空间光通信衰落信道下交织方案的研究*

［苗涛涛］



空间光通信衰落信道下交织方案的研究*

［苗涛涛］

摘要

在空间光通信系统中，由于光强闪烁和大气衰减等因素的影响，很容易造成光通信系统产生长串的突发错误。研究了低密度奇偶校验(LDPC)编码结合信道交织的差错控制方案，提出了一种长交织方案。仿真分析了不同信道交织深度对空间光通信系统的性能影响，给出了特性曲线。误码率仿真表明，在弱湍流条件下，当误码率为 时，交织深度为2044ms的信道交织相比交织深度为256ms的信道交织，约有0.35dB的性能优势。故该长交织方案在空间光通信系统中将具有一定的应用价值。

关键词：空间光通信 低密度奇偶校验码 衰落信道 长交织

苗涛涛

重庆邮电大学光纤通信重点实验室，硕士，主要研究方向：空间光通信。

1 引言

无线光通信具有数据传输速率高、抗电磁干扰能力强，无需申请频谱、安全保密等诸多优点，目前已成为众多国家进行太空探测的关键技术[1]。然而大气衰减和大气湍流效应严重影响着空间光信道的稳定性，因此有必要在无线光通信系统中引入差错控制编码技术，它可以极大地改善地面无线光通信的误码性能。其中低密度奇偶校验码（LDPC）吞吐量大，错误平底小，可以较好满足无线光通信的码速率要求，非常适合作为高速传输系统的前向纠错（FEC）方案[2]。由于激光在大气湍流中传输会产生缓慢的深度衰落，很容易使系统产生长串的突发错误，仅靠各种纠错编码技术很难实现可靠地通信，因此有必要引入信道交织技术，采用纠错编码和信道交织相结合的方法，可以更好地提高无线光通信的性能。国内外对此也展开了相关研究，文献[3]将LDPC码与信道交织技术相结合应用于光无线信道中的数字视频传输系统，分析了系统允许时延与交织深度的关系。文献[4]将Turbo乘积码结合分组交织技术应用于大气激光通信中，给出了在不同湍流条件下，误码性能都获得了明显改善。文献[5]研究了RS码结合信道交织技术能有效纠正无线光通信中的突发错误。文献[6]研究了LDPC结合信道交织的差错控制方案，以交织距离作为适应度函数，提出了一种基于遗传算法的交织器设计方案。然而，在大气激光链路模型的构建过程中，多数提到的交织技术的交织深度都是一种短交织方式。一般而言，交织深度越大系统的抗突发错误能力越强，但

随着交织深度的增大，系统的时延和存储容量也会相应增大。目前星地光通信技术的应用，主要体现在太空探测等方面，即把从太空采集到的图片等资料信息，传输到地面上的接收端。因此不同于无线通信系统中常见的视频、语音等通信过程，空间光通信对于由交织深度的增大导致的系统时延在一定范围内是可以接受的，此外现代存储技术也得到了快速发展。因此本文将LDPC编码与交织技术相结合应用于空间光通信系统中，提出了一种长交织方案，仿真分析了不同交织深度对系统误码率的影响。

2 系统建模

2.1弱湍流信道模型

在无线光通信系统中，发射出去的激光信号将通过近地大气层进行传输，在传输过程中主要受到大气衰减和大气湍流两方面的影响，大气衰减主要是由大气气体分子和大气气溶胶粒子的散射、吸收造成的光强减弱，大气湍流效应则是由于大气的湍流运动状态使大气折射率随机起伏，从而造成光束到达角起伏、光斑闪烁、漂移及光能损失。相对大气衰减，湍流对信号的影响更具随机性。因此，在分析无线光通信的大气信道模型时，主要要考虑湍流效应所带来的影响。由于本文所考虑的是近地大气信道，因此可以将这种湍流强度看成一种弱湍流强度，这里仅考虑弱湍流对无线光通信系统的影响。

弱湍流信道下，根据Rytov提出的弱湍流下的闪烁光强服从对数正态分布，由文献[7]概率密度函数：

系统采用雪崩光电二极管（APD）作为探测器，并且接收机具有不可忽略的热噪声。APD接收机精确的信道模型为Webb-Gaussian模型，由于其精确的信道模型特别复杂，本文用非对称高斯模型来进一步简化APD接收机输出的噪声模型。非对称高斯信道模型下发送码元“1”，“0”信号的均值和方差可以表示为：

上式中，G 为APD的雪崩增益，e 为电子电荷，F=keffG+(2− 1/ G )(1−keff)为过剩噪声因子，keff是电离率，是热噪声的方差,Ks( I )为信号光光子计数，Kb为背景光光子计数。其中：

