一种基于阶梯码的超奈奎斯特速率大气光传输方法

1.本发明属于超奈奎斯特传输技术及信道编码技术领域，具体的说是一种基于阶梯码的超奈奎斯特速率大气光传输方法。


背景技术：

2.6g时代已正式拉开帷幕，为满足多种通信场景的多样化业务需求，人们对通信质量和数据传输速率提出了更高的要求。无线光通信又称自由空间光通信(free space optical，fso)是一种利用光在大气信道中传递信息的双向通信技术，具有大带宽，免许可证频谱，高数据速率等优点，并得到了广泛的应用。然而，由于大气湍流效应，系统传输性能严重恶化。超奈奎斯特(faster than nyquist，ftn)传输技术作为一种新型非正交传输技术，通过在时域压缩发送符号间隔，在一个符号周期内重叠发送多流数据，来获得更高的数据传输速率。为此，引入ftn技术来提高自由空间光通信系统的传输性能。
3.目前关于ftn技术的研究已取得了丰硕的成果。其研究主要集中于采取一些技术去消除因信号之间的正交性被破坏而不可避免地引入的码间干扰(inter-symbol interference，isi)，如干扰消除，turbo均衡和最小均方误差(minimum mean square error，mmse)均衡等技术。然而，在实际的传输信道中，ftn技术不仅会受到isi的干扰，而且还会受到信道噪声的干扰，尤其是湍流信道。信道编码可以大幅度提升通信系统的可靠性。因此，ftn系统可以采用信道编码技术来保证信号可靠传输。
4.目前常用的信道编码主要集中在奇偶校验(low-density parity-check，ldpc)码，虽然ldpc码有着较好的性能，但同时也拥有着高译码复杂度的代价，对应着高时延、高功耗和高成本等问题，这也限制了ldpc码在高速率低成本光通信系统中的应用。在这种背景下，低复杂度高译码性能的阶梯码(staircase codes，scc)一出现在光通信领域就迅速受到关注。
5.为此，本发明提供一种基于阶梯码的超奈奎斯特速率大气光传输方法。


技术实现要素：

6.为了弥补现有技术的不足，解决上述中的问题，本发明提出的一种基于阶梯码的超奈奎斯特速率大气光传输方法。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种基于阶梯码的超奈奎斯特速率大气光传输方法，将阶梯码技术与超奈奎斯特技术相结合，在指数威布尔湍流信道下提高大气光通信系统的传输速率，并在系统误码性能不变的情况下降低计算复杂度，其具体步骤为：
8.步骤1：在发送端，首先对二进制比特序列进行阶梯码编码，将二进制比特序列分成若干组，装进阶梯码的若干块中，并利用bch码的分量码字对块中的每一行进行编码，从而得到每一行的校验位，形成一个完整的包含了信息位和校验位的阶梯码块，完成阶梯码编码。再经过交织器后对信号进行pam调制，将调制后的信号送入超奈奎斯特成型滤波器，
得到发送信号s(t)，即：
[0009][0010]
式中，sn表示映射后的第n个信息符号，g(t)表示超奈奎斯特成型滤波器的脉冲响应，t表示每一个脉冲的周期时间，τ(0＜τ≤1)表示超奈奎斯特加速因子；将成型后的超奈奎斯特信号加载到激光载波上，并通过激光二极管送入服从指数威布尔分布的大气湍流信道；
[0011]
步骤2：在接收端，光信号经过湍流信道后，由光电探测器转化为电信号，假设接收到的信号为y(t)，有
[0012]
y(t)＝ξhs(t)+z(t)，
ꢀꢀ
(2)
[0013]
