CN104468032A - 一种应用于高速铁路的移动宽带卫星通信系统自适应编码调制波束切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于高速铁路的移动宽带卫星通信系统自适应调制编码波束切换方法。该方法包括：A.确定各自适应调制编码方式对应的信噪比的参考门限值。根据当前移动宽带卫星信道的信道状态信息——接收信噪比，计算其值与对应调制编码方式的信噪比参考门限值的误差，根据误差的大小对接收端平均信噪比的值进行不同程度的修正。根据修正得到的平均信噪比大小确定对应的调制编码方式。B.如果修正得到的平均信噪比值小于最低阶调制编码方式的信噪比参考门限值，则进行波束切换操作。该方法在路线相对固定的高速铁路移动宽带卫星通信环境下，有效提高系统的传输性能，保证系统误码率性能，提高系统的吞吐量；同时充分利用波束资源，避免频繁和不必要的波束切换。

Description

一种应用于高速铁路的移动宽带卫星通信系统自适应编码调制波束切换方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域。尤其涉及到应用于高速铁路的移动宽带卫星通信系统中一种确定自适应编码调制方式的方法和一种利用自适应编码调制进行移动性波束切换方法。

背景技术

我国具有世界上最大规模的高速铁路网，高速铁路运营里程约占世界高铁运营里程的46％。高铁具有移动用户分布范围广、移动速度快、移动路径具有一定规律等特点，利用移动宽带卫星通信系统为高速铁路用户提供宽带通信业务，具有波束覆盖范围大、建设速度快、节约地面资源、易于广播和多址通信等优势。由于高铁的移动速度快，用户在通信过程中受到的多普勒频移的影响较大，而移动宽带卫星通信系统的通信距离相对于地面移动通信系统较远，因此受到多普勒频移的影响会小很多。同时，地面移动通信蜂窝网覆盖范围较小，高速移动的高铁会导致用户通信过程中越区切换频繁，交换和控制链路负荷增加，移动宽带卫星通信系统的广覆盖性能解决这个问题。移动宽带卫星通信系统工作在ka频段，由透明转发的高轨道卫星(GEO)、地面信关站和移动用户构成，采用星状方式组网，为高速铁路提供交互式和多播的宽带多媒体传输业务。高速铁路用户在移动的过程中，降雨等天气因素会较大的影响通信质量。除雨衰影响外，由于存在山地、树木、建筑等物体对信号的遮蔽效应，会导致地面移动用户受阴影衰落的影响。由于GEO卫星与地面距离较远，高速铁路虽然移动速度快，但是相对于系统多普勒频移较小，补偿较容易，因此不考虑多普勒频移对系统的影响。自适应调制编码技术能够根据当前的信道衰落状态自适应的改变调制和编码的方式，充分利用信道资源，提高系统吞吐量，但是需要根据不同的信道设定不同的确定自适应调制编码方式(MCS)的策略，以满足系统目标误码率需求。本专利基于上述特点，提出一种确定自适应调制编码方式(MCS)的方法，保证系统目标误码率需求，同时提高系统吞吐量。

由于移动用户分布范围广，移动速度快，在卫星通行的过程中，当一个用户由当前波束范围移动到另一个波束范围时，会存在波束切换的问题。传统的移动卫星波束切换基于移动用户的地理位置。每一个波束都有其覆盖范围，对波束下用户的地理位置信息(坐标、仰角等)都有明确规定。当一个移动用户离开某个波束的覆盖范围时，由于地理位置信息发生变化，系统根据其新的地理位置，将用户波束切换到新的对应覆盖范围的波束下而完成波束切换操作。尽管这种方式操作简单易于实现，但是会存在地理位置定位误差、波束切换过早等问题。同时仅以地理位置作为波束切换条件，不能充分利用波束下的信道资源，降低了资源利用率。为了避免上述问题，本专利针对应用于高速铁路的移动宽带卫星通信系统，提出了一种应用自适应调制编码技术进行波束切换的方法，以解决由定位误差引起的波束切换不精确、波束切换过早的问题。

移动宽带卫星系统的波束中心功率值最大，功率值向远离波束中心方向呈满足一定规律(如满足高斯分布)的下降趋势。当高速铁路移动到离波束中心一定的距离，功率值下降导致接收端信噪比下降到误码率高于目标误码率要求时，如果采用基于地理位置的波束切换策略，此时位置已经到了波束边缘，需要进行波束切换。如果采用自适应调制编码技术进行波束切换管理，此时可以采用低阶自适应MCS使系统误码率满足目标误码率需求而不需要进行波束切换。当用户继续向远离波束中心方向移动，至最低阶的MCS下的误码率仍不能满足系统目标误码率需求时，系统进行波束切换。因此应用自适应调制编码技术进行波束切换的策略能充分利用波束下的信道资源，避免波束切换不精确和切换过早的问题。

发明内容

本专利根据高速铁路在移动宽带卫星通信中的信道的特点，提出一种确定自适应MCS的方法。该方法主要步骤为：确定各自适应MCS对应的信噪比的参考门限值；周期性地检测移动宽带卫星通信信道特征，计算当前信道状态下接收信号的平均信噪比小于对应的MCS的信噪比参考门限值的概率；根据概率的大小对平均信噪比进行适当修正，确定最终的MCS。

