一种LDPC码的块交织快速构造方法与流程

一种ldpc码的块交织快速构造方法
技术领域
1.本发明涉及一种ldpc码的块交织快速构造方法，属于低速星地激光通信系统技术领域。


背景技术：

2.近年来，由于激光具有相干性好、亮度高和光功率集中等特点，卫星光通信技术受到许多国家的重视，在无线通信领域引起了广泛的关注。与卫星微波通信相比，卫星光通信同时具有信息容量大、无电磁干扰、收发装置体积小、操作简便的优点具有很强的便捷性、保密性和抗干扰性，适用于高速率的自由空间数据传输。然而，随着卫星激光通信技术的成熟和发展，低速数据传输的需求也日益显现。
3.对于卫星激光通信系统来说，由于大气湍流、指向误差、卫星振动等环境因素引起的光波动会导致系统性能的恶化，因此在信道中进行传输的光信号对信道环境的变化十分敏感。由于卫星激光通信系统传输的高速信息时隙远小于光信道变化时长，光信道中的信号衰落会导致接收信号比特产生大量的随机错误和连续突发错误，降低系统通信性能。为了缓解各种环境因素对系统性能造成的恶劣影响，对传输信息进行信道纠错编码是常用的方法之一。随着激光链路瞄准捕获跟踪技术的发展和成熟，针对卫星激光通信系统的信道纠错编码技术成为研究热点，进一步提高系统对大气湍流和指向误差等环境因素导致通信性能恶化的抵抗能力。
4.早期的卫星激光通信实验没有使用有效的信道纠错编码，因此由各种环境因素导致系统通信性能不稳定。例如，1988年 frederic m. davidson等做了采用卷积码的无线激光通信系统分析，卷积码在对抗突发差错时，纠错能力很有限。近年来，针对卫星光通信中信道纠错编码技术逐渐成为主要研究方向，主要集中在各种编码在性能的理论研究及分析方面。国内外有研究人员提出用卷积码作为内码的级联编码方案，以及将不同信道纠错编码应用在自由空间光通信系统中的设想，运用仿真分析的方法，使系统性能有了一定得改善；在此基础上，进一步研究了将信道纠错编码与ofdm等其它通信技术相结合的系统。研究结果表明信道纠错编码及其结合不同形式的技术均对系统有良好的性能改善。这些研究结果证明了针对卫星激光通信系统设计和构建信道纠错编码技术的必要性和有效性。
5.对于星地激光通信链路，信道主要由大气湍流影响，导致接收信号质量降低。假设大气湍流信道参数服从gamma-gamma分布的随机变量，其概率密度函数为：其中，为gamma函数，是以为级数的第二类修正贝塞尔函数，和分别是大气湍流环境下小尺度和大尺度湍流参数。大气湍流功率谱与风速波动、温度波动和折射率波动有关，它可以视为接收信号中每种频率的概率函数。大气湍流的瞬时
功率谱可写为其中，为大气结构参数，为地表风速，为光学损耗，为接收孔径直径，为第一类贝塞尔函数，为空间频率向量，为接收频率分量，为最小涡流的空间频率，为最大涡流的空间频率，和分别为大气湍流内外尺寸。假设星地通信系统中卫星的高度和地面站是固定的，因此瞬时功率谱是风速和接收孔径直径的函数。产生随机时变信号的功率谱密度可计算为其中，j为虚数单位，是[0， 2π] 的随机相位。通过快速傅里叶逆变换可得时变信号为可以看出孔径直径越小、风速越高，波动频率越大。在接收端，接收信号响应于受衰落影响的衰减ldpc编码数据。
[0006]
ldpc码是满足以下条件的一致校验矩阵h的零化空间：(1) 每一行有ρ个1；(2) 每一列有γ个1；(3)任意两列之间位置相同的1的个数λ=1或λ=0；(4)与码长n和矩阵h的行数相比，ρ和γ都是很小的数。
[0007]
其中，ρ是ldpc码校验矩阵的行向量重量，γ是列向量重量，并且矩阵h中1的密度非常小。因此，矩阵h也称为低密度奇偶校验矩阵，由矩阵h确定的码称为ldpc码。
[0008]
由上可以看出，大气湍流造成的加性噪声和突发连续错误会使光信号质量严重恶化，甚至会导致信号的完全丢失、不能获得译码。因此，需要采用信道纠错编码与交织技术相结合的方式来抵抗大气湍流和突发连续误码对通信性能的影响。在星地激光通信系统中，由大气湍流引起的传输路径阻碍和衰落是产生突发连续错误的主要原因。这种突发连续错误的主要问题是，随着连续错误比特的增加，即使通过ldpc编码也不能回复错误信息。ldpc码在抵抗加性白高斯噪声(awgn)方面有很好的性能。然而，小尺寸的ldpc无法克服长串的突发错误，而大尺寸的ldpc会大大增加处理时间。


