CN110504997B - 一种基于mimo的快速编码ldpc光通信系统 - Google Patents

一种基于mimo的快速编码ldpc光通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于MIMO的快速编码LDPC光通信系统，包括G‑LDPC编码模块，BPSK调制模块，发射天线阵列，无线光信道，接收天线阵列，BPSK解调模块，BP译码模块，G‑LDPC编码模块用于对信息序列进行编码，BPSK调制模块用于对编码后的信息序列调制；发射天线阵列、无线光信道、接收天线阵列用于对调制后的信息序列进行信号的传输；BPSK解调模块，用于对接收到的信号进行解调；BP译码模块，用于对解调后的信息序列进行译码。本发明使用G‑LDPC和MIMO技术，使系统获得8dB左右的编码增益，从而有效降低了无线光通信系统误码率。

Description

一种基于MIMO的快速编码LDPC光通信系统
技术领域
本发明属于无线光通信技术领域，具体涉及一种基于MIMO的快速编码LDPC光通信系统。
背景技术
无线光通信(OWC)是一种使用可见光、红外线或者紫外线来传送信号的通信方式，使用半导体激光器和光电探测器件，具有成本低、保密性好且不需要申请频谱的优点，目前受到了研究人员的广泛关注。但是，无线光信道中的大气衰落、大气湍流和自然光噪声使系统误码率增加，光通信系统性能受到很大的影响。目前主要采用多输入多输出(MIMO)技术和信道编码技术提高系统的可靠性。郝士琦，冷蛟锋等人研究了基于OOK调制和LDPC码的MIMO系统，表明结合MIMO技术和LDPC技术能较好的抑制光强闪烁。而在实际应用中，LDPC的常用编码方法是使用高斯消元，该方法编码复杂度高，编码时间与码长的平方成正比，编码时延较大，因此，本发明研究在MIMO光信道中使用快速编码的LDPC码，并分析其误码性能。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于MIMO的快速编码LDPC光通信系统，在实现线性时间编码的同时，获得较好的分集增益和较高的编码增益。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于MIMO的快速编码LDPC光通信系统，包括G-LDPC编码模块，BPSK调制模块，发射天线阵列，无线光信道，接收天线阵列，BPSK解调模块，BP译码模块，
G-LDPC编码模块用于对信息序列进行编码，编码方法为：
首先构造出系统形式的稀疏校验矩阵H，H＝[P，I]，根据校验矩H阵得到其生成矩阵G，表示为G＝[I，PT]；令码字c＝(s，p)，其中s＝(s1，s2，…，sK)为信息位，p＝(p1，p2，…，pN-K)为校验位，N表示码字长度，K表示信息位长度；将待传输的K维信息比特序列d＝[d1，d2，…，dK]赋值给s；根据c＝dG得到第l个校验位pl为
Figure BDA0002189326930000021
hl，j是校验矩阵H的第l行、第j列元素，sj是信息序列s的第j个信息位；
BPSK调制模块用于对编码后的信息序列调制；
发射天线阵列、无线光信道、接收天线阵列用于对调制后的信息序列进行信号的传输；
BPSK解调模块，用于对接收到的信号进行解调；
BP译码模块，用于对解调后的信息序列进行译码。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
编码方法具体为：
校验矩阵H，表示为如下形式
Figure BDA0002189326930000022
其中P为正规矩阵，即每行的1的个数相同，每列的1的个数也相同，故此时H为非正规矩阵。
BP译码模块对解调后的信息序列进行译码的过程包括以下步骤：
1)初始化；
2)校验节点处理；
3)变量节点处理；
4)译码判决，得到码字各比特的估计值
Figure BDA0002189326930000023
进行判断，若满足
Figure BDA0002189326930000024
和/或达到预先设定的最大迭代次数时输出
Figure BDA0002189326930000025
否则重复步骤2)、3)进行迭代，每次迭代之后再进行译码判决。
初始化过程具体为，
首先定义对数似然比信息：
Figure BDA0002189326930000026
其中，在时刻n接收到的输出信号为rn(n＝1，2，…，N)，对应于码字中的一个比特dn(n＝1，2，…，N)，
Figure BDA0002189326930000031
rl是接收序列中的第1个符号，N表示码字长度；
在弱湍流场景，令光强起伏的对数强度方差
Figure BDA0002189326930000032
