传输速率Rs提高[Eb/N0]的值，弥补由于传输损耗变大带来的损失，保证星地通信系统链路传输数据时的可靠性。

2变速率策略

2.1变调制方式传输

变调制方式是根据信噪比选择满足系统误比特率要求的调制方式，即随着信道条件的改变而选择相应的信息传输速率，提高系统吞吐量[5,6,7]。

各种调制方式的误比特率如下图1所示：

图1不同调制方式误比特率

假设系统误比特率要求为小于1e-5，从图1中可以看出，当9.6dB≤[Eb/N0]<13.1dB时，BPSK和QPSK调制方式的误比特率一样，但QPSK调制方式的调制阶数高，选用QPSK调制方式；当13.1dB≤[Eb/N0]<13.5dB时，选用8PSK调制方式等。

信噪比越高，选用调制方式的调制阶数也越高，相应的信息传输速率也会越高。

码元传输速率，信息传输速率和调制阶数的关系如下[2]：

（3）

式（3）中，R为信息传输速率，Rs为码元传输速率，M为调制阶数。

但当[Eb/N0]<9.6dB时，选择图中任何一种调制方式系统误比特率都将大于1e-5，不能满足系统误比特率要求，将严重影响通信质量。

2.2变码率方式传输

变码率方式传输通过改变码元传输速率能在信噪比低时，如[Eb/N0]<9.6dB时，仍能满足系统误比特率要求，使系统保持一定的吞吐量。

文献[4]中提到，变码率即保持接收端采样率不变，降低发送端码元传输速率，提高接收端判决概率和信号的信噪比。

原理如下：

假设当前通信系统采用的调制方式为BPSK调制，发送端码元传输速率为Rs，接收端采样频率为f，若Rs和f相等，即一个码元只采集一次，如下图2所示：

图2接收端采样率和发送端码元传输速率一致时的采样

接收端根据一次采集的结果进行判决输出，所以接收端码元输出速率也为Rs，假设信道为高斯白噪声信道，接收端误比特率由以下理论公式可以计算出[9]，式中

：

（4）

（5）

若降低Rs，f保持不变。

由于Rs的降低，根据式

（2），接收端信号的信噪比将提高，码元宽度变宽，接收端在一个码元周期内采得的样点变多，通过均值滤波器后的信号的带宽变窄，噪声功率变小，使接收端判断码元正确的概率变大，降低了系统误比特率[4]。

假设Rs变为原来的1/4，则接收端在判决接收到的码元之前采集的样点变为原来的4倍，如下图3所示：

图3接收端采样率为发送端码元传输速率4倍时的采样

假设原来的码元传输速率为Rs，信噪比为[Eb/N0]，则由式（4）计算误比特率理论值为BER，降低后的码元速率为Rs′，由式

（2），则信噪比变为[Eb/N0]′，若码速降低后的采样率和码速保持一致，即根据一次采集的样点对码元进行判断，则误比特率由式（4）计算为BER′，但码元速率降低后，判断一个码元，我们需要采N=Rs/Rs′次，对每N个采样值进行判决，判决规则如下[4]：

（6）

其中，Ti表示第i次采样采得的数据，为0或1，假如码速降低为原来的1/5，则判断一个码元需要采5个样点，由式（6）可以得出，5个样点当中若有3个判断正确，则能正确判断出该码元，而每个样点判断正确的概率BER′应通过将降速后的信噪比[Eb/N0]′带入式（4）计算得出。

因此码速降低后通信系统接收端实际误比特率BER′′的计算表达式应如下，式中N≥2:

（7）

本文通过Matlab对采用上述理论方式进行传输时系统接收端的误比特率进行了仿真，信噪比范围为0到9.5dB，每一种信噪比仿真码元个数为2800000个。

仿真结果如下图4所示：

图4变码率误比特率性能分析

从图4中可以看出，当码元传输速率和采样率保持一致，即根据采集的一个样值判决码元时，仿真曲线和理论曲线基本一致。

当码元传输速率和采样率均降低为原来的1/3时，由式

（2），[Eb/N0]提高大约4.8个dB，误比特率降低。

而当码元传输速率降低为原来的1/3，接收端保持原来的采样率不变，判决一个码元需要采样三次时，误比特率将比判决一个码元只采样一次时还要低。

当信噪比低于9.6dB时，通过降低码元传输速率能有效降低误比特率，从而满足系统误比特率的要求。

虽然这种方式在低信噪比情况下仍能满足系统误比特率要求，但当码元传输速率达到系统能承受的最大传输速率时，由式（3），系统的信息传输速率也达到最大，当传输损耗继续减小，信噪比提高，误比特率降得更低时，由吞吐量计算公式（9），系统吞吐量很难得到有效的提高，当在高信噪比情况下需传输大量数据时，系统通信质量将不能得到改善。