技术实现要素：

[0009]
本发明的目的是提供一种ldpc码的块交织快速构造方法，块交织方法来应对低速星地激光通信中的突发连续错误问题。块交织使用多个小尺寸的ldpc码块进行组合。数据码块不是按常规顺序发送的，而是按列顺序间歇地发送交错块的位。因此，如果发生突发错
误，错误不是集中在一个码块，而是分散在许多lpdc码块，在低速星地激光通信系统中具有最优可靠性和时效性。
[0010]
上述的目的通过以下的技术方案实现：一种ldpc码的块交织快速构造方法，该方法包括如下步骤：步骤1、根据ldpc码长、码率，设计度分布并选择扩展因子，p是整数，步骤2、设计的基矩阵，其结构为，其中是的单位阵，是一个维、每列有个非零元素的二元矩阵，基矩阵的右半部分用随机填充法优化生成；步骤3、将随机填充法优化完成后的基矩阵中的每个0元素扩展成的零矩阵，基矩阵左半部分1元素扩展成为的双下对角线矩阵；基矩阵右半部分的1元素扩展成为子矩阵，其中子矩阵是矩阵，表示第行第列元素为1，其余为0，，是galois域gf(2
p
)的本原元，其对应值为；步骤4、如果基矩阵右半部分中所有的列块都已经填充完毕，则算法结束，确定了基矩阵从而确定ldpc码；如果基矩阵右半部分没有填充完毕且所有的行都不满足步骤5的要求，则转到第9步；否则随机选择满足步骤5要求的行；步骤5、给定任意正偶数g，如果基矩阵所有非零元素都满足：对任何个元素，有，，，其中表示子矩阵中第行中的非零元素，则插入子矩阵，否则转到步骤6；步骤6、如果基矩阵右半部分的所有子矩阵都不满足步骤5的要求，则转到步骤4，否则重新选择一个子矩阵；步骤7、如果基矩阵右半部分没有子矩阵插入，则转到步骤5；如果对应位置中已经有子矩阵插入，则与以前插入的子矩阵做比较，如果有重叠，转到步骤6；
步骤8、如果这列的元素都已经插入，则插下一列，再转到步骤4，否则直接转到步骤4；步骤9、删除前一个插入的子矩阵，转到步骤4有益效果：本发明构造算法相比基矩阵扩展法构造的ldpc码的校验矩阵的非零元素分布更随机，主要是由于子矩阵可以叠加，其存在大的最小hamming距离的概率更大。
附图说明
[0011]
图1是卫星激光通信系统信道环境示意图；图2是背景技术中所述ldpc编码与交织技术结合方案；图3是不同信道纠错编码的误码率比较曲线；图4是本发明的算法的流程图。
具体实施方式
[0012]
本实施例的ldpc码的块交织快速构造方法，该方法包括如下步骤：步骤1、根据ldpc码长、码率，设计度分布并选择扩展因子，p是整数，步骤2、设计的基矩阵，其结构为，其中是的单位阵，是一个维、每列有个非零元素的二元矩阵（只包含0和 1元素），基矩阵的右半部分用随机填充法优化生成；步骤3、将随机填充法优化完成后的基矩阵中的每个0元素扩展成的零矩阵，基矩阵左半部分1元素扩展成为的双下对角线矩阵；基矩阵右半部分的1元素扩展成为子矩阵，其中子矩阵是矩阵，表示第行第列元素为1，其余为0，，是galois域gf(2
p
)的本原元，其对应值为；步骤4、如果基矩阵右半部分中所有的列块都已经填充完毕，则算法结束，确定了基矩阵从而确定ldpc码；如果基矩阵右半部分没有填充完毕且所有的行都不满足步骤5的要求，则转到第9步；否则随机选择满足步骤5要求的行；步骤5、给定任意正偶数g，如果基矩阵所有非零元素都满足：对任何个元素，有