使用BPSK调制时，将0和1分别映射为1和-1；对于在时刻n，第j根接收天线，有
Figure BDA0002189326930000033
其中，Pr()为概率密度函数；σ2为噪声方差；N0为噪声功率；rn，j为时刻n，第j根接收天线接收到的输出信号；x是调制后的信息序列，aij表示在大气信道中第i个发送天线和第j个接收天线的信道增益，i＝1，2，…，P，j＝1，2，…，Q；ρ为接收器的光电转化效率，为一常数；
此时初始对数似然比为
Figure BDA0002189326930000034
其中，P为发射天线的数量；Q为接收天线的数量；
再定义迭代过程中需要的后验概率的对数似然比：
Figure BDA0002189326930000035
其中qm，n、
Figure BDA0002189326930000036
是迭代过程中需要的两个后验概率，为
Figure BDA0002189326930000037
Figure BDA0002189326930000038
cm(m＝1，2，…，M)和vn(n＝1，2，…，N)分别表示LDPC码Tanner图中的校验节点和变量节点；C(vn)是与变量节点vn相连的校验节点的集合；
当vn参与的校验等式集合C(vn)除cm外都成立时，函数S(C(vn)\cm)＝1；
开始迭代前，L(Qm，n)初始化为L(Qm，n)＝L(Fn)。
校验节点处理过程为：
定义从校验节点cm传递给变量节点vn的外信息的对数似然比为：
L(rm，n)＝ln(rm，n)
根据恒等式
Figure BDA0002189326930000041
和
Figure BDA0002189326930000042
其中p0+p1＝1，得
Figure BDA0002189326930000043
其中，
Figure BDA0002189326930000048
表示Tanner图中与校验节点cm相连的某一变量节点，且该节点不是vn。
变量节点处理过程为：
定义从变量节点vn传递给校验节点cm的外信息的对数似然比为：
L(sm，n)＝ln(sm，n)
根据后验概率的对数似然比，将L(Qm，n)更新为：
Figure BDA0002189326930000044
其中，
Figure BDA0002189326930000045
表示Tanner图中与变量节点vn相连的某一校验节点，且该节点不是cm。
译码判决过程具体为：按照下式计算码字中各比特的对数后验似然比L(Rn)
Figure BDA0002189326930000046
根据
Figure BDA0002189326930000047
得到码字各比特的估计值。
σ2 lnI为对数强度方差，在无线光通信中有
σ2 lnI＝1.23(2π/λ)7/6Cnd11/6
式中，Cn和d分别为大气折射率结构常数和通信距离，λ为信号波长。
本发明的有益效果是：本发明在光信道下使用基于生成矩阵的低密度奇偶校验码(G-LDPC)和多输入多输出(MIMO)技术的通信系统性能，构造了G-LDPC码的校验矩阵和生成矩阵，并使用对数正态分布模型进行光信道建模，并结合MIMO技术给出G-LDPC码的初始化译码方法。G-LDPC编码可以使系统获得8dB左右的编码增益，结合MIMO技术，有效降低了无线光通信系统误码率。
附图说明
图1是本发明的基于G-LDPC码的MIMO光通信系统框图。
图2是本发明实施例中不使用信道编码的MIMO光系统误码率示意图。
图3是本发明实施例中使用G-LDPC码的MIMO光系统误码率示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明在光信道下使用基于生成矩阵的低密度奇偶校验码(G-LDPC)和多输入多输出(MIMO)技术，结合信道编码技术和天线分集技术抑制大气湍流，获得较高的编码增益和分集增益，并使用对数正态分布模型进行光信道建模。
本发明提供一种基于MIMO的快速编码LDPC光通信系统，这里所说的快速编码LDPC即本文提出的G-LDPC码，它与一般的LDPC码相比，具有快速编码的特点。本发明包括G-LDPC编码模块，BPSK调制模块，发射天线阵列，无线光信道，接收天线阵列，BPSK解调模块，BP译码模块。G-LDPC编码模块用于对信息序列进行编码；BPSK调制模块用于对编码后的信息序列调制；发射天线阵列、无线光信道、接收天线阵列用于对调制后的信息序列进行信号的传输；BPSK解调模块，用于对接收到的信号进行解调；BP译码模块，用于对解调后的信息序列进行译码。
假设信息序列为d＝[d1，…，dK]T，G-LDPC编码得到c＝dG，BPSK调制后得到的传输序列为x＝[x1，x2，…，xN]，xn表示第n个码元经过BPSK调制后的结果。码率R＝K/N，K表示信息位长度，N表示编码后的码字长度。通过P个发射天线和Q个接收天线进行光信道下信号的传输。
