CN106533617A - 基于Turbo原理的单用户迭代检测的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体为一种基于Turbo原理的单用户迭代检测的装置与方法。本发明装置采用基于Turbo原理的单用户迭代检测激光通信发射机与接收机型；发射机包括前向编码器FEC、交织器Π、调制器与激光器；接收机包括接收孔径、光滤波器、光子分辨率计数器PNRD以及由基本信号检测ESE、交织/解交织器、译码器DEC组成的迭代检测译码模块；信号在发射机经过前向编码器编码、交织器交织并调制后发射，在接收机中通过ESE和DEC解码器，利用Turbo迭代检测算法，更新接收信号的先验信息，对信号实现迭代软译码。本发明能够在较强的大气湍流中具有较优良的抗干扰能力，可广泛运用到物联网远距离高速数据传输场景中。

Description

基于Turbo原理的单用户迭代检测的装置与方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于Turbo原理的单用户迭代检测的装置与方法。

背景技术

自由空间光通信又称无线光通信，它以不可见的激光为载体，在大气或者真空信道中实现点对点，点对多点或者多点对多点的信息传输的双向通信技术，其光波的频率在太赫兹的光谱范围内。自由空间光通信是光纤通信和射频通信相结合的产物，兼有射频通信与光纤通信的特点，与射频通信相比，自由空间光通信无需频率许可证和昂贵的使用费，带宽资源丰富，数据传输速率高，激光定向性好具有内在的保密性与抗干扰性，系统安全性高。与光纤通信相比，自由空间光通信能提供与光纤相近的速率，但它无需铺设光缆及维护费用，建网方便灵活，总体造价低，部署周期短。除此之外，FSO系统克服了铜线进户带宽窄与速率低等缺点，是宽带“最后一公里”的优选解决方案。

Turbo码最早由C.Berrou等于ICC’93会议上提出的，由于其达到了近香农限的性能，引起了编码界轰动。自Turbo码问世以来，基于迭代译码的思想已经推广到非常多的应用，包括检测、译码、解调等问题，具体比如：迭代多用户检测技术、LDPC编码、均衡、MIMO多径检测等。Turbo原理可总结为：每一个分量译码器会输出一个关于码片或者比特的外信息，其次这个分量译码器的外信息被用作它的译码器的先验信息，这样的迭代译码过程需要进行至一定迭代次数。Turbo原理核心的思路是每个译码器将它对该信息估计传给其它的译码器，但是这个信息估计是不包括该译码器本身存在的输入信息。

本发明主要基于Laguerre信道模型，在发送端采用PPM调制情况下，构建了串行级联检测的单用户激光通信系统框架，并推导了基于Turbo原理单用户迭代检测算法。从仿真结果中可以看出，本系统有优良的通信性能，在一定程度上可以抵抗实际环境带来的影响。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于Turbo原理的单用户迭代检测的装置与方法。

本发明的目的在于提出基于Turbo原理的单用户迭代检测的装置，分为基于Turbo原理的单用户迭代检测发射机和基于Turbo原理的单用户迭代检测接收机；其中：

所述基于Turbo原理的单用户迭代检测发射机，包括前向编码器FEC、交织器Π、调制器与激光器；原始比特流经过前向编码器进行前向编码，随后通过交织器进行信号的随机交织，接着通过调制器将交织码片序列映射为时隙序列，用于驱动激光器并通过信道形成发射信号；

具体来说，用户的传输比特流b＝{b_t,t＝1,2,…,l_bit}通过前向编码器FEC生成码片序列c＝{c_t,t＝1,2,…,l_chip}，再经过交织器Π得到交织后的码片序列π＝{π_t,t＝1,2,…,l_chip}，交织码片序列进一步通过调制器映射成符号序列S＝{S_t,t＝1,2,…,l_symbol}，调制方式为Q-ary PPM，映射表为最后经过激光器发送入信道。

所述基于Turbo原理的单用户迭代检测接收机，包括接收器、光滤波器、光子分辨率计数器PNRD以及由基本信号检测ESE、交织/解交织器、译码器DEC组成的迭代检测译码模块；接收的信号经过接收孔径、光滤波器以及光子分辨率计数器PNRD测量输出时隙光子数序列。基本信号检测ESE用于实现对接收光信号的解调，初始用户的先验信息为0，利用输入时隙光子数测量值，计算输出码片外信息；译码器DEC为基于SISO的译码器，用于实现前向编码器FEC编码的解码过程，最终输出为比特后验对数似然比；交织器与解交织器用于实现解调/译码的迭代过程中码片之间外信息交换，进行交织与解交织工作，进行一定迭代次数后完成用户数据检测；迭代检测译码模块的工作流程图如图2所示。

