空間光通信衰落信道下交織方案的研究*

［苗濤濤］

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空間光通信衰落信道下交織方案的研究*

［苗濤濤］

摘要

在空間光通信系統(tǒng)中，由于光強(qiáng)閃爍和大氣衰減等因素的影響，很容易造成光通信系統(tǒng)產(chǎn)生長(zhǎng)串的突發(fā)錯(cuò)誤。研究了低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)編碼結(jié)合信道交織的差錯(cuò)控制方案，提出了一種長(zhǎng)交織方案。仿真分析了不同信道交織深度對(duì)空間光通信系統(tǒng)的性能影響，給出了特性曲線。誤碼率仿真表明，在弱湍流條件下，當(dāng)誤碼率為 時(shí)，交織深度為2044ms的信道交織相比交織深度為256ms的信道交織，約有0.35dB的性能優(yōu)勢(shì)。故該長(zhǎng)交織方案在空間光通信系統(tǒng)中將具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：空間光通信 低密度奇偶校驗(yàn)碼 衰落信道 長(zhǎng)交織

苗濤濤

重慶郵電大學(xué)光纖通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士，主要研究方向：空間光通信。

1 引言

無(wú)線光通信具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)，無(wú)需申請(qǐng)頻譜、安全保密等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已成為眾多國(guó)家進(jìn)行太空探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)[1]。然而大氣衰減和大氣湍流效應(yīng)嚴(yán)重影響著空間光信道的穩(wěn)定性，因此有必要在無(wú)線光通信系統(tǒng)中引入差錯(cuò)控制編碼技術(shù)，它可以極大地改善地面無(wú)線光通信的誤碼性能。其中低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）吞吐量大，錯(cuò)誤平底小，可以較好滿足無(wú)線光通信的碼速率要求，非常適合作為高速傳輸系統(tǒng)的前向糾錯(cuò)（FEC）方案[2]。由于激光在大氣湍流中傳輸會(huì)產(chǎn)生緩慢的深度衰落，很容易使系統(tǒng)產(chǎn)生長(zhǎng)串的突發(fā)錯(cuò)誤，僅靠各種糾錯(cuò)編碼技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)可靠地通信，因此有必要引入信道交織技術(shù)，采用糾錯(cuò)編碼和信道交織相結(jié)合的方法，可以更好地提高無(wú)線光通信的性能。國(guó)內(nèi)外對(duì)此也展開(kāi)了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[3]將LDPC碼與信道交織技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于光無(wú)線信道中的數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)允許時(shí)延與交織深度的關(guān)系。文獻(xiàn)[4]將Turbo乘積碼結(jié)合分組交織技術(shù)應(yīng)用于大氣激光通信中，給出了在不同湍流條件下，誤碼性能都獲得了明顯改善。文獻(xiàn)[5]研究了RS碼結(jié)合信道交織技術(shù)能有效糾正無(wú)線光通信中的突發(fā)錯(cuò)誤。文獻(xiàn)[6]研究了LDPC結(jié)合信道交織的差錯(cuò)控制方案，以交織距離作為適應(yīng)度函數(shù)，提出了一種基于遺傳算法的交織器設(shè)計(jì)方案。然而，在大氣激光鏈路模型的構(gòu)建過(guò)程中，多數(shù)提到的交織技術(shù)的交織深度都是一種短交織方式。一般而言，交織深度越大系統(tǒng)的抗突發(fā)錯(cuò)誤能力越強(qiáng)，但

隨著交織深度的增大，系統(tǒng)的時(shí)延和存儲(chǔ)容量也會(huì)相應(yīng)增大。目前星地光通信技術(shù)的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在太空探測(cè)等方面，即把從太空采集到的圖片等資料信息，傳輸?shù)降孛嫔系慕邮斩?。因此不同于無(wú)線通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的視頻、語(yǔ)音等通信過(guò)程，空間光通信對(duì)于由交織深度的增大導(dǎo)致的系統(tǒng)時(shí)延在一定范圍內(nèi)是可以接受的，此外現(xiàn)代存儲(chǔ)技術(shù)也得到了快速發(fā)展。因此本文將LDPC編碼與交織技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于空間光通信系統(tǒng)中，提出了一種長(zhǎng)交織方案，仿真分析了不同交織深度對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。