式中，h为信道衰落系数，ξ为光电转换效率，z(t)为均值为0、方差为σ2的加性高斯白噪声；该信号经过超奈奎斯特采样器进行采样，再经过pam解调和解交织；然后采用滑窗译码的方式对信号进行阶梯码译码，在滑窗内利用限定距离译码(bounded-distance decoding，bdd)对每个分量码字所对应的行进行迭代译码；假设滑窗的长度为l，先辅助一个全零块，再从信道中接收l-1个阶梯码块，组合成一个长度为l的滑窗进行迭代译码，当迭代次数达到最大时，输出滑窗内的第一个块。接着，再接收一个新的阶梯码块，继续组合成一个长度为l的滑窗进行迭代译码；以此类推，不断地进行此过程，依次输出所有的阶梯码块，译码后恢复成二进制比特序列。
[0014]
本发明的有益效果如下：
[0015]
1.本发明所述的一种基于阶梯码的超奈奎斯特速率大气光传输方法，提高了ftn-fso系统误码性能；ftn技术能够提高fso系统的传输速率，但由于该技术信号之间的正交性被破坏，不可避免地引入了码间干扰，严重影响了系统的可靠性，降低了系统的误码性能。本发明将阶梯码与ftn技术相结合应用在fso系统中。与未编码ftn-fso系统相比，本发明有效地提高了系统误码性能，减小了码间干扰和信道噪声干扰对系统的影响。
[0016]
2.本发明所述的一种基于阶梯码的超奈奎斯特速率大气光传输方法，能够以较低的系统实现复杂度；常用的软判决前向纠错(forward error correction，fec)技术ldpc码虽然在相同码率和码长下性能优于硬判决fec技术，但同时也付出了高译码复杂度的代价，对应着高时延、高功耗和高成本等问题，限制了ldpc码在高速率低成本光通信系统中的应用。而作为新型硬判决fec技术的阶梯码，具有低复杂度高性能的优点。本发明在接收端利用bdd算法对每个分量码字所对应的行进行迭代译码，bdd是一种用于线性分组码的硬判决译码器，进而拥有较低的系统实现复杂度。
附图说明
[0017]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0018]
图1是scc-ftn-fso系统框图；
[0019]
图2是有无scc编码ftn-fso系统误码性能对比图；
[0020]
图3是不同湍流强度下有无scc编码ftn-fso系统误码性能图；
[0021]
图4是不同接收孔径下scc-ftn-fso系统误码性能图；
[0022]
图5是不同加速因子下scc-ftn-fso系统误码性能图；
具体实施方式
[0023]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0024]
如图1至图5所示，本发明所述的一种基于阶梯码的超奈奎斯特速率大气光传输方法，将阶梯码技术与超奈奎斯特技术相结合，在指数威布尔湍流信道下提高大气光通信系统的传输速率，并在系统误码性能不变的情况下降低计算复杂度，其具体步骤为：
[0025]
步骤1：在发送端，首先对二进制比特序列进行阶梯码编码，将二进制比特序列分成若干组，装进阶梯码的若干块中，并利用bch码的分量码字对块中的每一行进行编码，从而得到每一行的校验位，形成一个完整的包含了信息位和校验位的阶梯码块，完成阶梯码编码。再经过交织器后对信号进行pam调制，将调制后的信号送入超奈奎斯特成型滤波器，得到发送信号s(t)，即：
[0026][0027]
式中，sn表示映射后的第n个信息符号，g(t)表示超奈奎斯特成型滤波器的脉冲响应，t表示每一个脉冲的周期时间，τ(0＜τ≤1)表示超奈奎斯特加速因子；将成型后的超奈奎斯特信号加载到激光载波上，并通过激光二极管送入服从指数威布尔分布的大气湍流信道；
[0028]
步骤2：在接收端，光信号经过湍流信道后，由光电探测器转化为电信号，假设接收到的信号为y(t)，有
[0029]
y(t)＝ξhs(t)+z(t)，
ꢀꢀ
(2)
[0030]