接收机的基本信号检测ESE中采用基于Turbo原理单用户迭代检测算法。

本发明中，基于Turbo原理单用户迭代检测算法，具体内容如下：

根据自由空间信道模型，以Laguerre分布为信道建模，在时隙时间(0,T_slot)内接收端的接收场包括光信号、背景辐射与高斯白噪声，这样的复合信号通过光滤波器后再通过量子效率为η，暗计数为υ、理想光子数分辨率的光子分辨率计数器PNRD进行光子计数，假设接收机中的光滤波器带宽为2B，时隙时间T_slot内计数的输出为r的概率密度函数为给出：

其中，计数维数D＝2BT_slot，λ＝n_s·I·s+n_b为接收端输入信号平均光子数，I为接收光信号强度，为发送光脉冲时等效发送光子数，P_T为交织码片为“1”的信号功率，h为普朗克常数，f为光子频率，n_b＝P_bT_slot/hf为时隙时间下等效背景辐射光子数，P_b为背景光平均功率。

基于贝叶斯准则的基本信号检测ESE模块的码片的后验软值可以表示为：

其中，先验信息r＝[r₁,r₂,…,r_Q]为接收符号时间内的时隙光子数序列。

根据全概率公式可推码片序列中第p个交织码片的外信息为：

已知经伪随机交织器后的码片之间近似相互独立，假设信道是无记忆性，则

其中，q与q′的值与相应的码片比特π₁π₂…π_C有关；又根据式(1)可得：

其中，λ_k,0＝ηn_b+υ，λ_k,1＝ηn_sI+ηn_b+υ。

利用广义Laguerre多项式的近似表达化简外信息值为：

根据Jacobian等式化并省略求对数项可得进一步化简的外信息计算公式：

其中，p＝1,2,…,C，φ_k为第k时隙信道参数值：

根据上述内容，本发明提供的基于Turbo原理单用户迭代检测的方法，采用基于Turbo原理单用户迭代检测的装置，即发射机与接收机，信号在发射机经过交织器交织并调制后发射；在接收机中通过ESE和DEC解码器，利用基于Turbo原理的单用户迭代检测方法，更新接收信号的先验信息，降低干扰，对信号实现软解调。其具体步骤(即发射机中迭代检测译码模块的流程)如下：

(1)在第一次迭代中，ESE先验信息置为0，即

(2)ESE模块根据输入测量时隙光子数r与先验信息根据式(7)计算码片外信息

(3)经过解交织得到DEC模块的信息比特先验信息

(4)DEC模块通过标准译码算法得到信息比特外信息与信息比特后验信息

(5)信息比特外信息通过交织更新先验信息回到步骤(2)，进行循环迭代；

(6)经过一定次数的迭代，根据信息比特后验信息进行硬判决得到译码信息。

本发明方法能够提高单用户激光通信系统抗干扰能力。

上述方法中，所述的基于Turbo原理单用户迭代检测发射机，针对下行数据传输，采用交织器产生无相关近似独立的码片。

上述方法中，所述的基于Turbo原理单用户迭代检测接收机，用户接收机先进行PNRD解调，然后进行Turbo信号软解调，通过ESE与DEC解码器的迭代更新，获得接收信号。

上述方法中，外信息可以由计算得到(由式(7))。

本发明主要针对单用户激光通信下行链路，提出一种基于Turbo原理单用户迭代检测激光通信接收机，应用了本发明中所述的基于Turbo原理单用户迭代检测算法，更新接收信号的先验信息，降低干扰，对信号实现软解调。仿真结果表明，该接收机在不同信道条件下能够提供较好的检测性能。

本发明优点：

(1)基于串行级联检测的单用户激光通信接收机能够得到较好的单用户通信性能；

(2)基于Turbo原理单用户迭代检测接收机使用了迭代软解调的接收方法，其接收复杂度较低；

(3)所述的Turbo原理单用户迭代检测算法，能够在不同信道条件下能够提供较好的检测性能；

(4)所述的接收机有效提高抵抗大气湍流等不利因素的扰能力。

附图说明

图1为基于Turbo原理单用户迭代检测激光通信发射机与接收机系统。

图2为基于Turbo原理单用户迭代检测算法流程图。

图3为Laguerre信道下系统在不同调制阶数与不同背景噪声条件下的误码率性能。

图4为Laguerre信道下系统在不同编码效率下的误码率性能。

图5为Laguerre信道下系统在不同湍流程度条件下的误码率性能。

图6为Laguerre信道下系统在不同量子检测效率条件下的误码率性能。

具体实施方式

对本发明提出的一种基于Turbo原理单用户迭代检测方法，具体步骤如下：

如图1所示，发射端通过前向编码、交织、调制后发射激光信号，信道通过Laguerre光子计数信道建模。系统采用Q-ary PPM编码的串行级联检测的单用户激光通信接收机进行蒙特卡洛仿真，比较在不同程度大气湍流程度信道条件下系统的性能，同时仿真了同背景噪声条件以及不同量子检测效率系统的性能。

