肖創(chuàng)創(chuàng)，郭榮海，李際平，吳團(tuán)鋒，黃 堯，李洪勝

(1.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京 210007;2.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210007)

1 引言

我國(guó)地質(zhì)、氣象等嚴(yán)重自然災(zāi)害頻發(fā)，給國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。此時(shí)，迫切需要一種能夠快速機(jī)動(dòng)、遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)地進(jìn)行信息傳輸?shù)臋C(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)。直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)(Helicopter Satellite Communication System，HSCS)具有實(shí)時(shí)快速、機(jī)動(dòng)靈活、不受地理?xiàng)l件限制等特點(diǎn)，且不需要地面中繼站和中繼車，就可通過(guò)靜止軌道的通信衛(wèi)星將直升機(jī)拍攝到的高質(zhì)量的電視信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嫔希诰葹?zāi)中作為空中救援平臺(tái)得到了大量應(yīng)用。

Turbo碼一般采用刪余處理提高碼率［1］，好的刪余方案在提高碼率的同時(shí)又能夠減小碼字性能的損失。Turbo碼的各個(gè)部分組成一個(gè)有機(jī)的整體，文獻(xiàn)［2］提出一種結(jié)合刪余方案和交織器的綜合設(shè)計(jì)方案，該方案在刪余條件下獲得了優(yōu)異的譯碼性能。

文獻(xiàn)［3］詳細(xì)分析了直升機(jī)與衛(wèi)星通信過(guò)程中直升機(jī)旋翼對(duì)信號(hào)的遮擋規(guī)律，并提出一種結(jié)合Turbo碼不等保護(hù)特性改善旋翼遮擋下的碼字性能的方案。文獻(xiàn)［4，5］中都采用了分集接收或組幀重發(fā)策略來(lái)有效抵抗旋翼遮擋，但信道利用率普遍不高。

為了更好地解決直升機(jī)旋翼對(duì)信號(hào)造成的遮擋問(wèn)題，本文在詳細(xì)研究刪余Turbo碼(Punctured Turbo Code，PTC)的相關(guān)技術(shù)之后提出了設(shè)計(jì)優(yōu)異的刪余矩陣的3個(gè)準(zhǔn)則，并分析比較了利用外交織器分散遮擋碼片之后的碼字和刪余Turbo碼的相似性。然后，通過(guò)對(duì)Turbo編譯碼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，更加方便地實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的外交織器的設(shè)計(jì)。改進(jìn)的外交織器的引入，有效地分散了成片遮擋，而且能夠滿足設(shè)計(jì)優(yōu)異的刪余Turbo的全部要求。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案能夠有效抵抗HSCS中旋翼遮擋帶來(lái)的干擾。

2 系統(tǒng)模型

Turbo碼結(jié)合外交織器抵抗旋翼遮擋的通信系統(tǒng)框圖如圖1所示。由圖可知，為了抵抗遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膿p耗，直升機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)首先采用1/3碼率Turbo碼進(jìn)行編碼，在編碼之后級(jí)聯(lián)了一個(gè)交織器來(lái)抵抗旋翼遮擋，本文為了區(qū)別于編碼器內(nèi)部的交織器，這里稱之為外交織器。

圖1 系統(tǒng)工作方框圖Fig.1 The system block diagram

由于受直升機(jī)安裝條件限制，收發(fā)天線一般只能安裝在直升機(jī)旋翼下方。因此，它存在一個(gè)旋翼遮擋問(wèn)題，即直升機(jī)與衛(wèi)星進(jìn)行通信時(shí)，直升機(jī)槳葉會(huì)對(duì)電磁波信號(hào)造成阻擋，引起通信信號(hào)的中斷。尤其是在地面站向機(jī)載站發(fā)送信息時(shí)，無(wú)法預(yù)知機(jī)載站的天線遮擋情況，如圖2所示。

圖2 旋翼遮擋示意圖Fig.2 The rotor shield diagram

在實(shí)際通信過(guò)程中，旋翼掃過(guò)天線的頻率約為15～20次/秒，由于信息傳輸速率和碼字長(zhǎng)度的不同，每次會(huì)遮擋掉碼字的1/10～1/6，對(duì)文獻(xiàn)［3］的遮擋模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化，公式(1)給出了本文使用的旋翼遮擋數(shù)學(xué)模型:

其中，A=(cm，cm+1，…，cm+?δ×l」，l表示 Turbo 碼一個(gè)碼字序列的長(zhǎng)度，δ為遮擋比例，δ×l為整個(gè)碼字序列中被遮擋比特的總個(gè)數(shù)，m為該碼字被遮擋的隨機(jī)起始位置，取值范圍0～(l－δ×l)，cm表示遮擋的起始位置的碼字比特。仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)，隨機(jī)遮擋一段位置是通過(guò)對(duì)被遮擋的碼字的調(diào)制符號(hào)位置乘以上式來(lái)實(shí)現(xiàn)，改變?chǔ)娜≈悼梢哉{(diào)整遮擋占空比。采用BPSK調(diào)制時(shí)，則發(fā)送碼字c'k與接收符號(hào)rk之間的關(guān)系為

式中，nk是均值為0、方差為σ2的高斯噪聲采樣。

由文獻(xiàn)［3］可知，旋翼遮擋級(jí)聯(lián)AWGN信道相當(dāng)于具有突發(fā)錯(cuò)誤的信道，而且突發(fā)錯(cuò)誤是周期性持續(xù)地產(chǎn)生。常規(guī)Turbo碼自身編譯碼結(jié)構(gòu)中的交織器對(duì)于此類不斷周期性出現(xiàn)的突發(fā)錯(cuò)誤基本上沒(méi)有任何效果;一般的信道交織器雖然是將多個(gè)碼字交織打亂，能夠?qū)⒄趽醮a片分散開，但它并不能很好地解決這一周期性出現(xiàn)的突發(fā)錯(cuò)誤，而且交織的深度越大，信道交織帶來(lái)的系統(tǒng)時(shí)延也就越大。

本文在發(fā)送碼字序列之前采用一種針對(duì)單個(gè)碼字處理的外交織器，它對(duì)編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行交織，使碼字序列打亂，將突發(fā)錯(cuò)誤隨機(jī)化。接收端對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解交織，將突發(fā)錯(cuò)誤變?yōu)殡S機(jī)錯(cuò)誤，有助于更好地發(fā)揮FEC(Forward Error Correction)的優(yōu)勢(shì)，提高傳輸系統(tǒng)可靠性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作在旋翼遮擋環(huán)境下時(shí)，遮擋刪除與刪余Turbo碼中刪余矩陣的設(shè)計(jì)考慮相一致。將直升機(jī)旋翼遮擋與刪余Turbo碼相聯(lián)系，通過(guò)改進(jìn)Turbo碼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出與之匹配的交織器。

3.1 改進(jìn)的Turbo碼結(jié)構(gòu)

為便于與下面設(shè)計(jì)的交織器匹配，在基本不改變編譯碼復(fù)雜度的情況下，對(duì)Turbo碼編碼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在第二分量編碼器后級(jí)聯(lián)一個(gè)解交織器，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的Turbo碼編碼結(jié)構(gòu)Fig.3 Improved Turbo codes coding structure

設(shè)長(zhǎng)為N的信息序列經(jīng)過(guò)碼率為1/3的Turbo編碼器后，碼字C包含3個(gè)序列，即系統(tǒng)信息序列、分量編碼器1對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)序列和分量編碼器2輸出后經(jīng)解交織后的校驗(yàn)序列:

通常，碼字序列C表示為

通過(guò)在第二個(gè)分量碼后級(jí)聯(lián)一個(gè)解交織器，使得輸出序列Y'2也具有和輸入信息序列X相同的比特順序，保證(x(1)y1(1)y'2(1))是直接相關(guān)的。經(jīng)過(guò)這樣處理，簡(jiǎn)化了碼字分析，為下一步外交織器的設(shè)計(jì)帶來(lái)方便。

為了保證譯碼的正確性，分量譯碼器2在輸入校驗(yàn)位之前還需要經(jīng)過(guò)一次交織處理，這里不再給出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖。當(dāng)Turbo碼編譯碼作為一個(gè)整體分析時(shí)，該處理方法不會(huì)造成任何的性能損失。

3.2 外交織器設(shè)計(jì)

刪余Turbo碼由于碼字中信息位或者校驗(yàn)位被部分刪除，碼字性能往往都會(huì)有所下降。好的刪余矩陣能夠使碼字的性能在刪余前后變化不大，在刪余時(shí)往往需要遵循一定的規(guī)則:

(1)每個(gè)輸入的信息比特對(duì)應(yīng)的3個(gè)編碼比特(1個(gè)信息位和2個(gè)校驗(yàn)位)應(yīng)盡可能地保證最多只有一個(gè)比特位被刪除;

(2)刪余矩陣要保證整個(gè)刪余過(guò)程盡可能地均勻化，而且相鄰和相近的編碼比特被刪除的信息位或校驗(yàn)位位置不同。

仔細(xì)比較刪余和遮擋這兩種情況我們不難發(fā)現(xiàn)，它們最大的不同在于PTC刪除掉的比特信息位置是確切已知的，而遮擋造成的信息缺失卻是不可預(yù)知的。雖然如此，但就像刪余矩陣在滿足一定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時(shí)能夠克服部分信息缺失一樣，如果我們能夠設(shè)計(jì)出足夠好的外交織器，使得在遮擋位置不定的情況下，被分散開的遮擋位置也能夠滿足這些刪余準(zhǔn)則，這樣就不必考慮遮擋位置的未知性，碼字仍能夠獲得較大的性能改善。因此，我們可以采用對(duì)PTC的優(yōu)化設(shè)計(jì)辦法來(lái)分析和解決旋翼遮擋問(wèn)題。

