梁東坡 鄭潤高

(海軍蚌埠士官學(xué)校 蚌埠 233012)

基于多元LDPC碼的Ka頻段衛(wèi)星通信抗雨衰技術(shù)研究*

梁東坡 鄭潤高

(海軍蚌埠士官學(xué)校 蚌埠 233012)

Ka頻段衛(wèi)星通信因其具有可提供的帶寬大、通信容量大、波束窄、終端尺小、軌道平面內(nèi)可容納的衛(wèi)星多和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢成為寬帶衛(wèi)星通信的理想選擇。但Ka頻段衛(wèi)星通信受降雨因素的影響比較嚴(yán)重。論文提出一種基于多元LDPC碼的自適應(yīng)編碼技術(shù),能夠有效減小雨衰影響。

Ka頻段; 雨衰; 多元LDPC碼; 自適應(yīng)編碼技術(shù)

1 引言

隨著寬帶衛(wèi)星通信的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的C頻段、Ku頻段已不能滿足日益增長的通信需求。因此,可用帶寬大、抗干擾能力強(qiáng)的Ka頻段成為衛(wèi)星通信領(lǐng)域廣泛使用的頻段。但是,Ka頻段衛(wèi)星通信面臨的一個挑戰(zhàn)是雨衰對其產(chǎn)生的巨大影響。為了保證衛(wèi)星通信中信號傳輸?shù)目煽啃?提高鏈路的可用度,需要釆用自適應(yīng)技術(shù)來抵抗雨衰帶來的影響。LDPC碼是一類性能優(yōu)異的好碼,和Turbo碼一樣,譯碼性能可以很好地逼近Shannon限[1]。多元LDPC碼的長碼性能超過了Turbo碼長碼,并且具有譯碼復(fù)雜度低、能夠并行譯碼及譯碼錯誤可檢測等特點(diǎn)[2],成為衛(wèi)星或深空通信中信道編碼的研究熱點(diǎn)。

2 自適應(yīng)編碼調(diào)制方案

基于多元LDPC碼的自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)編碼調(diào)制方案系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)中,首先發(fā)送信息經(jīng)過多元LDPC編碼后調(diào)制送入傳輸信道,經(jīng)過信道傳輸后進(jìn)行解調(diào)和多元LDPC譯碼得到接受信息。在接收端,接收信號一部分送入到信噪比估計(jì)模塊,信噪比估計(jì)模塊對當(dāng)前信道進(jìn)行評估,通過信噪比評估模塊控制發(fā)送端和接收端的自適應(yīng)傳輸控制模塊,調(diào)節(jié)多元LDPC碼的編碼和譯碼，使信號能夠在雨衰信道中傳輸。

3 多元LDPC碼的構(gòu)造

相較于二元LDPC(BLDPC)碼,多元LDPC(QLDPC碼)可以獲得更加優(yōu)異的差錯控制性能,但是QLDPC碼的編譯碼器的復(fù)雜度比較高[3],為了減小復(fù)雜度,本文中采用將非規(guī)則重復(fù)累積(Irregular Repeat-Accumulate,IRA)碼{4}的結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到高階有限域GF(q)上,構(gòu)造出一類多元IRA(QIRA)碼。RA碼是在Turbo碼和LDPC的基礎(chǔ)上提出的一種信道編碼,RA碼可以視為一類Turbo碼,也可視為一類LDPC碼,它綜合了Turbo碼和LDPC碼的優(yōu)點(diǎn),不僅具有Turbo編碼的簡單性,同時(shí)也具有LDPC的譯碼特性,實(shí)現(xiàn)了線性時(shí)間編碼和并行譯碼[5]。QIRA碼就是一類QLDPC碼。IRA碼的編碼框圖如圖2所示。