2 系統(tǒng)建模

2.1弱湍流信道模型

在無(wú)線光通信系統(tǒng)中，發(fā)射出去的激光信號(hào)將通過(guò)近地大氣層進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中主要受到大氣衰減和大氣湍流兩方面的影響，大氣衰減主要是由大氣氣體分子和大氣氣溶膠粒子的散射、吸收造成的光強(qiáng)減弱，大氣湍流效應(yīng)則是由于大氣的湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)使大氣折射率隨機(jī)起伏，從而造成光束到達(dá)角起伏、光斑閃爍、漂移及光能損失。相對(duì)大氣衰減，湍流對(duì)信號(hào)的影響更具隨機(jī)性。因此，在分析無(wú)線光通信的大氣信道模型時(shí)，主要要考慮湍流效應(yīng)所帶來(lái)的影響。由于本文所考慮的是近地大氣信道，因此可以將這種湍流強(qiáng)度看成一種弱湍流強(qiáng)度，這里僅考慮弱湍流對(duì)無(wú)線光通信系統(tǒng)的影響。

弱湍流信道下，根據(jù)Rytov提出的弱湍流下的閃爍光強(qiáng)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，由文獻(xiàn)[7]概率密度函數(shù)：

系統(tǒng)采用雪崩光電二極管（APD）作為探測(cè)器，并且接收機(jī)具有不可忽略的熱噪聲。APD接收機(jī)精確的信道模型為Webb-Gaussian模型，由于其精確的信道模型特別復(fù)雜，本文用非對(duì)稱(chēng)高斯模型來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化APD接收機(jī)輸出的噪聲模型。非對(duì)稱(chēng)高斯信道模型下發(fā)送碼元“1”，“0”信號(hào)的均值和方差可以表示為：

上式中，G 為APD的雪崩增益，e 為電子電荷，F(xiàn)=keffG+(2? 1/ G )(1?keff)為過(guò)剩噪聲因子，keff是電離率，是熱噪聲的方差,Ks( I )為信號(hào)光光子計(jì)數(shù)，Kb為背景光光子計(jì)數(shù)。其中：

η為量子效率，h 為普朗克常數(shù)，ν為光頻率，Pb為背景光光功率，Tb為碼元周期，Pr( I )為信號(hào)光光功率。選擇最佳判決門(mén)限IM/DD光通信系統(tǒng)的OOK誤碼率為：

根據(jù)光強(qiáng)閃爍的對(duì)數(shù)高斯模型，則光強(qiáng)閃爍下的OOK無(wú)線光通信系統(tǒng)的平均誤碼率為：

根據(jù)式(3),可以將系統(tǒng)的平均誤碼率式改寫(xiě)成以信號(hào)光子計(jì)數(shù)表示的誤碼形式：

LDPC編碼結(jié)合信道交織的大氣激光通信系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 基于LDPC編碼與信道交織的大氣激光通信系統(tǒng)框圖

信源產(chǎn)生的信息序列經(jīng)LDPC編碼后進(jìn)行交織，將交織后的序列再經(jīng)信號(hào)調(diào)制器調(diào)制，最后將光信號(hào)通過(guò)大氣湍流信道傳輸；在接收端將接收到的光信號(hào)由光電探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)解調(diào)、解交織和譯碼。

2.2 矩陣交織

交織就是通過(guò)一定的規(guī)律將碼流順序打亂后再設(shè)法輸出原序列的過(guò)程。本文采用的交織方法是矩陣交織，即塊交織。其工作原理如圖2所示：