在大气无线光信道中，大气湍流等原因导致接收端光强随机起伏，假设第i时刻每个发射天线发送相同比特，即xi，1＝xi，2＝…＝xi，P，xi，P表示第i个时刻，第P个发送天线的发送信息，接收天线的输出序列为R＝(r1，r2，…，rQ)则信道模型为R＝ρxA+z (1)式中，ρ为接收器的光电转化效率，为一常数，z＝[z1，z2，…，zQ]T为均值是0，方差为N0/2的高斯白噪声。x为调制后的信息序列。A为信道矩阵，可写为
Figure BDA0002189326930000061
矩阵中，元素aij(i＝1，2，…，P，j＝1，2，…，Q)表示在大气信道中第i个发送天线和第j个接收天线的信道增益，其概率密度函数(PDF)为对数正态分布函数，即
Figure BDA0002189326930000062
式中，σ2 lnI为对数强度方差，在无线光通信中有
σ2 lnI＝1.23(2π/λ)7/6Cnd11/6 (4)
Cn和d分别为大气折射率结构常数和通信距离，λ为信号波长。接收端进行BPSK解调并进行LDPC译码，计算系统误码率。
基于G-LDPC码的MIMO光通信系统编译码实现。LDPC码在1962年由Robert GGallager提出，是一种用校验矩阵H表征的线性分组码，且校验矩阵中0的个数远大于1的个数。研究表明，在AWGN信道下，LDPC码的性能接近香农极限。LDPC码可以采用并行的迭代译码，在码长较长的情况下可以实现线性时间译码，且错误平层低。在卫星数字视频广播标准DVB-S2中采用了基于LDPC的编码方案。G-LDPC码可以利用校验矩阵直接得到需要的码字，编码时延小，可以获得编码时间和纠错性能的折中。
本发明发射端的G-LDPC编码模块用于对信息序列进行编码，编码方法为：
首先G-LDPC码的稀疏校验矩阵H具有系统形式，可表示为
Figure BDA0002189326930000071
其中P为正规矩阵，即每行的1的个数相同，每列的1的个数也相同，故此时H为非正规矩阵。生成矩阵G可表示为G＝[I，PT]，因此G具有稀疏性和系统性的特点。
GLDPC码的编码方式，根据它的校验矩阵特有的结构，可以实现线性编码，直接产生需要的码字c。令码字c＝(s，p)，其中s＝(s1，s2，…，sK)为信息位，p＝(p1，p2，…，pN-K)为校验位，n表示码字长度，k表示信息位长度。
GLDPC码的具体编码步骤如下：
1.根据GLDPC码的校验矩阵，得到其生成矩阵G＝[I，PT]。
2.将待传输的K维信息比特序列d＝[d1，d2，…，dK]赋值给s；
3.根据c＝dG得到第l个校验位pl为
Figure BDA0002189326930000072
式中，hl，j是校验矩阵H的第l行、第j列元素，sj是信息序列s的第j个信息位。
编码后的码字经过BPSK调制，码字中的一个比特dn＝1时映射为xn＝-1；dn＝0时映射为xn＝1，再经发射天线阵列、无线光信道、接收天线阵列的传输，得到输出序列R，输出序列经过BPSK解调，再进行BP译码。
接收端的译码实现过程：为了算法描述的简便，首先定义译码过程中用到的变量。假设在时刻n接收到的输出信号为rn(n＝1，2，…，N)，对应于码字中的一个比特dn(n＝1，2，…，N)。cm(m＝1，2，…，M)表示LDPC码Tanner图中的校验节点，vn(n＝1，2，…，N)表示LDPC码Tanner图中的变量节点。V(cm)是与校验节点cm相连的变量节点的集合。C(vn)是与变量节点vn相连的校验节点的集合。S(C(vn))＝1表示vn参与的校验等式都成立，否则S(C(vn))＝0。
译码可以归纳为以下四步：
1)初始化：
最初，译码器只有来自信道的信息。因此首先定义对数似然比信息：
Figure BDA0002189326930000081
其中，在时刻n接收到的输出信号为rn(n＝1，2，…，N)，对应于码字中的一个比特dn(n＝1，2，…，N)，
Figure BDA0002189326930000082
rl是接收序列中的第1个符号，N表示码字长度；
考虑弱湍流场景，假设光强起伏的对数强度方差σ2 lnI＝0.2，使用BPSK调制时，将0和1分别映射为1和-1。对于在时刻n，第j根接收天线，有
Figure BDA0002189326930000083
其中，Pr()为概率密度函数；σ2为噪声方差；N0为噪声功率；rn，j为时刻n，第j根接收天线接收到的输出信号；x是调制后的信息序列，aij表示在大气信道中第i个发送天线和第j个接收天线的信道增益，i＝1，2，…，P，j＝1，2，…，Q；ρ为接收器的光电转化效率，为一常数；
此时初始对数似然比为
Figure BDA0002189326930000084