式中，h为信道衰落系数，ξ为光电转换效率，z(t)为均值为0、方差为σ2的加性高斯白噪声；该信号经过超奈奎斯特采样器进行采样，再经过pam解调和解交织；然后采用滑窗译码的方式对信号进行阶梯码译码，在滑窗内利用限定距离译码对每个分量码字所对应的行进行迭代译码；假设滑窗的长度为l，先辅助一个全零块，再从信道中接收l-1个阶梯码块，组合成一个长度为l的滑窗进行迭代译码，当迭代次数达到最大时，输出滑窗内的第一个块。接着，再接收一个新的阶梯码块，继续组合成一个长度为l的滑窗进行迭代译码；以此类推，不断地进行此过程，依次输出所有的阶梯码块，译码后恢复成二进制比特序列。
[0031]
本发明是一种基于阶梯码的超奈奎斯特速率大气光传输方法。本发明针对scc-ftn-fso系统具体实施方式进行说明，其它ftn-fso系统可以依此原理实施。下面结合附图以具体实施例来详细说明本发明。
[0032]
本发明通过如下技术措施来达到：
[0033]
1、基本假设：
[0034]
本发明假设信道状态服从指数威布尔分布，假设背景光已被滤波器滤除，仅考虑加性高斯白噪声。该假设是此类系统的典型情况，非本发明的特殊要求。
[0035]
2、具体实施步骤：
[0036]
步骤1：在发送端，对二进制比特序列进行阶梯码编码和交织后，在n时刻将连续的m个比特映射至符号sn，形成m阶脉冲幅度调制信号(即m-pam调制,m＝2m)。再经ftn成型滤波器后获得ftn信号s(t)，由激光二极管送入大气湍流信道中。假设发送信号为
[0037][0038]
式中，sn表示映射后的第n个信息符号，g(t)表示ftn成型滤波器的脉冲响应，t表示每一个脉冲时间，τ(0＜τ≤1)表示加速因子。
[0039]
步骤2：在接收端，光信号经过湍流信道后，由光电探测器转化为电信号，假设其接收到的信号为y(t)，有
[0040]
y(t)＝ξhs(t)+z(t)，
ꢀꢀ
(4)
[0041]
式中，h为信道衰落系数，ξ为光电转换效率，z(t)为均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声。在大气湍流信道中，h服从指数威布尔分布，其概率密度函数和累计函数分别为
[0042][0043][0044]
式中，α和β为与闪烁指数si有关的形状参数，η为与辐照度的平均值有关的尺度参数。y(t)经过ftn采样后，再经过pam解调、解交织和scc译码后恢复成二进制数据比特流。
[0045]
仿真实验
[0046]
为了进一步说明本发明的正确性以及湍流强度、接收孔径、等参数对系统误码性能得影响，采用蒙特卡洛方法对本发明的误码性能进行了仿真分析；
[0047]
仿真参数：假设接收端已知信道状态信息，光电转换效率ξ＝0.5。弱湍流时，接收孔径0mm对应α＝4.89，β＝1.03，η＝0.46；25mm对应α＝3.67，β＝1.97，η＝0.73；60mm对应α＝1.69，β＝8.27，η＝1.00；80mm对应α＝1.01，β＝19.27，η＝1.03；中等湍流时，接收孔径0mm对应α＝5.93，β＝0.46，η＝0.11；25mm对应α＝5.37，β＝0.81，η＝0.33；60mm对应α＝3.47，β＝2.20，η＝0.77；80mm对应α＝2.52，β＝4.06，η＝0.92；强湍流时，接收孔径0mm对应α＝5.94，β＝0.46，η＝0.11；25mm对应α＝5.50，β＝0.74，η＝0.29；60mm对应α＝4.80，β＝1.08，η＝0.48；80mm对应α＝4.39，β＝1.34，η＝0.58。阶梯码码率采用0.5，所对应的分量码c为bch(88，66，3)；阶梯码译码窗口长度为9，迭代次数为7。
[0048]
仿真结果
[0049]
图2为弱湍流下ftn-fso系统有无scc编码的的误码性能对比图，其中横坐标表示信噪比，单位是分贝(db)，纵坐标表示误码率。带符号