2.3编码型VCTRM方式传输

编码型

VCTRM方式传输能使系统在信噪比很低的情况下仍能满足系统对误比特率要求，且能使系统在当前状态下保持较高的吞吐量。

编码型VCTRM方式传输在适当的信噪比区间通过添加信道编码，获得编码增益，降低系统误比特率，进一步提高了系统吞吐量。

假如编码方式采用（7,4）线性分组码，译码后的误比特率Pb如下[10]：

（8）

其中P为信道码元错误概率。

编码前和编码后BPSK调制方式的误比特率图如下：

图5编码前和编码后BPSK调制方式误比特率

从图5中可以看出，编码前，当P=1×10-5时，BPSK调制方式对应的[Eb/N0]约为9.6dB，编码后，Pb=1×10-5时，BPSK调制方式对应的[Eb/N0]约为6.6dB，相比之下，在误比特率为1×10-5时，编码后的BPSK调制方式系统所需[Eb/N0]与不采用编码时节省了3dB，即在BPSK调制方式下（7,4）分组码的编码增益为3dB。

通过添加信道编码在低信噪比时虽可获得一定的编码增益，降低了系统误比特率，提高了系统吞吐量，但同时也添加了冗余信息量，在高信噪比时不利于系统吞吐量的提高。

编码型VCTRM方式传输在适当的信噪比区间添加信道编码，既能降低系统误比特率又不阻碍系统吞吐量的提高。

编码型VCTRM方式传输在信噪比低时还通过降低码元传输速率或者改变调制方式或者两者同时改变，选择满足系统误比特率要求前提条件下能使系统吞吐量达到最大的调制方式和Rs；在高信噪比情况下，当Rs达到最大时，随着信噪比的提高适当改变调制方式，选择在满足系统误比特率要求前提条件下能使系统吞吐量达到最大的调制方式。

3编码型VCTRM方式性能仿真分析

3.1误比特率性能仿真分析

假设系统误比特率要求为小于1e-5，码元传输速率最大为100MBps。

QPSK调制固定比特率方式传输、QPSK调制变码率方式传输、变调制方式传输和编码型VCTRM方式传输的误比特率如下图6所示：

图6不同方式传输误比特率性能分析

从图6中可以看出采用QPSK调制固定比特率方式传输时系统的误比特率与信噪比[Eb/N0]成反比，当[Eb/N0]<10dB时，系统误比特率将大于1e-5，不能满足系统误比特率的要求。

采用变调制方式传输时的系统在信噪比较低时即使采用误比特率最低的QPSK调制方式，与采用QPSK调制固定比特率方式传输时一样，当[Eb/N0]<10dB时，系统误比特率也将大于1e-5，不能满足系统误比特率的要求。

而采用QPSK调制变码率方式传输和编码型VCTRM方式传输的系统在信噪比即使很低的情况下仍能满足系统误比特率的要求。

通过改变码元传输速率或添加信道编码，在信噪比即使很低的情况下也能使系统误比特率小于1e-5，从而保证了通信系统传输数据的可靠性。

如当[Eb/N0]<10dB时，通过改变码元传输速率，假设Rs由100MBps变为50MBps，则信息传输速率R由100Mbps降低为50Mbps，由式

（2），[Eb/N0]将会增加约3个dB，由变码率原理，结合式（4）和（7）计算得误比特率要比采用QPSK调制固定比特率方式传输时系统的误比特率低很多。

改变码元传输速率能改变系统误比特率，且随着信噪比的降低，码元传输速率也会要求降得更低。

3.2吞吐量性能分析

吞吐量计算公式如下[11]：

（9）

式（9）中，R为信息传输速率，BER为接收端误比特率，rc为编码率，假设采用（7,4）线性分组码，则rc为4/7，rp为包开销，假设为6字节，rf为帧开销，假设为12字节，Lf为数据帧长，假设数据帧长为2048字节。

