基于多元LDPC码的Ka频段卫星通信抗雨衰技术研究*

梁东坡 郑润高

(海军蚌埠士官学校 蚌埠 233012)

基于多元LDPC码的Ka频段卫星通信抗雨衰技术研究*

梁东坡 郑润高

(海军蚌埠士官学校 蚌埠 233012)

Ka频段卫星通信因其具有可提供的带宽大、通信容量大、波束窄、终端尺小、轨道平面内可容纳的卫星多和抗干扰能力强等优势成为宽带卫星通信的理想选择。但Ka频段卫星通信受降雨因素的影响比较严重。论文提出一种基于多元LDPC码的自适应编码技术,能够有效减小雨衰影响。

Ka频段; 雨衰; 多元LDPC码; 自适应编码技术

1 引言

随着宽带卫星通信的快速发展,传统的C频段、Ku频段已不能满足日益增长的通信需求。因此,可用带宽大、抗干扰能力强的Ka频段成为卫星通信领域广泛使用的频段。但是,Ka频段卫星通信面临的一个挑战是雨衰对其产生的巨大影响。为了保证卫星通信中信号传输的可靠性,提高链路的可用度,需要釆用自适应技术来抵抗雨衰带来的影响。LDPC码是一类性能优异的好码,和Turbo码一样,译码性能可以很好地逼近Shannon限[1]。多元LDPC码的长码性能超过了Turbo码长码,并且具有译码复杂度低、能够并行译码及译码错误可检测等特点[2],成为卫星或深空通信中信道编码的研究热点。

2 自适应编码调制方案

基于多元LDPC码的自适应编码调制系统框图如图1所示。

图1 自适应编码调制方案系统框图

系统中,首先发送信息经过多元LDPC编码后调制送入传输信道,经过信道传输后进行解调和多元LDPC译码得到接受信息。在接收端,接收信号一部分送入到信噪比估计模块,信噪比估计模块对当前信道进行评估,通过信噪比评估模块控制发送端和接收端的自适应传输控制模块,调节多元LDPC码的编码和译码，使信号能够在雨衰信道中传输。

3 多元LDPC码的构造

相较于二元LDPC(BLDPC)码,多元LDPC(QLDPC码)可以获得更加优异的差错控制性能,但是QLDPC码的编译码器的复杂度比较高[3],为了减小复杂度,本文中采用将非规则重复累积(Irregular Repeat-Accumulate,IRA)码{4}的结构扩展到高阶有限域GF(q)上,构造出一类多元IRA(QIRA)码。RA码是在Turbo码和LDPC的基础上提出的一种信道编码,RA码可以视为一类Turbo码,也可视为一类LDPC码,它综合了Turbo码和LDPC码的优点,不仅具有Turbo编码的简单性,同时也具有LDPC的译码特性,实现了线性时间编码和并行译码[5]。QIRA码就是一类QLDPC码。IRA码的编码框图如图2所示。

图2 IRA码编码器原理框图

在IRA码的基础上,将其扩展到多元，即可到QIRA码[6],QIRA码编码原理框图如图3所示。

图3 QIRA码编码器原理框图

编码流程如下：

重复器对信息符号序列u中的每一个符号进行重复,得到长度为rN的符号序列：v=(u1,…,u1,u2,…,uz,…,uN,…,uN),其中信息序列的重复次数为ri；符号交织器对v进行交织,得到：v=v1,v2,…,vrN；GF(q)加权器1对符号序列进行逐个加权,也就是v′中各符号一次同加权系数序列中各项进行GF(q)乘法运算,输出符号序列v″,加权系数序列为：β=(β1,1,…,β1,a1，β2,1,…,β2,a2,βM,1,…,βM,a1)；合并器对v″中各符号按合并系数a1,a2,a3,…,aM一次进行合并,得到长为M的符号序列w=(ω1,ω2,…,ωM)；符号序列w进入累加器,假如GF(q)加权器2的加权系数序列为(γ1,γ2,…,γM-1),则累加器的输出就是校验符号序列p=(ρ1,ρ2,…,ρM),其中p1=ω1,ρi=γi-1ρi-1⊕ωi,2≤i≤M；复用器将信息符号序列u和校验符号序列p复用,形成编码器的最终输出编码：c=u1,u2,…,uK,ρ1,ρ2,…,ρM。