η为量子效率，h 为普朗克常数，ν为光频率，Pb为背景光光功率，Tb为码元周期，Pr( I )为信号光光功率。选择最佳判决门限IM/DD光通信系统的OOK误码率为：

根据光强闪烁的对数高斯模型，则光强闪烁下的OOK无线光通信系统的平均误码率为：

根据式(3),可以将系统的平均误码率式改写成以信号光子计数表示的误码形式：

LDPC编码结合信道交织的大气激光通信系统框图如图1所示：

图1 基于LDPC编码与信道交织的大气激光通信系统框图

信源产生的信息序列经LDPC编码后进行交织，将交织后的序列再经信号调制器调制，最后将光信号通过大气湍流信道传输；在接收端将接收到的光信号由光电探测器完成光电转换，进而实现解调、解交织和译码。

2.2 矩阵交织

交织就是通过一定的规律将码流顺序打乱后再设法输出原序列的过程。本文采用的交织方法是矩阵交织，即块交织。其工作原理如图2所示：

图2 矩阵交织原理示意图

假设经过LDPC编码后的信息序列，码长为n ，交织宽度为m ，则交织深度D= m.n 。将每D个信息码元按行写入m.n 矩阵，再按列读出，完成交织。交织后的信息序列经过衰落信道传输，若发生突发错误（即连续性错误），在接收端解交织后，能够将突发错误分散成随机错误，有利于纠错码进行纠错，从而可以提高整个系统的误码性能。

3 仿真分析

为了具体验证空间光通信系统中不同衰落情况下，不同交织深度对系统误码率的影响，本文进行了仿真分析。本文选取的LDPC的码长是2044，码率为1/2，LDPC的译码方法选用的是置信传播（BP）译码算法，最大迭代次数是10次。在模拟星地激光在大气湍流下的传输过程时选取参数如下：天顶角ξ=70。，大气湍流外尺度LD=100 m ，上下行链路的光波波长均为λ=0.6µ m 。下图3给出了LDPC编码结合信道交织的无线光通信系统在不同湍流强度及不同信噪比（SNR）下的误比特率仿真曲线。

图3 不同交织深度下的无线光通信误码率

由图3可以看出，在大气激光通信衰落信道条件下，采用LDPC编码结合信道交织的差错控制方案与仅采用LDPC编码的差错控制方案相比具有明显地性能优势。随着交织深度的不断提高，可以看出系统的误码性能也在不断提升，在时，当误码率为10-5时，交织深度为2044ms的信道交织，与交织深度为256ms的信道交织相比，约有0.35dB的性能优势。但是当交织深度达到2044ms的时候，可以发现继续增加交织深度，系统误码性能已不会继续提升，这是因为当交织深度达到2044ms时，交织已将编码后的信息序列打乱的足够深，已完全达到将衰落信道中的突发错误分散成随机错误的目的。此外，上述两图横向比较可以发现，在湍流强度较大即信道衰落较深时，交织技术对无线光通信系统误码性能的提升更为明显。

4 小结

本文结合LDPC编码，针对空间光通信系统中的衰落信道，提出了一种长交织方案。通过比较不同交织深度在不同信道衰落条件下的误码性能，表明本文所提出的长交织方案相比交织深度较短时的交织方法具有一定的性能优势。此外通过弱湍流条件下的仿真也可以看出，在信道衰落较深时，本文所提出的长交织方法相对未交织时的无线光通信系统，性能改善得更为明显。因此该长交织方案在大气激光通信领域抗信道突发错误方面，将具有一定的应用前景。

参考文献

1马东堂，魏急波，庄钊文，“大气激光通信中的多光束传输性能分析和信道建模”[J].光学学报，2004,24（8）：1020-1024

2袁东风，张海刚，LDPC码理论与应用[M].北京：人民邮电出版社，2008. 1-15

3N. Cvijetic, S. G. Wilson, and R. Zarubica, "Performance evaluation of a novel converged architecture for digitalvideo transmission over optical wireless channels." [J]. J. Lightwave.Technol.,2007,25(11):3366-3373

4aoqiang Han, Anhong Dang et al.," Theoretical and experimental studies of Turbo product code with time diversity in free space optical communication."[J].Opt.

Express,2010,18(26):20978-20988

5姜晓峰,赵尚弘,李勇军等."星地光通RS 码设计及性能研究" [J].半导体光电, 2011(3):401-404

6周建国,郝士琦,刘加林等."大气激光通信中基于遗传算法的交织器设计" [J]. 中国激光，2013,40(6):0605004

7陈丹,柯熙政.“基于LDPC码的无线光通信副载波误码性能分析”[J].激光技术，2011,35(3):388-390

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）

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61571072)。