则吞吐量计算公式（9）可以简写成：

（10）

以上四种不同传输方式的系统吞吐量如下图7所示：

图7不同方式传输系统吞吐量性能分析

从图7中可以看出，采用QPSK调制固定比特率方式传输，当[Eb/N0]低于9dB时，由于采用该方式传输不能满足系统误比特率要求，系统吞吐量基本为0，当信噪比高时，吞吐量基本保持不变，相比于采用其他方式传输时系统的吞吐量低很多。

采用QPSK调制变码率方式传输时，在信噪比较低时能满足系统误比特率的要求，因此系统的吞吐量要比采用QPSK调制固定比特率方式传输时的要高。

但在信噪比较高时，与采用QPSK调制固定比特率方式传输时一样，随着信噪比提高也不能有效提高系统吞吐量。

采用变调制方式传输的系统在高信噪比情况下比采用QPSK调制变码率方式传输和QPSK调制固定比特率方式传输时的吞吐量都要高。

信噪比越高，吞吐量也越高。

但当信噪比较低时，与采用QPSK调制固定比特率方式传输时一样，不能满足系统误比特率要求，吞吐量也几乎为0。

编码型VCTRM方式传输拥有变码率和变调制这两种变速率方式传输的优点，在满足系统误比特率要求前提下，自适应改变调制方式和码元传输速率，以提高系统吞吐量。

当信噪比在0到30dB范围内变化时，本文采用的码元传输速率有四种，分别是100MBps，50MBps，25MBps，20MBps。

当[Eb/N0]≥10dB时，码元传输速率达到最大，采用编码型VCTRM方式传输时的系统吞吐量与采用变调制方式传输时的系统吞吐量基本一致，而当[Eb/N0]<10dB时，采用编码型VCTRM方式传输时的系统吞吐量要比采用其他三种传输方式时的系统吞吐量都要高。

如当7dB<[Eb/N0]<10dB时，只有采用QPSK调制变码率方式传输和编码型VCTRM方式传输时的系统能获得一定吞吐量，采用QPSK调制变码率方式传输的系统将码速

降为50MBps，信息传输速率降为100Mbps，便能满足系统误比特率的要求，此时系统吞吐量由式（10）计算得约为98.2Mbps；而采用编码型VCTRM方式传输的系统将码速降为20MBps，采用64QAM调制方式时也能满足系统误比特率要求,此时信息传输速率为120Mbps，而吞吐量却为117.8Mbps，比采用QPSK调制变码率方式传输时系统的吞吐量高出许多。

编码型VCTRM方式传输还在适当的信噪比区间通过添加信道编码，获得一定的编码增益，相比于VCTRM方式传输进一步提高了系统高吞吐量。

编码型VCTRM方式和VCTRM方式传输时系统吞吐量如下图8所示：

图8编码型VCTRM方式和VCTRM方式传输时系统吞吐量

从图8中可以看出，当10dB<[Eb/N0]<13dB时，编码型VCTRM方式要比VCTRM方式传输时系统获得的吞吐量还要高。

编码型VCTRM方式在10dB<[Eb/N0]<13dB时添加信道编码，虽然在信息传输过程中添加了冗余信息，但同时也获得了一定的编码增益。

VCTRM方式在10dB<[Eb/N0]<13dB时采用QPSK调制方式，信息传输速率R为200Mbps，但编码型VCTRM方式通过添加信道编码，利用获得的编码增益，将码元传输速率降低至100MBps，调制方式采用16QAM时仍能满足系统误比特率要求，此时系统吞吐量要比VCTRM方式传输时系统获得的吞吐量还要高。

当信噪比由高变低时，采用编码型VCTRM方式传输比采用其他三种方式传输时的系统吞吐量都要高。

4结论

卫星与地面站通信过程中，采用编码型VCTRM方式传输的通信系统，在信噪比即使很低时仍能满足系统误比特率要求，使系统能保持一定的吞吐量，保证了通信的可靠性；在信噪比较高时又有效地提高了系统吞吐量，且随着信噪比的增大提高的幅度将继续增大。

采用编码型VCTRM方式传输的通信系统可以有效地控制通信质量。

参考文献：

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29-34.

作者简介：

刘海燕（1963-），女，黑龙江省萝北市人，教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为卫星通信技术。

蔡飞（1985-），男，湖南省岳阳市人，硕士研究生，主要研究方向为卫星通信技术、计算机网络技术。

潘成胜（1962-），男，江苏省无锡市人，博士，教授，博士研究生导师，主要研究方向为空间通信与网络技术。

蔡睿妍（1979-），女，黑龙江省林甸县人，讲师，主要研究方向为卫星通信网络技术。