本专利提出基于自适应编码调制方式切换的移动性波束切换方法。高速铁路向远离波束中心方向移动，当接收端误码率大于系统目标误码率时，自适应MCS向低阶切换；高速铁路继续移动，当自适应MCS切换到了最低阶，接收端误码率仍大于系统目标误码率时，系统进行波束切换。

附图说明

图1利用自适应编码调制进行波束切换的方法流程图

具体实施方式

在移动宽带卫星通信系统中，用户通过GEO卫星与信关站进行通信时，会受到雨衰、阴影衰落的影响。如果系统采用较高阶的MCS，系统可以获得较高的吞吐量，但是抗信道衰落能力较差，当雨衰、阴影衰落较强时，系统误码率达不到目标误码率要求；如果采用较低阶的MCS，系统的抗信道衰落能力较强，但是系统吞吐量较低，造成了信道资源浪费。自适应调制编码技术可以根据当前信道的状态自适应地改变系统的MCS，是系统在满足目标误码率要求的同时，充分利用信道资源，提高系统吞吐量。本专利提供了一种确定MCS的方法，其步骤如下：

(1)确定系统所用的n种MCS的信噪比参考门限值。通过n种MCS在高斯信道下的SNR-BER曲线，选取误码率小于系统要求的目标误码率的点对应的SNR值作为各MCS的信噪比参考门限值T₁，T₂，…，T_n。

(2)周期性检测信道状态。根据接收端对各子载波/时隙的信道衰落的估计值h₁,h₂,…,h_k，计算接收端的平均信噪比：

$\mathrm{\γ}={\stackrel{\‾}{h}}^2\frac{P}{N}$

其中P为发射功率，N为噪声功率。

(3)计算接收端平均信噪比与对应的MCS的信噪比参考门限值的误差：

$\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\γ}-T_k}{T_k}$

其中T_k为对应的MCS的信噪比参考门限值。

(4)根据误差的大小，对接收信噪比进行不同程度的修改：

$\widetilde{\mathrm{\&gamma;}}=\left\{\begin{array}{cc}0.85\mathrm{\&gamma;},& -0.01<\mathrm{\&Delta;}<0.05\\ 0.92\mathrm{\&gamma;},& \mathrm{else}\end{array}\right.$

式中的参数0.85，0.92，-0.01，0.05可根据实际情况选取不同的数值。

(5)依照修正的接收信噪比大小选择最终的MCS：

$\mathrm{MCS}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{noMCS},& \mathrm{\&gamma;}<T_1\\ {\mathrm{MCS}}_1,& T_1<\mathrm{\&gamma;}<T_2\\ .& \\ .& \\ .& \\ {\mathrm{MCS}}_{k-1},& T_{k-1}<\mathrm{\&gamma;}{<T}_k\\ .& \\ .& \\ .& \\ {\mathrm{MCS}}_n,& \mathrm{\&gamma;}>T_n\end{array}\right.$

设MCS的切换周期为Δt。利用自适应编码调制进行移动性波束切换方法流程如图1所示。对于移动宽带卫星通信系统下高速移动的用户，其接收天线的接收功率值在波束中心处最大，同时向远离波束中心方向呈满足一定规律(如满足高斯分布的高斯天线)的下降趋势。当用户向远离波束中心方向运动时，随着运动距离的增加，其接收功率越来越小，导致接收信噪比越来越低。当接收信噪比低于最低阶MCS的信噪比参考门限值时，表示当前波束无法满足系统误码率要求，此时系统进行波束切换操作。按照此波束切换策略，最终的MCS选择方式为：

为了避免发生波束切换时，新的波束下用户的接收功率小于切换之前原波束下的接收功率导致新的波束仍不能满足系统的误码率需求，要求系统的各波束的中心发射功率足够大，能满足最大信道衰落时最低阶的MCS的误码率小于系统目标误码率的基本需求。

Claims (2)

1.本专利提出一种确定自适应调制编码状态的方法，该方法主要包括：

A.确定各自适应调制编码方式对应的信噪比的参考门限值；

B.根据移动宽带卫星通信信道衰落的估计值，计算当前信道状态下接收信号的平均信噪比；

C.计算接收信号的平均信噪比与对应的调制编码方式的信噪比参考门限值的误差值；

D.根据误差值的大小对平均信噪比进行适当修正，确定最终的调制编码方式。

该方法能利用自适应调制编码使移动宽带卫星通信系统充分利用信道资源，获得较高的吞吐量，同时对信噪比进行适当修正，保证了系统的传输质量，满足系统的误码率需求。

2.本专利基于高速铁路的应用背景，提出一种基于自适应调制编码切换的移动宽带卫星通信系统移动性波束切换策略。当平均信噪比小于对应调制编码方式的信噪比门限值时，系统选择较低阶的调制编码方式；当平均信噪比小于最低阶的调制编码方式的信噪比门限值时，系统进行波束切换。

该策略应用于高速铁路中，能充分利用波束下的信道资源，同时提高全网的资源利用率，减少不必要的波束切换。