基于信道質(zhì)量預(yù)測的衛(wèi)星自適應(yīng)編碼調(diào)制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于信道質(zhì)量預(yù)測的衛(wèi)星自適應(yīng)編碼調(diào)制方法，首先衛(wèi)星端利用信噪比反饋結(jié)果結(jié)合LMS算法周期性的完成對信道信噪比的預(yù)測；LMS算法穩(wěn)定后衛(wèi)星端利用信噪比預(yù)測值取代反饋值進行DVB?S2X的ACM傳輸；當連續(xù)n次SNR的預(yù)測值都落入了?5到5dB的區(qū)域，則進行優(yōu)化子集ACM調(diào)整；當連續(xù)m次的SNR的預(yù)測值都落出了?5到5dB的區(qū)域，則退出優(yōu)化子集ACM，回到傳統(tǒng)DVB?S2X中的ACM。本發(fā)明克服了反饋鏈路的時延問題，通過信道預(yù)測有效的減少反饋的頻次，也避免了由于反饋鏈路質(zhì)量不好或者時延較大帶來的ACM不匹配的問題，雨衰模式下可以快速的切換到相應(yīng)的調(diào)制編碼。
【專利說明】
基于信道質(zhì)量預(yù)測的衛(wèi)星自適應(yīng)編碼調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種衛(wèi)星編碼調(diào)制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星通信已成為人們生活、科研、軍事等領(lǐng)域不可缺少的一部分，尤其是在戰(zhàn)爭 中，有效可靠的戰(zhàn)場通信是取得最后勝利的重要保障。復(fù)雜電磁環(huán)境和自適應(yīng)編碼調(diào)制技 術(shù)相比固定的編碼調(diào)制技術(shù)有更高的頻譜資源利用率，但是運種利用率的提升是建立在有 準確、可靠及時的反饋信息的前提條件下的。國際電聯(lián)分配用于衛(wèi)星固定通信的頻段為Ka 頻段，其有3.5G化頻帶資源，能提供更多的通信容量。但是由于Ka頻段受雨衰的影響較大， 降雨在Ka頻段上所產(chǎn)生的瞬間衰落最高可達十幾地，運就對自適應(yīng)策略的調(diào)整范圍及調(diào)整 時間提出了更高的要求。
[0003] 如圖1所示，傳統(tǒng)的編碼調(diào)制切換策略是將接收端(終端)計算的瞬時信噪反饋到 衛(wèi)星端，但是由于反饋時延內(nèi)衛(wèi)星信道的時變性和反向鏈路質(zhì)量的變化，導(dǎo)致發(fā)射端(衛(wèi)星 端)無法選擇最優(yōu)的編碼調(diào)制方式。因此，可W采用信道預(yù)測的方法得到信道狀態(tài)預(yù)測值取 代瞬時信道估計值的方法，有效降低反饋信息的時延對系統(tǒng)造成的不利影響。另外，隨著最 新衛(wèi)星標準DVB-S^(的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)(ACM)的顆粒度越來越細化，雨衰較大時，自適 應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)需要的反饋頻次就越高，反饋時延影響也就越大。如果信道信息不能及時 反饋，導(dǎo)致衛(wèi)星端采用非最佳的編碼調(diào)制方式，會造成高誤比特率和吞吐量的降低。因此， 需要建立雨衰天氣下的ACM自適應(yīng)調(diào)整算法，減少反饋頻次，提升反饋信息的時效性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于信道預(yù)測的衛(wèi)星自適應(yīng)編碼調(diào)制 方法，義用最小均方算法(LMS，Least Mean Square)實現(xiàn)下一時刻f目噪比的預(yù)測，并利用最 優(yōu)化自適應(yīng)編碼調(diào)制子集調(diào)整方案，提升ACM的準確度和減少反饋時間，迅速的將調(diào)制編碼 方式與雨衰信道壞境進行適配，能夠有效的減少反向鏈路的時延和低信噪比帶來的影響。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括W下步驟：
[0006] (1)衛(wèi)星端用若干個連續(xù)時刻的反饋信噪比基于LMS算法預(yù)測下一時刻的信噪比，