圖2 IRA碼編碼器原理框圖

在IRA碼的基礎(chǔ)上,將其擴(kuò)展到多元，即可到QIRA碼[6],QIRA碼編碼原理框圖如圖3所示。

圖3 QIRA碼編碼器原理框圖

編碼流程如下：

重復(fù)器對信息符號序列u中的每一個符號進(jìn)行重復(fù),得到長度為rN的符號序列：v=(u1,…,u1,u2,…,uz,…,uN,…,uN),其中信息序列的重復(fù)次數(shù)為ri；符號交織器對v進(jìn)行交織,得到：v=v1,v2,…,vrN；GF(q)加權(quán)器1對符號序列進(jìn)行逐個加權(quán),也就是v′中各符號一次同加權(quán)系數(shù)序列中各項(xiàng)進(jìn)行GF(q)乘法運(yùn)算,輸出符號序列v″,加權(quán)系數(shù)序列為：β=(β1,1,…,β1,a1，β2,1,…,β2,a2,βM,1,…,βM,a1)；合并器對v″中各符號按合并系數(shù)a1,a2,a3,…,aM一次進(jìn)行合并,得到長為M的符號序列w=(ω1,ω2,…,ωM)；符號序列w進(jìn)入累加器,假如GF(q)加權(quán)器2的加權(quán)系數(shù)序列為(γ1,γ2,…,γM-1),則累加器的輸出就是校驗(yàn)符號序列p=(ρ1,ρ2,…,ρM),其中p1=ω1,ρi=γi-1ρi-1⊕ωi,2≤i≤M；復(fù)用器將信息符號序列u和校驗(yàn)符號序列p復(fù)用,形成編碼器的最終輸出編碼：c=u1,u2,…,uK,ρ1,ρ2,…,ρM。

4 多元LDPC碼的譯碼算法

譯碼算法關(guān)系到多元LDPC碼的糾錯能力,好的譯碼算法使得相同的多元LDPC碼擁有更好的譯碼性能,譯碼算法的復(fù)雜度又直接關(guān)系到工程實(shí)施的可行性。通過比較目標(biāo)驅(qū)使型合并的譯碼算法、基于向量誤差修正模型的譯碼算法和多元LDPC碼的譯碼動態(tài)調(diào)度算法三種非二進(jìn)制LDPC碼的高效譯碼算法,本文采用EMS譯碼算法,EMS譯碼算法是在LLRBP、最小和(MS)譯碼算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的,在校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)信息更新時(shí),EMS算法通過取近似最大值、用有限數(shù)目的輸入信息值來近似表示輸出的可靠性測量,極大地降低了譯碼復(fù)雜度,便于硬件實(shí)現(xiàn)。但EMS算法中對可靠性測量的過高估計(jì),將導(dǎo)致譯碼性能下降。對此,通過選擇合理的糾正因子,來補(bǔ)償過高估計(jì),從而保證了該EMS算法有良好的譯碼性能[9]。譯碼具體步驟如下：

1) 初始化

Vpv=0

其中Vpv表示度為dv變量節(jié)點(diǎn)的輸入信息，y為接收信號，si為調(diào)制星座圖上的點(diǎn)。

2) 更新變量節(jié)點(diǎn),設(shè)變量節(jié)點(diǎn)度是dv

3) 更新校驗(yàn)節(jié)點(diǎn),設(shè)變量節(jié)點(diǎn)度是dc

4) 后處理

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

Ucp[k]=Ucp[k]-Ucp[0],k∈{0,…,q-1}后處理是為了確保EMS算法具有收斂的特性。

5) 判決譯碼

選擇Lpost中最大的一個,根據(jù)L(v)=[L(v=a0),…,L(v=aq-1)]得到碼元的判決結(jié)果。如果碼字序列X滿足X·HT=0,或者迭代次數(shù)達(dá)到最大設(shè)定次數(shù),則停止迭代,并輸出碼字X；否則跳到步驟2),繼續(xù)迭代過程。

5 仿真結(jié)果及性能分析

圖4是在ITU-R雨衰模型[4]下,采用QPSK調(diào)制方式,碼率為1/2,采用EMS算法進(jìn)行譯碼,不同編碼域GF(4)、GF(16)、GF(32)上QIRA碼的誤碼率曲線,最大迭代次數(shù)均為20次。從圖中可以看出,在加有雨衰模型信道下,誤碼率為10-5時(shí),GF(32)上的RA碼優(yōu)于GF(16)碼約0.5dB,優(yōu)于GF(4)RA碼約2dB。

6 結(jié)語

通過以上仿真結(jié)果可以得出,多元LDPC碼同樣的信道下,同樣的誤碼率,隨著碼域的不同,優(yōu)越性是不同的,因此根據(jù)信噪比估計(jì)反饋,系統(tǒng)調(diào)整收、發(fā)兩端的多元LDPC碼編碼方式編碼長度,可以在一定程度上對抗雨衰。

圖4 ITU-R雨衰模型下不同碼域的QIRA碼性能比較

[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] 于清蘋.多元重復(fù)累計(jì)碼的研究與設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2010.

[3] 趙翌竹.多元LDPC碼高效譯碼算法研究[D].北京:北京交通大學(xué),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

梁東坡,男,碩士,講師,研究方向:衛(wèi)星通信。鄭潤高,男,碩士,講師,研究方向:衛(wèi)星通信。

TN927

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.015