圖2 矩陣交織原理示意圖

假設(shè)經(jīng)過(guò)LDPC編碼后的信息序列，碼長(zhǎng)為n ，交織寬度為m ，則交織深度D= m.n 。將每D個(gè)信息碼元按行寫(xiě)入m.n 矩陣，再按列讀出，完成交織。交織后的信息序列經(jīng)過(guò)衰落信道傳輸，若發(fā)生突發(fā)錯(cuò)誤（即連續(xù)性錯(cuò)誤），在接收端解交織后，能夠?qū)⑼话l(fā)錯(cuò)誤分散成隨機(jī)錯(cuò)誤，有利于糾錯(cuò)碼進(jìn)行糾錯(cuò)，從而可以提高整個(gè)系統(tǒng)的誤碼性能。

3 仿真分析

為了具體驗(yàn)證空間光通信系統(tǒng)中不同衰落情況下，不同交織深度對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響，本文進(jìn)行了仿真分析。本文選取的LDPC的碼長(zhǎng)是2044，碼率為1/2，LDPC的譯碼方法選用的是置信傳播（BP）譯碼算法，最大迭代次數(shù)是10次。在模擬星地激光在大氣湍流下的傳輸過(guò)程時(shí)選取參數(shù)如下：天頂角ξ=70。，大氣湍流外尺度LD=100 m ，上下行鏈路的光波波長(zhǎng)均為λ=0.6μ m 。下圖3給出了LDPC編碼結(jié)合信道交織的無(wú)線光通信系統(tǒng)在不同湍流強(qiáng)度及不同信噪比（SNR）下的誤比特率仿真曲線。

圖3 不同交織深度下的無(wú)線光通信誤碼率

由圖3可以看出，在大氣激光通信衰落信道條件下，采用LDPC編碼結(jié)合信道交織的差錯(cuò)控制方案與僅采用LDPC編碼的差錯(cuò)控制方案相比具有明顯地性能優(yōu)勢(shì)。隨著交織深度的不斷提高，可以看出系統(tǒng)的誤碼性能也在不斷提升，在時(shí)，當(dāng)誤碼率為10-5時(shí)，交織深度為2044ms的信道交織，與交織深度為256ms的信道交織相比，約有0.35dB的性能優(yōu)勢(shì)。但是當(dāng)交織深度達(dá)到2044ms的時(shí)候，可以發(fā)現(xiàn)繼續(xù)增加交織深度，系統(tǒng)誤碼性能已不會(huì)繼續(xù)提升，這是因?yàn)楫?dāng)交織深度達(dá)到2044ms時(shí)，交織已將編碼后的信息序列打亂的足夠深，已完全達(dá)到將衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤分散成隨機(jī)錯(cuò)誤的目的。此外，上述兩圖橫向比較可以發(fā)現(xiàn)，在湍流強(qiáng)度較大即信道衰落較深時(shí)，交織技術(shù)對(duì)無(wú)線光通信系統(tǒng)誤碼性能的提升更為明顯。

4 小結(jié)

本文結(jié)合LDPC編碼，針對(duì)空間光通信系統(tǒng)中的衰落信道，提出了一種長(zhǎng)交織方案。通過(guò)比較不同交織深度在不同信道衰落條件下的誤碼性能，表明本文所提出的長(zhǎng)交織方案相比交織深度較短時(shí)的交織方法具有一定的性能優(yōu)勢(shì)。此外通過(guò)弱湍流條件下的仿真也可以看出，在信道衰落較深時(shí)，本文所提出的長(zhǎng)交織方法相對(duì)未交織時(shí)的無(wú)線光通信系統(tǒng)，性能改善得更為明顯。因此該長(zhǎng)交織方案在大氣激光通信領(lǐng)域抗信道突發(fā)錯(cuò)誤方面，將具有一定的應(yīng)用前景。

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.016 10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.015

收稿日期：（2016-01-15）

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61571072)。