［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)生長串的突發(fā)錯誤。研究了低密度奇偶校驗(LDPC)編碼結(jié)合信道交織的差錯控制方案，提出了一種長交織方案。仿真分析了不同信道交織深度對空間光通信系統(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，當誤碼率為 時，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。故該長交織方案在空間光通信系統(tǒng)中將具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：空間光通信 低密度奇偶校驗碼 衰落信道 長交織

苗濤濤

重慶郵電大學(xué)光纖通信重點實驗室，碩士，主要研究方向：空間光通信。

1 引言

無線光通信具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗電磁干擾能力強，無需申請頻譜、安全保密等諸多優(yōu)點，目前已成為眾多國家進行太空探測的關(guān)鍵技術(shù)[1]。然而大氣衰減和大氣湍流效應(yīng)嚴重影響著空間光信道的穩(wěn)定性，因此有必要在無線光通信系統(tǒng)中引入差錯控制編碼技術(shù)，它可以極大地改善地面無線光通信的誤碼性能。其中低密度奇偶校驗碼（LDPC）吞吐量大，錯誤平底小，可以較好滿足無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（FEC）方案[2]。由于激光在大氣湍流中傳輸會產(chǎn)生緩慢的深度衰落，很容易使系統(tǒng)產(chǎn)生長串的突發(fā)錯誤，僅靠各種糾錯編碼技術(shù)很難實現(xiàn)可靠地通信，因此有必要引入信道交織技術(shù)，采用糾錯編碼和信道交織相結(jié)合的方法，可以更好地提高無線光通信的性能。國內(nèi)外對此也展開了相關(guān)研究，文獻[3]將LDPC碼與信道交織技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于光無線信道中的數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)允許時延與交織深度的關(guān)系。文獻[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[5]研究了RS碼結(jié)合信道交織技術(shù)能有效糾正無線光通信中的突發(fā)錯誤。文獻[6]研究了LDPC結(jié)合信道交織的差錯控制方案，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)計方案。然而，在大氣激光鏈路模型的構(gòu)建過程中，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)錯誤能力越強，但

隨著交織深度的增大，系統(tǒng)的時延和存儲容量也會相應(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?。因此不同于無線通信系統(tǒng)中常見的視頻、語音等通信過程，空間光通信對于由交織深度的增大導(dǎo)致的系統(tǒng)時延在一定范圍內(nèi)是可以接受的，此外現(xiàn)代存儲技術(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，提出了一種長交織方案，仿真分析了不同交織深度對系統(tǒng)誤碼率的影響。

2 系統(tǒng)建模

2.1弱湍流信道模型

在無線光通信系統(tǒng)中，發(fā)射出去的激光信號將通過近地大氣層進行傳輸，在傳輸過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、吸收造成的光強減弱，大氣湍流效應(yīng)則是由于大氣的湍流運動狀態(tài)使大氣折射率隨機起伏，從而造成光束到達角起伏、光斑閃爍、漂移及光能損失。相對大氣衰減，湍流對信號的影響更具隨機性。因此，在分析無線光通信的大氣信道模型時，主要要考慮湍流效應(yīng)所帶來的影響。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度看成一種弱湍流強度，這里僅考慮弱湍流對無線光通信系統(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服從對數(shù)正態(tài)分布，由文獻[7]概率密度函數(shù)：

系統(tǒng)采用雪崩光電二極管（APD）作為探測器，并且接收機具有不可忽略的熱噪聲。APD接收機精確的信道模型為Webb-Gaussian模型，由于其精確的信道模型特別復(fù)雜，本文用非對稱高斯模型來進一步簡化APD接收機輸出的噪聲模型。非對稱高斯信道模型下發(fā)送碼元“1”，“0”信號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)為過剩噪聲因子，keff是電離率，是熱噪聲的方差,Ks( I )為信號光光子計數(shù)，Kb為背景光光子計數(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 )為信號光光功率。選擇最佳判決門限IM/DD光通信系統(tǒng)的OOK誤碼率為：

根據(jù)光強閃爍的對數(shù)高斯模型，則光強閃爍下的OOK無線光通信系統(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成以信號光子計數(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編碼后進行交織，將交織后的序列再經(jīng)信號調(diào)制器調(diào)制，最后將光信號通過大氣湍流信道傳輸；在接收端將接收到的光信號由光電探測器完成光電轉(zhuǎn)換，進而實現(xiàn)解調(diào)、解交織和譯碼。

2.2 矩陣交織

交織就是通過一定的規(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LDPC編碼后的信息序列，碼長為n ，交織寬度為m ，則交織深度D= m.n 。將每D個信息碼元按行寫入m.n 矩陣，再按列讀出，完成交織。交織后的信息序列經(jīng)過衰落信道傳輸，若發(fā)生突發(fā)錯誤（即連續(xù)性錯誤），在接收端解交織后，能夠?qū)⑼话l(fā)錯誤分散成隨機錯誤，有利于糾錯碼進行糾錯，從而可以提高整個系統(tǒng)的誤碼性能。

3 仿真分析

為了具體驗證空間光通信系統(tǒng)中不同衰落情況下，不同交織深度對系統(tǒng)誤碼率的影響，本文進行了仿真分析。本文選取的LDPC的碼長是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程時選取參數(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均為λ=0.6μ m 。下圖3給出了LDPC編碼結(jié)合信道交織的無線光通信系統(tǒng)在不同湍流強度及不同信噪比（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)合信道交織的差錯控制方案與僅采用LDPC編碼的差錯控制方案相比具有明顯地性能優(yōu)勢。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，當誤碼率為10-5時，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。但是當交織深度達到2044ms的時候，可以發(fā)現(xiàn)繼續(xù)增加交織深度，系統(tǒng)誤碼性能已不會繼續(xù)提升，這是因為當交織深度達到2044ms時，交織已將編碼后的信息序列打亂的足夠深，已完全達到將衰落信道中的突發(fā)錯誤分散成隨機錯誤的目的。此外，上述兩圖橫向比較可以發(fā)現(xiàn)，在湍流強度較大即信道衰落較深時，交織技術(shù)對無線光通信系統(tǒng)誤碼性能的提升更為明顯。

4 小結(jié)

本文結(jié)合LDPC編碼，針對空間光通信系統(tǒng)中的衰落信道，提出了一種長交織方案。通過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交織方案相比交織深度較短時的交織方法具有一定的性能優(yōu)勢。此外通過弱湍流條件下的仿真也可以看出，在信道衰落較深時，本文所提出的長交織方法相對未交織時的無線光通信系統(tǒng)，性能改善得更為明顯。因此該長交織方案在大氣激光通信領(lǐng)域抗信道突發(fā)錯誤方面，將具有一定的應(yīng)用前景。

參考文獻

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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）

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61571072)。