將編碼輸出數(shù)據(jù)按式(7)分成奇數(shù)組B1和偶數(shù)組B2，其中k為奇數(shù)，k'為偶數(shù)。B1和B2兩組數(shù)據(jù)內(nèi)每一行按照前三列的模式進(jìn)行擴(kuò)展 ，最后B1和B1按行輸出并串行連接起來(lái)組成交織后的輸出序列D，如式(8)所示:

在根據(jù)交織器的定義式，所設(shè)計(jì)改進(jìn)的外交織器稱為I，它可以看成從集合C到集合D的一個(gè)映射過(guò)程，即

當(dāng)遮擋比例小于1/6時(shí)，所設(shè)計(jì)的交織器I可以滿足:

(1)每個(gè)比特組中最多只有1位被刪除，即(x(k)，y1(k)，y'2(k))中最多1 位被刪除;

(2)前后相鄰比特組保留，即如果(x(k)，y1(k)，y'2(k))中有1 比特被刪除，則(x(k－1)，y1(k－1)，y'2(k－1))和(x(k+1)，y1(k+1)，y'2(k+1))中的比特信息均不被刪除;

(3)遮擋部分任意連續(xù)3個(gè)比特中包含1個(gè)信息位、1個(gè)第一校驗(yàn)位和1個(gè)第二校驗(yàn)位。

因此，所設(shè)計(jì)的交織器滿足刪余Turbo碼的刪余規(guī)則，使得信號(hào)經(jīng)過(guò)遮擋后可以被最大可能地恢復(fù)。

4 性能仿真

下面對(duì)不同碼長(zhǎng)、不同遮擋比例下，未采用外交織器與采用外交織器時(shí)的系統(tǒng)性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真比較。系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)定Table 1 Simulation parameters

圖4和圖5分別給出了不同遮擋比例、不同外交織長(zhǎng)度條件下的4種外交織器BER性能比較曲線，由圖可以看出，未采用外交器的BER隨信噪比變化很小而且一直保持在10－2這個(gè)數(shù)量級(jí)，使得碼字不能有效地抵抗旋翼遮擋。相比較而言，其他3種交織器的采用在一定程度上提高了碼字抵抗旋翼遮擋的能力，其中改進(jìn)的外交織器性能最好，其次是S距離交織器，普通分組交織器性能最差。

圖4 碼長(zhǎng)1536，不同遮擋比例時(shí)外交織器BER性能曲線Fig.4 Outer inter leavers' performance comparison under different shade when code length is 1536

圖5 碼長(zhǎng)3072，不同遮擋比例時(shí)外交織器的BER性能曲線Fig.5 Outer interleavers' performance comparison under different shade when code length is 3072

分別對(duì)比圖4和圖5可以看出，在遮擋比例為1/6、誤碼率大于等于10－4時(shí)，改進(jìn)的外交織器比S距離交織器約有0.1～0.5 dB增益，比分組交織器更是有1 dB以上增益;在遮擋比例為1/10時(shí)，改進(jìn)的外交織器與S距離交織器性能相比也有類似結(jié)論。同時(shí)也可以看出，在遮擋比例相同的條件下，碼字長(zhǎng)度越長(zhǎng)，改進(jìn)的交織器與其他交織器相比，對(duì)碼字性能的改進(jìn)也就越大。

5 結(jié)論

為了減小旋翼遮擋對(duì)HSCS系統(tǒng)譯碼造成的影響，本文使用了外交織器，并在對(duì)編譯碼結(jié)構(gòu)改進(jìn)的基礎(chǔ)上聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的外交織器，它有效地分散了碼字中的成片旋翼遮擋，使得離散化之后的碼字能夠很好地滿足刪余Turbo的設(shè)計(jì)要求，提高了碼字性能。對(duì)未采用外交織器和分別采用分組交織、S距離隨機(jī)交織和改進(jìn)的外交織器進(jìn)行了仿真比較，結(jié)果表明，外交織器的引入確實(shí)提高了系統(tǒng)BER性能，而且和采用其他外交織器相比，改進(jìn)的外交織器提高了譯碼性能，在一定程度上解決旋翼遮擋對(duì)碼字造成的干擾，提高了直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性，更為今后該方面課題的研究提供了借鑒。

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