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基于QC-LDPC的水下激光通信编码技术.docx
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基于QC-LDPC的水下激光通信编码技术.docx
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水下激光通信通过激光发射器件,将电信号调制成激光信号发射。经过海
水信道 传播,在接收端使用光电接收器件,将激光信号转换成电信号,再经过解
调还原出发射端的原始信号,以实现无缆的远距离通信
[1]
。
水下可见光通信受多种因素影响。水体介质作为一种特殊的通信信道,其
物理化学等系统的复杂性,会造成水下光传播特性衰减。其中最主要的为散射
现象,最重要的影响是能量衰减
[2,3]
。此外,散射和反射现象可能造成路径改变,从
而产生多径效应
[4]
。为提高传输通道的抗噪能力,水下可见光通信通常采用了脉
冲位置调制(Pulse Position Modulation,PPM)技术。PPM 是利用脉冲的相对位
置 传 递 信 息 的 一 种 调 制 方 式 , 最 早 应 用 于 空 间 通 信
[5]
。 在 激 光 通 信 中 , 与
OOK(On-Off Keying)调制相比,PPM 使得信号脉冲能量更为集中,瞬时功率更
大,传播距离更远。因此采用 PPM 作为水下激光通信的调制方式,可提高激光信
号脉冲的瞬时辐射功率,从而实现远距离信号传输。由于通信信道固有的噪声
和衰减影响,信号在信道传输中,必然会出现失真现象。目前,纠错编码技术是解
决该问题的主要技术手段,例如线性分组码、网格码。
低密度校验码(Low-Density Parity-Check codes,LDPC codes)是于 1962
年提出的一种具有稀疏校验矩阵的线性分组码
[6,7]
。LDPC 码几乎适用于所有信
道,具有逼近香农码性能的优点
[8]
。相比其他编码方式,LDPC 码更便于描述,编
码与译码的实现更为简单
[9]
。按照校验矩阵构造方式的不同,可分为随机 LDPC
码 和 结 构 化 LDPC 码 。 准 循 环 低 密 度 奇 偶 校 验 (Quasi-Cyclic Low-Density
Parity-Check,QC-LDPC)码是一种结构化 LDPC 码,具有构造简单、短环易消的
特点
[10,11,12]
。
因为电磁波在水中衰减严重,现有水下激光通信多为近距离通信。为达到
远距离低误码率通信,本文采用 PPM 与 QC-LDPC 编码组合的方式,对不同码长、
码率和调制阶数的组合方案进行仿真。本文对仿真结果进行比较和分析,在不
同信噪比 SNR 条件下,寻找最优 QC-LDPC 编码和 PPM 的组合方案。
1 系 统组成
1.1 系统框架
基于 QC-LDPC 编码和 PPM 的水下激光通信系统的模型如图 1 所示。该
系统描述了信号从信源发出到信宿接收的整个过程。由信源发出的信号在编码
器中进行信源编码与 QC-LDPC 编码,经 PPM 码型产生器实现编码后通过调制
器调制,最终由光学发射模块发送。光学发射模块发送的信号经过水下信道后
由光学接收模块接收。在接收端,通过光电传感器将信号转换为电信号。在解
调器中将获取的信号进行解调,再通过译码器进行纠错译码,得到信源信息。
图 1
图 1 基于 QC-LDPC 编码和 PPM 的水下激光通信系统模型
Figure 1. Underwater laser communication system model based on QC-
LDPC coding and PPM
1.2 脉冲位置调制技术
若调制信号仅使载波脉冲系列中每一个脉冲产生的时间发生改变,而不改
变其形状和幅度,且每一个脉冲产生时间的变化量比例于调制信号电压的幅度,
而与调制信号的频率无关,则称这种调制为脉冲位置调制,简称脉位调制
[5]
。
PPM 的原理是将一段时间进行 M 等分,每等份称为一个时隙,在一帧时间
内的某个时隙发送一个时隙。单脉位调制(L-PPM)将一个 N 位的二进制数据由
某一个时隙处的单个脉冲信号表示,某一个时隙为由 2
N
个时隙组成的时间段上
的一个时隙处。因此,一个 L 位的 PPM 调制信号的信息比特为 log
2
L。将 N 位
数据写成 S=(s
1
,s
2
,…,s
N
),时隙位置记为 l。
l=s
1
+2s
2
+…+2
n-1
s
n
∈ 0,1,…,N-1
(1)
在 4-PPM 中,信息由 4 个时隙表示。若 S
0
=(0,0),则 l=0;若 S
1
=(1,0),则 l=1;
若 S
2
=(0,1),则 l=2;若 S
3
=(1,1),则 l=3,其中 0、1、2、3 分别对应脉冲所在的时
隙位置。4-PPM 模型如图 2 所示,下述 S
0
、S
1
、S
2
、S
3
分别代表 l 为 0、1、2、
3 时的脉冲位置,其他阶数调制类似于 4-PPM。
图 2
图 2 4-PPM 脉冲位置调制示意图
Figure 2. Diagram of 4-PPM
1.3 低密度校验码
低密度校验码是一类基于稀疏校验矩阵的线性分组码,其校验矩阵 H 是一
稀疏矩阵,即 H 中非零元素远远小于零元素的个数。校验矩阵通常用 H
(n-k)×k
来
表示,n 为码字长度,其由信息位与校验位构成,k 表示信息位个数,n-k 表示校验
位个数,通 常 用 m 替代,即 m=n-k。 所有码字均 满 足 线 性分组码 运 算 规 则 ,即
cH
T
=0
[13]
。
若构建一个 LDPC 码,已知维数的校验矩阵 H,可记为 G={(V,E)},其中 V 为
全部节点的集合。V=V
b
∪V
c
,其中 V
b
={b
1
,b
2
,…,b
m
}为校验节点集合,对应校验矩
阵的行;V
c
={c
1
,c
2
,…,c
n
}是变量节点集合,称为比特节点,对应校验矩阵的列
[7]
。当
H 中某元素为 1 时,代表校验节点 b
i
与变量节点 c
j
相连,称为一条边。从一节点
出发再回到此节点的路径为循环,所经过边的条数为循环长度。循环长度的大
小会影响编码的性能。
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