，，，其中表示子矩阵中第行中的非零元素，则插入子矩阵，否则转到步骤6；步骤6、如果基矩阵右半部分的所有子矩阵都不满足步骤5的要求，则转到步骤4，否则重新选择一个子矩阵；步骤7、如果基矩阵右半部分没有子矩阵插入，则转到步骤5；如果对应位置中已经有子矩阵插入，则与以前插入的子矩阵做比较，如果有重叠，转到步骤6；步骤8、如果这列的元素都已经插入，则插下一列，再转到步骤4，否则直接转到步骤4；步骤9、删除前一个插入的子矩阵，转到步骤4。
[0013]
根据上述算法设计了码长为16352、码率为1/2、变量节点和校验节点的度分布分别为，的ldpc码。采用冲击脉冲法估计其最小距离得到最小hamming距离为66，相较未进行交织构造算法的码改善了最小距离特性。本发明通过实验证明了在误码率为10-4
的条件下，使用ldpc 648和350块交织技术的卫星光通信系统比只用ldpc码的系统具有5db增益，同时指出块交织技术会降低系统计算时间；本发明通过实验该方案与比较不同编码方式和交织深度对系统性能的影响，设置环境参数如下：信号调制方式为ook，传输数据速率为2 gbps，载波激光波长为1550nm，地表风速为20 m/s，每秒发送的比特数为1
×
10
8 bits，卫星高度为200 km，大气结构参数为1.5
×
10-14 m-2/3
，大气湍流内外尺寸分别为5 mm和1.5 m，孔径直径为30cm。不同信道纠错编码的码参数如表1所示。
[0014]
不同湍流尺寸和风速会影响大气湍流的结构参数，会直接影响系统性能。假设大
气湍流是产生突发错误的主要因素，snr定义为信号功率与高斯加性白噪声（awgn）功率的比值。图3展示了上述星地激光通信链路的环境参数的ldpc码、turbo码以及分别结合交织码得到的误码性能实验图，并与未编码条件的系统误码率曲线形成比较。可以看出，虽然一般在无衰落信道环境中ldpc码和turbo码可以明显改善性能，然而，当在大气湍流导致的衰落信道中，ldpc码和turbo码对误码性能的改善并不明显。这是由于大气湍流导致光信号强度的随机波动，使接收端产生突发连续错误，降低系统误码性能。此外，对于误码率为5.6
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10-2
的未编码星地激光通信系统，可以看出将ldpc码与交织码结合之后，可以使误码率由1.7
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10-2
降低至3.0
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10-6
。在系统数据速率为2 gbps、要求误码率为10-6
时，ldpc码结合交织码相对未编码系统有3 db的等效编码增益。图3比较了块交织ldpc码与纯ldpc码的性能。结果表明，纯ldpc的性能改善并不大，这是由于连续突发错误比特超出了ldpc 648的纠错能力。因此纯ldpc编码不适合用于星地激光通信系统，而ldpc 648的块交织更有效，且系统性能随着交织块的数量增加而提高。
[0015]
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。