得到預(yù)KWn為權(quán)向量，初始值是包括零向量的隨 機向量， 的取值范圍為[1，3 ]; P為階數(shù)，取值為5~ 10 ; Sn為最接近n+1時刻的P個連續(xù)時刻反饋SNR組成的向量，即Sn= [ Sn，Sn-I，…，Sn-P+I ];
[0007] (2)若
U衛(wèi)星端利用為騎取代Sn進行ACM傳輸；否則，繼續(xù)利用Sn進行 ACM傳輸；
[000引（3)判斷當前時刻n之前是否連續(xù)q次預(yù)測信噪比和反饋信噪比都為-5~5地，q不 大于10,若是，則采用信噪比動態(tài)調(diào)整范圍為-10地~10地、顆粒度為3-5地的ACM子集方案 作為優(yōu)化子集ACM，進入步驟(4);否則，進入步驟(5);
[0009] (4)若連續(xù)m次的預(yù)測信噪比和反饋信噪比小于-5地或大于5地，m不大于7,則退出 優(yōu)化子集ACM，進入步驟(5);否則，衛(wèi)星端繼續(xù)使用優(yōu)化子集ACM，循環(huán)執(zhí)行本步驟；
[0010] (5)衛(wèi)星端使用DVB-S2X的ACM傳輸，返回步驟（1)。
[0011] 所述q的取值范圍為5~8，m的取值范圍為3-5。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：
[0013] 1、本發(fā)明克服了反饋鏈路的時延問題，通過信道預(yù)測有效的減少反饋的頻次，也 避免了由于反饋鏈路質(zhì)量不好或者時延較大帶來的ACM不匹配的問題。
[0014] 2、本發(fā)明的優(yōu)化子集法可W很好地適應(yīng)雨衰天氣下信道快速的變化，增大了顆粒 度，可降低反饋頻次，雨衰模式下可W快速的切換到相應(yīng)的調(diào)制編碼。
[0015] 3、本發(fā)明算法穩(wěn)定簡單，方便硬件實現(xiàn)，可應(yīng)用到工程實踐中。
【附圖說明】
[0016] 圖1是衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)氖疽鈭D；
[0017] 圖2是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；
[0018] 圖3(a)是LMS預(yù)測線性信噪比的結(jié)果與實際信噪比的比較示意圖；圖3(b)是線性 信道變化條件下LMS預(yù)測誤差示意圖；
[0019] 圖4(a)是Raylei曲衰落信道條件下LMS預(yù)測信噪比的結(jié)果與實際信噪比的比較示 意圖；圖4(b)是LMS預(yù)測誤差不意圖；
[0020] 圖5(a)是利用上一時刻瞬時信噪比和利用LMS算法預(yù)測得到的信噪比為判據(jù)得到 的ACM吞吐量性能比較示意圖；圖5(b)是利用上一時刻瞬時信噪比和利用LMS算法預(yù)測得到 的信噪比為判據(jù)得到的ACM誤碼率性能比較示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施 例。
[0022] 參照圖2,本發(fā)明提出的基于LMS算法信道預(yù)測的自適應(yīng)調(diào)制編碼方法，包括如下 步驟：
[0023] (1)首先衛(wèi)星端利用信噪比反饋結(jié)果結(jié)合LMS算法完成對信道信噪比（SNR)的預(yù) 測：
[0024] 衛(wèi)星端基于LMS算法進行信道預(yù)測，依據(jù)信噪比間的相關(guān)性，用若干個連續(xù)時刻的 信噪比反饋值基于LMS算法預(yù)測下一時刻的信噪比。具體的實現(xiàn)過程為:第n時刻預(yù)測的信 噪比自的值：
[0025]
[0026] 其中，Wn為權(quán)向量(抽頭系數(shù)），其初始值是隨機的，可W設(shè)置為零向量。P為階數(shù)或 抽頭數(shù)（一般取值5-10) DSn為最接近n+1時刻的P個連續(xù)時刻反饋SNR組成的向量，即Sn =
[Sn，Sn-l，…，Sn-p+1]權(quán)向量的更新公式為：
[0027]
[0028] 上式用來更新權(quán)向量W，通過多次迭代后使真實值和預(yù)測值間的誤差的均方值達 到最小。丑:由.Ll的取估為；
[0029]
[0030] 其中，P的取值范圍為[1，3]。