其中，P为发射天线的数量；Q为接收天线的数量；
再定义迭代过程中需要的后验概率的对数似然比：
Figure BDA0002189326930000085
其中qm，n、
Figure BDA0002189326930000086
是迭代过程中需要的两个后验概率，为
Figure BDA0002189326930000087
Figure BDA0002189326930000088
当vn参与的校验等式集合C(vn)除cm外都成立时，函数S(C(vn)\cm)＝1。
开始迭代前，L(Qm，n)初始化为L(Qm，n)＝L(Fn) (11)
2)校验节点处理：
定义从校验节点cm传递给变量节点vn的外信息(外信息是编码的专有名词。每个节点经过运算后都对应了一个概率，这个概率里包含了其他节点传递给该节点的信息，同时也包含了该节点自己本身的信息。那么外信息就是指其他节点传递给该节点的信息之和。)的对数似然比为：
L(rm，n)＝1n(rm，n) (12)根据恒等式
Figure BDA0002189326930000091
和
Figure BDA0002189326930000092
其中p0+p1＝1，由式(12)得
Figure BDA0002189326930000093
其中，
Figure BDA0002189326930000094
表示Tanner图中与校验节点cm相连的某一变量节点，且该节点不是vn。
3)变量节点处理：
定义从变量节点vn传递给校验节点cm的外信息的对数似然比为：
L(sm，n)＝1n(sm，n) (14)根据式(9)将L(Qm，n)更新为：
Figure BDA0002189326930000095
其中，
Figure BDA0002189326930000096
表示Tanner图中与变量节点vn相连的某一校验节点，且该节点不是cm。
4)译码判决：
按照下式计算码字中各比特的对数后验似然比L(Rn)
Figure BDA0002189326930000097
最后，根据
Figure BDA0002189326930000098
得到码字各比特的估计值
Figure BDA0002189326930000099
在BP译码过程中，对于得到的码字各比特的估计值
Figure BDA0002189326930000101
要进行判决，当满足
Figure BDA0002189326930000102
和/或达到预先设定的最大迭代次数时输出
Figure BDA0002189326930000103
否则重复步骤2)、3)进行迭代，每次迭代(重复步骤2)、3))之后再进行译码判决，判断是否满足
Figure BDA0002189326930000104
和/或达到预先设定的最大迭代次数。由于迭代到一定次数后误码率就稳定了，提升不明显了，故预先设定一个最大的迭代次数，约为20次。
在本发明的一个实施例中，对比分析了不使用信道编码的MIMO光系统误码率与使用G-LDPC码的MIMO系统误码率的区别。该实施例中，仿真过程令ρ＝0.5，对数强度方差σ2 lnI＝0.2，预设最大迭代次数为20。由附图2可以看出，对于不使用信道编码的MIMO光系统，天线数越多，获得的分集增益越大，且在发射天线数和接收天线数乘积相同的情况下发射分集取得的分集增益更大，使用2个发送天线2个接收天线的系统性能最好，2x2系统相对于SISO系统(单输入单输出系统)有大约10dB的分集增益。有附图3可以看出，使用G-LDPC码后的MIMO系统性能，LDPC码长为2000，码率为2/3，最大迭代次数为20。使用信道编码的系统在低信噪比下与未使用信道编码的系统性能相差不大，而在高信噪比下能够取得较大的编码增益。相对于未编码的MIMO系统，使用G-LDPC编码能够获得8dB左右的编码增益。
仿真结果表明，随着天线数增加系统误码率降低，在发射接收天线数乘积相同的情况下，发射分集效果更好，且使用G-LDPC码在实现线性时间编码的同时获得8dB左右的编码增益，有利于其实际应用。
综上，本发明采用G-LDPC信道编码和MIMO技术抑制大气湍流和大气衰落，在实现线性时间编码的同时，获得较好的分集增益和较高的编码增益。构造了G-LDPC码的校验矩阵和生成矩阵，运用对数正态分布模型对无线光信道进行建模，并结合MIMO技术给出G-LDPC码的初始化译码方法。从仿真结果可以看出，G-LDPC编码可以使系统获得8dB左右的编码增益，结合MIMO技术，有效降低无线光通信系统误码率。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于MIMO的快速编码LDPC光通信系统，其特征在于，包括基于生成矩阵构造的低密度奇偶校验码(G-LDPC)编码模块，二进制相移键控(BPSK)调制模块，发射天线阵列，无线光信道，接收天线阵列，BPSK解调模块，置信度传播(BP)译码模块，