4 多元LDPC码的译码算法

译码算法关系到多元LDPC码的纠错能力,好的译码算法使得相同的多元LDPC码拥有更好的译码性能,译码算法的复杂度又直接关系到工程实施的可行性。通过比较目标驱使型合并的译码算法、基于向量误差修正模型的译码算法和多元LDPC码的译码动态调度算法三种非二进制LDPC码的高效译码算法,本文采用EMS译码算法,EMS译码算法是在LLRBP、最小和(MS)译码算法的基础上改进得到的,在校验节点信息更新时,EMS算法通过取近似最大值、用有限数目的输入信息值来近似表示输出的可靠性测量,极大地降低了译码复杂度,便于硬件实现。但EMS算法中对可靠性测量的过高估计,将导致译码性能下降。对此,通过选择合理的纠正因子,来补偿过高估计,从而保证了该EMS算法有良好的译码性能[9]。译码具体步骤如下：

1) 初始化

Vpv=0

其中Vpv表示度为dv变量节点的输入信息，y为接收信号，si为调制星座图上的点。

2) 更新变量节点,设变量节点度是dv

3) 更新校验节点,设变量节点度是dc

4) 后处理

Uvp[k]=Uvp[k]-Uvp[0],

Ucp[k]=Ucp[k]-Ucp[0],k∈{0,…,q-1}后处理是为了确保EMS算法具有收敛的特性。

5) 判决译码

选择Lpost中最大的一个,根据L(v)=[L(v=a0),…,L(v=aq-1)]得到码元的判决结果。如果码字序列X满足X·HT=0,或者迭代次数达到最大设定次数,则停止迭代,并输出码字X；否则跳到步骤2),继续迭代过程。

5 仿真结果及性能分析

图4是在ITU-R雨衰模型[4]下,采用QPSK调制方式,码率为1/2,采用EMS算法进行译码,不同编码域GF(4)、GF(16)、GF(32)上QIRA码的误码率曲线,最大迭代次数均为20次。从图中可以看出,在加有雨衰模型信道下,误码率为10-5时,GF(32)上的RA码优于GF(16)码约0.5dB,优于GF(4)RA码约2dB。

6 结语

通过以上仿真结果可以得出,多元LDPC码同样的信道下,同样的误码率,随着码域的不同,优越性是不同的,因此根据信噪比估计反馈,系统调整收、发两端的多元LDPC码编码方式编码长度,可以在一定程度上对抗雨衰。

图4 ITU-R雨衰模型下不同码域的QIRA码性能比较

[1] MacKayD J C.Good Error-Correcting Codes based on Very Sparse Matrices[J]. IEEE Trans.On Inform.Theory,1999,45(3): 399-431.

[2] 于清苹.多元重复累计码的研究与设计[D].成都:电子科技大学,2010.

[3] 赵翌竹.多元LDPC码高效译码算法研究[D].北京:北京交通大学,2014.

[4] Harris R A. Radio wave Propagation Modeling for SatCom Services at Ku-Band and Above[M]. ESA Publications Division.2002.

Rain Attention and Fade Countermeasures Based on Q-ary LDPC Codes in Ka-band Satellite Communication

LIANG Dongpo ZHENG Rungao

(Bengbu Navy Petty Officer Academy, Bengbu 233012)

Ka-band satellite communication system, therefore, for all its advantages, such as an offer of a large bandwidth,a huge capacity of communications,a narrow wave beam, a reasonably small terminal size a possible capacity for more satellites on the orbit plane and excellent anti-interference performance,will be an inexorable trend in the future satellite communication.However,the influence of rain attenuation in Ka-band satallite communication system is extremely serious.In this paper,the adaptive coding and modulation technology based on Q-ary LDPC codes is put forward to reduce rain attention.

Ka-band, rain attention, Q-ary LDPC codes, adaptive coding technology

TN927

2016年9月8日,

2016年10月22日

梁东坡,男,硕士,讲师,研究方向:卫星通信。郑润高,男,硕士,讲师,研究方向:卫星通信。

TN927

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.015