[0031] (2)當前時刻反饋信噪比等于上一時刻預(yù)測SN則寸（即^-S。嚴。），衛(wèi)星端利用預(yù) 測5^值為絲取代反饋SNR值Sn作為ACM傳輸?shù)臏蕜t；否則，繼續(xù)利用反饋SNR值Sn作為ACM傳 輸準則。
[0032] (3)當前時刻n之前是否連續(xù)q次(q取值建議范圍5-8,不要超過10)預(yù)測SNR/反饋 SNR都落入了-5到5地的區(qū)域(衛(wèi)星信道雨衰時信噪比統(tǒng)計概率大于98%)，進行優(yōu)化子集 ACM(進入雨衰模式）；進入雨衰模式后，ACM的信噪比動態(tài)調(diào)整范圍將不使用DVB-S2X中的-10地到20地(顆粒度約0.3地，），而是調(diào)整為范圍-10地到10地顆粒度為3-5地的ACM子集方 案，見下表，是DVB-S2X中范圍從-IOdB到10地的可選擇調(diào)制編碼方式，在其中挑選顆粒度滿 足3-5dB的調(diào)制編碼方式即可，進入步驟(4);否則，進入步驟(5)。
[0033]
[0034] (4)當連續(xù)m次(m取值建議范圍3-5,不要超過7)的預(yù)巧USNR/反饋SNR都落出了-5到 5地的區(qū)域，退出優(yōu)化子集ACM，進入步驟(5);否則，衛(wèi)星端繼續(xù)使用優(yōu)化子集ACM。
[0035] (5)衛(wèi)星端使用DVB-S2X的ACM傳輸。返回步驟（1)。
[0036] 本發(fā)明的基于LMS算法信道預(yù)測的自適應(yīng)調(diào)制編碼方法的具體實施方法，舉例說 明如下：
[0037] 步驟1，首先衛(wèi)星端利用信噪比反饋結(jié)果結(jié)合LMS算法周期性的完成對信道信噪比 (SNR)的預(yù)測:舉例說明，第即時刻預(yù)測的信噪比載的值：
[00；3 引
[0039] 其中，Wn為權(quán)向量(抽頭系數(shù)），初始設(shè)置為零向量，P為5"Sn為最接近n+1時刻的5個 連續(xù)時刻信噪比反饋值組成的向量，即Sn=[Sn，Sn-l，…，Sn-4]。權(quán)向量的更新公式為：
[0040]
[0041] 上式用來更新權(quán)向量W，通過多次迭代后使真實值和預(yù)測值間的誤差的均方值達 到最小。其中，y的取值為：
[0042]
[0043] 其中，P的取值為1.5。假設(shè)通過W上計算得到第5時刻預(yù)測的信噪比爲的值為 0.7 地。
[0044] 步驟2,假設(shè)，經(jīng)過100次權(quán)向量W迭代后
衛(wèi)星端利用信噪比預(yù)測值 參絞i取代反饋值Sioo進行DVB-S2X的ACM傳輸；
[0045] 步驟3,假設(shè)出現(xiàn)了連續(xù)5次SNR值為-1地，0.2地，0地，1.1地，0.5地(即連續(xù)5次SNR 的預(yù)測值都落入了-5到5地的區(qū)域），進入雨衰模式，假設(shè)ACM方案調(diào)整為顆粒度4左右的ACM 子集方案(-10地到10地），舉例說明，最終選擇為下表1:
[0046] 表1雨衰模式下ACM子集方案(顆粒度4左右） r00471
LUU4別 步驟4，假巧出現(xiàn)J連續(xù)3次SNK但刃5dB，5 . GdB，7dB(連續(xù)3次小巧-5判5dB的區(qū) 域），退出優(yōu)化子集ACM，回到傳統(tǒng)DVB-S2X中的ACM。
[0049]本發(fā)明的效果可W通過仿真進一步說明：
[0化日]A.仿真條件
[0051] 仿真采用LMS算法預(yù)測下一時刻的信噪比。仿真時間為1000s，假設(shè)每Is發(fā)射端向 接收端發(fā)送一次數(shù)據(jù)，每Is接收端向發(fā)射端進行一次信噪比估計值的反饋傳輸，反饋傳輸 信息無誤碼。信號帶寬設(shè)為750MHz。假設(shè)信噪比估計精度為0.3地。仿真采用的ACM方案如表 2所示。假定在SNR區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的編碼調(diào)制方式的誤碼率為1(T 6,在SNR區(qū)間內(nèi)使用信噪比更 高一級的編碼調(diào)制方式的誤碼率為1(T4(如QPSK 1/3在-1.79<SNR<-0.77時誤碼率為10 -6,在SNR < -1.79時誤碼率為10-4)。
[0052] 表2SNR區(qū)間及其對應(yīng)的編碼調(diào)制方案 「00531
