基于多元LDPC碼的Ka頻段衛星通信抗雨衰技術研究*

梁東坡 鄭潤高

(海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012)

基于多元LDPC碼的Ka頻段衛星通信抗雨衰技術研究*

梁東坡 鄭潤高

(海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012)

Ka頻段衛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、軌道平面內可容納的衛星多和抗干擾能力強等優勢成為寬帶衛星通信的理想選擇。但Ka頻段衛星通信受降雨因素的影響比較嚴重。論文提出一種基于多元LDPC碼的自適應編碼技術,能夠有效減小雨衰影響。

Ka頻段; 雨衰; 多元LDPC碼; 自適應編碼技術

1 引言

隨著寬帶衛星通信的快速發展,傳統的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、抗干擾能力強的Ka頻段成為衛星通信領域廣泛使用的頻段。但是,Ka頻段衛星通信面臨的一個挑戰是雨衰對其產生的巨大影響。為了保證衛星通信中信號傳輸的可靠性,提高鏈路的可用度,需要釆用自適應技術來抵抗雨衰帶來的影響。LDPC碼是一類性能優異的好碼,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,并且具有譯碼復雜度低、能夠并行譯碼及譯碼錯誤可檢測等特點[2],成為衛星或深空通信中信道編碼的研究熱點。

2 自適應編碼調制方案

基于多元LDPC碼的自適應編碼調制系統框圖如圖1所示。

圖1 自適應編碼調制方案系統框圖

系統中,首先發送信息經過多元LDPC編碼后調制送入傳輸信道,經過信道傳輸后進行解調和多元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模塊,信噪比估計模塊對當前信道進行評估,通過信噪比評估模塊控制發送端和接收端的自適應傳輸控制模塊,調節多元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碼的構造

相較于二元LDPC(BLDPC)碼,多元LDPC(QLDPC碼)可以獲得更加優異的差錯控制性能,但是QLDPC碼的編譯碼器的復雜度比較高[3],為了減小復雜度,本文中采用將非規則重復累積(Irregular Repeat-Accumulate,IRA)碼{4}的結構擴展到高階有限域GF(q)上,構造出一類多元IRA(QIRA)碼。RA碼是在Turbo碼和LDPC的基礎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碼的優點,不僅具有Turbo編碼的簡單性,同時也具有LDPC的譯碼特性,實現了線性時間編碼和并行譯碼[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碼的基礎上,將其擴展到多元，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：

重復器對信息符號序列u中的每一個符號進行重復,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次數為ri；符號交織器對v進行交織,得到：v=v1,v2,…,vrN；GF(q)加權器1對符號序列進行逐個加權,也就是v′中各符號一次同加權系數序列中各項進行GF(q)乘法運算,輸出符號序列v″,加權系數序列為：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a1,a2,a3,…,aM一次進行合并,得到長為M的符號序列w=(ω1,ω2,…,ωM)；符號序列w進入累加器,假如GF(q)加權器2的加權系數序列為(γ1,γ2,…,γM-1),則累加器的輸出就是校驗符號序列p=(ρ1,ρ2,…,ρM),其中p1=ω1,ρi=γi-1ρi-1⊕ωi,2≤i≤M；復用器將信息符號序列u和校驗符號序列p復用,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,譯碼算法的復雜度又直接關系到工程實施的可行性。通過比較目標驅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碼的譯碼動態調度算法三種非二進制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)譯碼算法的基礎上改進得到的,在校驗節點信息更新時,EMS算法通過取近似最大值、用有限數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雜度,便于硬件實現。但EMS算法中對可靠性測量的過高估計,將導致譯碼性能下降。對此,通過選擇合理的糾正因子,來補償過高估計,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變量節點的輸入信息，y為接收信號，si為調制星座圖上的點。

2) 更新變量節點,設變量節點度是dv

3) 更新校驗節點,設變量節點度是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L(v)=[L(v=a0),…,L(v=aq-1)]得到碼元的判決結果。如果碼字序列X滿足X·HT=0,或者迭代次數達到最大設定次數,則停止迭代,并輸出碼字X；否則跳到步驟2),繼續迭代過程。

5 仿真結果及性能分析

圖4是在ITU-R雨衰模型[4]下,采用QPSK調制方式,碼率為1/2,采用EMS算法進行譯碼,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,GF(32)上的RA碼優于GF(16)碼約0.5dB,優于GF(4)RA碼約2dB。

6 結語

通過以上仿真結果可以得出,多元LDPC碼同樣的信道下,同樣的誤碼率,隨著碼域的不同,優越性是不同的,因此根據信噪比估計反饋,系統調整收、發兩端的多元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.多元重復累計碼的研究與設計[D].成都:電子科技大學,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,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:衛星通信。鄭潤高,男,碩士,講師,研究方向:衛星通信。

TN927

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.015