图3仿真了Laguerre信道下系统，在不同调制阶数与不同背景噪声条件下的误码率性能。从仿真可知，从图3可以分析出，在热噪声数较低，背景噪声主要影响了基于光子计数的FSO系统的性能，高阶PPM调制比较低阶PPM调制对于背景噪声的抑制性能更好，原因在于迭代过程中利用了同一符号内其它比特的先验信息，有利于受到背景光干扰的接收序列解调。

图4为Laguerre信道下系统在不同编码效率下的误码率性能情况，从图得出随着RC编码码率的降低，系统性能逐渐变好，在测试发射信号功率范围内，码率1/4相比码率1/2最大有2dB的增益，码率1/8比码率1/2有最大4dB的增益。

图5为Laguerre信道下系统在不同湍流程度条件下的误码率性能。，随着湍流的增强，基于光子计数的FSO系统性能稍有降低，在大气信道下进行传输的FSO，设计对抗湍流系统方案，是非常有利于FSO系统的实际应用的。

图6为Laguerre信道下系统在不同量子检测效率条件下的误码率性能。在无湍流信道下非理想PNRD对基于光子计数FSO系统性能有一定的影响，非单位量子效率使得FSO系统性能有所影响衰减。

由以上的仿真可知，使用基于Turbo原理单用户迭代检测方法使单用户激光通信系统可以抵抗带限白高斯噪声、散弹噪声、背景辐射以及非理想的PNRD对FSO实际应用的系统产生的不良影响。同时基于Turbo原理的迭代技术，使得系统可以有效对抗背景辐射，提高了单用户激光通信的可靠性。

Claims (3)

1.一种基于Turbo原理的单用户迭代检测的装置，其特征在于，分为基于Turbo原理的单用户迭代检测发射机和基于Turbo原理的单用户迭代检测接收机；其中：

所述基于Turbo原理的单用户迭代检测发射机，包括前向编码器FEC、交织器Π、调制器与激光器；原始比特流经过前向编码器进行前向编码，随后通过交织器进行信号的随机交织，接着通过调制器将交织码片序列映射为时隙序列，用于驱动激光器并通过信道形成发射信号；

所述基于Turbo原理的单用户迭代检测接收机，包括接收孔径、光滤波器、光子分辨率计数器PNRD以及由基本信号检测ESE、交织/解交织器、译码器DEC组成的迭代检测译码模块；接收的信号经过接收孔径、光滤波器以及光子分辨率计数器PNRD测量输出时隙光子数序列；基本信号检测ESE用于实现对接收光信号的解调，初始用户的先验信息为0，利用输入时隙光子数测量值，计算输出码片外信息；译码器DEC为基于SISO的译码器，用于实现前向编码器FEC编码的解码过程，最终输出为比特后验对数似然比；交织器与解交织器用于实现解调/译码的迭代过程中码片之间外信息交换，进行交织与解交织工作，进行一定迭代次数后完成用户数据检测；接收机的基本信号检测ESE中采用基于Turbo原理单用户迭代检测算法。

2.根据权利要求1所述的基于Turbo原理的单用户迭代检测的装置，其特征在于，发射机中迭代检测译码模块的流程如下：

(1)在第一次迭代中，ESE先验信息置为0，即

(2)ESE根据输入测量时隙光子数r与先验信息根据式(7)计算码片外信息

(3)经过解交织得到DEC的信息比特先验信息

(4)DEC通过标准译码算法得到信息比特外信息与信息比特后验信息

(5)信息比特外信息通过交织更新先验信息回到步骤(2)，进行循环迭代；

(6)经过一定次数的迭代，根据信息比特后验信息进行硬判决得到译码信息；

外信息计算公式：

$L_{ESE}^e\left({\mathrm{\π}}_p\right)=\underset{q\∈\left\{{\mathrm{\π}}_p=1\right\}}{\max }\left({\mathrm{\φ}}_q+\underset{j\≠p}{\mathrm{\Σ}}\left({\mathrm{\π}}_j\·L_{ESE}^a\left({\mathrm{\π}}_j\right)\right)\right)-\underset{q^{\′}\∈\left\{{\mathrm{\π}}_p=0\right\}}{\max }\left({\mathrm{\φ}}_{q^{\′}}+\underset{j\≠p}{\mathrm{\Σ}}\left({\mathrm{\π}}_j\·L_{ESE}^a\left({\mathrm{\π}}_j\right)\right)\right)---\left(7\right)$