LUUD4J B.1々具結(jié)巧
[0055] 圖3(a)是LMS預(yù)測線性信噪比的結(jié)果與實際信噪比的比較?？蒞發(fā)現(xiàn)算法穩(wěn)定后， 預(yù)測值能很好的跟蹤實際信噪比的變化。
[0056] 圖3(b)是線性信道變化條件下LMS預(yù)測誤差，可W看出，LMS預(yù)測算法對于線性信 噪比在算法穩(wěn)定后有很好的預(yù)測性能。
[0057] 圖4(a)是Raylei曲衰落信道條件下LMS預(yù)測信噪比的結(jié)果與實際信噪比的比較。 可W發(fā)現(xiàn)算法穩(wěn)定后，預(yù)測值能很好的跟蹤實際信噪比的變化。
[0058] 圖4(b)是LMS預(yù)測誤差，可W看出，LMS預(yù)測算法對于線性信噪比在算法穩(wěn)定后預(yù) 測誤差近似等于0。
[0059] 圖5(a)為利用上一時刻瞬時信噪比和利用LMS算法預(yù)測得到的信噪比為判據(jù)得到 的ACM吞吐量性能比較。其中，取560s~710s時段的信道情況作為研究對象。由仿真結(jié)果可 W看出，由于預(yù)測信噪比更接近下一時刻的真實信噪比，在信噪比快速增大的情況下，利用 預(yù)測得到的信噪比作為判據(jù)能有效地削弱時延的影響，使ACM系統(tǒng)獲得更好吞吐量性能，提 高了信道資源的利用率。
[0060] 圖5(b)為利用上一時刻瞬時信噪比和利用LMS算法預(yù)測得到的信噪比為判據(jù)得到 的ACM誤碼率性能比較。其中，分別取260s~430s和880s~1000 s時段的信道情況作為研究 對象。由仿真結(jié)果可W看出，由于預(yù)測信噪比更接近下一時刻的真實信噪比，在信噪比快速 減小的情況下，利用預(yù)測得到的信噪比作為判據(jù)能有效地削弱時延的影響，使ACM系統(tǒng)獲得 更好誤碼率性能，降低ACM系統(tǒng)的吞吐量損傷。
[0061]綜上所述，在LMS預(yù)測算法穩(wěn)定的情況下，采用信噪比預(yù)測值作為ACM的判據(jù)會獲 得更好的系統(tǒng)吞吐量和更低的誤碼率性能，在鏈路信噪比快速增大時，采用預(yù)測算法會獲 得更好的系統(tǒng)吞吐量性能;在鏈路信噪比快速減小時，采用預(yù)測算法會獲得更低的誤碼率 性能，從而獲得更好的服務(wù)質(zhì)量。
【主權(quán)項】
1. 一種基于信道質(zhì)量預(yù)測的衛(wèi)星自適應(yīng)編碼調(diào)制方法，其特征在于包括下述步驟： (1) 衛(wèi)星端用若干個連續(xù)時刻的反饋信噪比基于LMS算法預(yù)測下一時刻的信噪比，得到 預(yù)測信噪i中，Wn為權(quán)向量，初始值是包括零向量的隨機向 量P的取值范圍為[1，3] ;p為階數(shù)，取值為5~10; Sn為最接近n+1時刻的P個連續(xù)時刻反饋SNR組成的向量，即Sn = [ Sn，Sn-l，· · ·，Sn-p+l ]; (2) 若馬-則衛(wèi)星端利用Sgw.取代Sn進行ACM傳輸；否則，繼續(xù)利用Sn進行ACM傳 輸； (3) 判斷當前時刻η之前是否連續(xù)q次預(yù)測信噪比和反饋信噪比都為-5~5地，q不大于 10,若是，則采用信噪比動態(tài)調(diào)整范圍為-10地~10地、顆粒度為3-5地的ACM子集方案作為 優(yōu)化子集ACM，進入步驟(4);否則，進入步驟(5); (4) 若連續(xù)m次的預(yù)測信噪比和反饋信噪比小于-5地或大于5地，m不大于7,則退出優(yōu)化 子集ACM，進入步驟(5);否則，衛(wèi)星端繼續(xù)使用優(yōu)化子集ACM，循環(huán)執(zhí)行本步驟； (5) 衛(wèi)星端使用DVB-S2X的ACM傳輸，返回步驟（1)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信道質(zhì)量預(yù)測的衛(wèi)星自適應(yīng)編碼調(diào)制方法，其特征在于： 所述q的取值范圍為5~8, m的取值范圍為3-5。
【文檔編號】H04L1/00GK105846959SQ201610240210
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】張映霓, 文明, 王瑜, 徐媛媛, 茅迪
【申請人】中國電子科技集團公司第二十研究所