“●”
的实线代表scc-ftn-fso系统的误码性能；带符号
“■”
实线代表scc-ftn-fso系统。
[0050]
从图2中可以看出：与未编码ftn-fso系统性能相比，阶梯码的引入有效地降低了接收信号的误码率。在ber＝10-5
时，scc可以产生11.053db的增益。
[0051]
图3为不同湍流强度对系统误码性能的影响，其中横坐标表示信噪比，单位是分贝(db)，纵坐标表示误码率。带符号
“▼”
的实线代表弱湍流影响下scc-ftn-fso系统的误码性能；带符号
“■”
的实线代表中等湍流影响下scc-ftn-fso系统的误码性能；带符号
“●”
的实线代表强湍流影响下scc-ftn-fso系统的误码性能；带符号
“▼”
的虚线代表弱湍流影响下ftn-fso系统的误码性能；带符号
“■”
的虚线代表中等湍流影响下ftn-fso系统的误码性能；带符号
“●”
的虚线代表强湍流影响下ftn-fso系统的误码性能。
[0052]
由图3可见，1)无论ftn-fso系统有无编码，弱湍流下系统误码性能最好，中等湍流次之，强湍流系统性能最差。这是因为湍流强度越强，引入的噪声干扰越多。2)在任何湍流强度下，scc-ftn-fso系统的误码率性能都优于未编码的ftn-fso系统。当ber＝10-5
时，与未编码系统相比，中等湍流强度下阶梯码获得16.01db的性能增益。
[0053]
图4为为强湍流下不同接收孔径对scc-ftn-fso系统误码性能的影响，其中横坐标表示信噪比，单位是分贝(db)，纵坐标表示误码率。带符号
“▼”
的实线代表接收孔径为80mm影响下系统的误码性能；带符号
“■”
的实线代表接收孔径为60mm影响下系统的误码性能；带符号
“●”
的实线代表接收孔径为25mm影响下系统的误码性能；带符号
“◆”
的实线代表接收孔径为0mm(点接收)影响下系统的误码性能。
[0054]
由图4可见，对于scc-ftn-fso系统：1)接收孔径分别为25mm，60mm，80mm时误码率性能均优于点接收(0mm)情况下的误码性能，而且孔径越大，性能越好。2)在相同误码率下，系统所需的信噪比随接收孔径的增大而减小。在在ber＝10-5
时，相比于点接收，25mm，60mm和80mm所获得的性能增益分别为5.615db，7.674db和8.345db。
[0055]
图5为弱湍流下不同加速因子对scc-ftn-fso系统误码性能的影响，其中横坐标表示信噪比，单位是分贝(db)，纵坐标表示误码率。带符号
“■”
的实线代表加速因子τ＝1下系统的误码性能；带符号
“●”
的实线代表加速因子τ＝0.9下系统的误码性能；带符号
“▲”
的实线代表加速因子τ＝0.8下系统的误码性能。带符号
“▼”
的实线代表加速因子τ＝0.76下系统的误码性能；带符号
“◆”
的实线代表加速因子τ＝0.73下系统的误码性能；带符号的实线代表加速因子τ＝0.7下系统的误码性能；带符号的实线代表加速因子τ＝0.67下系统的误码性能；带符号的实线代表加速因子τ＝0.63下系统的误码性能；带符号的实线代表加速因子τ＝0.6下系统的误码性能。
[0056]
从图5中可以明显看出：对于scc-ftn-fso系统，误码率性能随着加速因子的减小而降低，当加速因子τ小于0.67时，这种现象更加明显，这是因为加速因子的减小会导致isi更加严重，从而导致系统性能严重损失。
[0057]
以上是本发明的具体实施方式和仿真验证。所属领域的技术人员对本发明关于现有技术的贡献部分可以通过软件或硬件来执行本发明实施例所述的方法。
[0058]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。