其中，π_p表示第p个码片，p＝1,2,…,C，C为码片长度，φ_k为第k时隙信道参数值：

${\mathrm{\φ}}_k=\frac{-(1-v^2)({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_0)}{2v}+2\sqrt{\frac{{(1-v)}^2}{v}(r_k+\frac{D+1}{2})}(\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}-\sqrt{{\mathrm{\λ}}_0})+(\frac{D}{2}+\frac{1}{4})ln\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{\λ}}_1}\right);---\left(8\right)$

先验信息为接收符号时间内的时隙光子数序列；

计数维数D＝2BT_slot，λ＝n_s·I·s+n_b为接收端输入信号平均光子数，I为接收光信号强度，为发送光脉冲时等效发送光子数，P_T为交织码片为“1”的信号功率，h为普朗克常数，f为光子频率，n_b＝P_bT_slot/hf为时隙时间下等效背景辐射光子数，P_b为背景光平均功率，2B为光滤波器带宽，T_slot为时隙时间，η为量子效率，υ为暗计数；λ₀＝ηn_b+υ，λ₁＝ηn_sI+ηn_b+υ，表示发送时隙信号为0与时隙为1时PNRD输出的平均光子数。

3.一种基于Turbo原理的单用户迭代检测方法，其特征在于，采用基于Turbo原理单用户迭代检测的装置，即发射机与接收机，信号在发射机经过交织器交织并调制后发射；在接收机中通过ESE和DEC解码器，利用基于Turbo原理的单用户迭代检测方法，更新接收信号的先验信息，对信号实现软解调，其具体步骤如下：

(1)在第一次迭代中，ESE先验信息置为0，即

(2)ESE模块根据输入测量时隙光子数r与先验信息根据式(7)计算码片外信息

(3)经过解交织得到DEC模块的信息比特先验信息

(4)DEC模块通过标准译码算法得到信息比特外信息与信息比特后验信息

(5)信息比特外信息通过交织更新先验信息回到步骤(2)，进行循环迭代；

(6)经过一定次数的迭代，根据信息比特后验信息进行硬判决得到译码信息；

外信息计算公式：

$L_{ESE}^e\left({\mathrm{\π}}_p\right)=\underset{q\∈\left\{{\mathrm{\π}}_p=1\right\}}{\max }\left({\mathrm{\φ}}_q+\underset{j\≠p}{\mathrm{\Σ}}\left({\mathrm{\π}}_j\·L_{ESE}^a\left({\mathrm{\π}}_j\right)\right)\right)-\underset{q^{\′}\∈\left\{{\mathrm{\π}}_p=0\right\}}{\max }\left({\mathrm{\φ}}_{q^{\′}}+\underset{j\≠p}{\mathrm{\Σ}}\left({\mathrm{\π}}_j\·L_{ESE}^a\left({\mathrm{\π}}_j\right)\right)\right)---\left(7\right)$

其中，π_p表示第p个码片，p＝1,2,…,C，C为码片长度，φ_k为第k时隙信道参数值：

${\mathrm{\φ}}_k=\frac{-(1-v^2)({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_0)}{2v}+2\sqrt{\frac{{(1-v)}^2}{v}(r_k+\frac{D+1}{2})}(\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}-\sqrt{{\mathrm{\λ}}_0})+(\frac{D}{2}+\frac{1}{4})ln\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{\λ}}_1}\right);---\left(8\right)$

先验信息r＝[r₁,r₂,…,r_Q]为接收符号时间内的时隙光子数序列；

计数维数D＝2BT_slot，λ＝n_s·I·s+n_b为接收端输入信号平均光子数，I为接收光信号强度，为发送光脉冲时等效发送光子数，P_T为交织码片为“1”的信号功率，h为普朗克常数，f为光子频率，n_b＝P_bT_slot/hf为时隙时间下等效背景辐射光子数，P_b为背景光平均功率，2B为光滤波器带宽，T_slot为时隙时间，η为量子效率，υ为暗计数，λ₀＝ηn_b+υ，λ₁＝ηn_sI+ηn_b+υ，表示发送时隙信号为0与时隙为1时PNRD输出的平均光子数。