G-LDPC编码模块用于对信息序列进行编码，编码方法为：
首先构造出系统形式的稀疏校验矩阵H，H＝[P，I]，P为(N-K)*K的一般稀疏矩阵，I为(N-K)*(N-K)的单位矩阵；根据校验矩阵H得到其生成矩阵G，表示为G＝[I，PT]；令码字c＝(s，p)，其中s＝(s1，s2，…，sK)为信息位，p＝(p1,p2，…，pN-K)为校验位，N表示码字长度，K表示信息位长度；将待传输的K维信息比特序列d＝[d1，d2，…，dK]赋值给s；根据c＝dG得到第l个校验位pl为
Figure FDA0002942282450000011
其中，l＝1，2，…，N-K；hl，j是校验矩阵H的第l行、第j列元素，sj是信息序列s的第j个信息位；
BPSK调制模块用于对编码后的信息序列调制；
发射天线阵列、无线光信道、接收天线阵列用于对调制后的信息序列进行信号的传输；
BPSK解调模块，用于对接收到的信号进行解调；
BP译码模块，用于对解调后的信息序列进行译码；译码的过程包括初始化步骤，具体如下：
首先定义对数似然比信息：
Figure FDA0002942282450000012
其中，在时刻n接收到的输出信号为rn，n＝1，2，…，N；对应于码字中的一个比特dn，n＝1，2，…，N；
Figure FDA0002942282450000013
rl是接收序列中的第1个符号，N表示码字长度；
在弱湍流场景，令光强起伏的对数强度方差σ2 lnI＝0.2，使用BPSK调制时，将0和1分别映射为1和-1；对于在时刻n，第j根接收天线，有
Figure FDA0002942282450000021
其中，Pr()为概率密度函数；σ2为噪声方差；N0为噪声功率；rn，j为时刻n，第j根接收天线接收到的输出信号；x是调制后的信息序列，aij表示在大气信道中第i个发送天线和第j个接收天线的信道增益，i＝1，2，…，P，j＝1，2，…，Q；ρ为接收器的光电转化效率，为一常数；
此时初始对数似然比为
Figure FDA0002942282450000022
其中，P为发射天线的数量；Q为接收天线的数量；
再定义迭代过程中需要的后验概率的对数似然比：
Figure FDA0002942282450000023
其中qm，n、
Figure FDA0002942282450000024
是迭代过程中需要的两个后验概率，为
Figure FDA0002942282450000025
Figure FDA0002942282450000026
cm和vn分别表示LDPC码Tanner图中的校验节点和变量节点；m＝1，2，…，M；n＝1，2，…，N，M表示校验位的个数；C(vn)是与变量节点vn相连的校验节点的集合；
当vn参与的校验等式集合C(vn)除cm外都成立时，函数S(C(vn)\cm)＝1；
开始迭代前，L(Qm，n)初始化为L(Qm，n)＝L(Fn)。
2.根据权利要求1所述的快速编码LDPC光通信系统，其特征在于，编码方法具体为：
校验矩阵H，表示为如下形式
Figure FDA0002942282450000031
其中P为正规矩阵，即每行的1的个数相同，每列的1的个数也相同，故此时H为非正规矩阵。
3.根据权利要求1所述的快速编码LDPC光通信系统，其特征在于，BP译码模块对解调后的信息序列进行译码的过程在初始化之后包括以下步骤：
1)校验节点处理；
2)变量节点处理；
3)译码判决，得到码字各比特的估计值
Figure FDA0002942282450000032
进行判断，若满足
Figure FDA0002942282450000033
和/或达到预先设定的最大迭代次数时输出
Figure FDA0002942282450000034
否则重复步骤2)、3)进行迭代，每次迭代之后再进行译码判决。
4.根据权利要求3所述的快速编码LDPC光通信系统，其特征在于，校验节点处理过程为：
定义从校验节点cm传递给变量节点vn的外信息的对数似然比为：
L(rm，n)＝ln(rm，n)
根据恒等式
Figure FDA0002942282450000035
和
Figure FDA0002942282450000036
其中p0+p1＝1，得
Figure FDA0002942282450000037
其中，
Figure FDA0002942282450000038
表示Tanner图中与校验节点cm相连的某一变量节点，且该节点不是vn。
5.根据权利要求3所述的快速编码LDPC光通信系统，其特征在于，变量节点处理过程为：
定义从变量节点vn传递给校验节点cm的外信息的对数似然比为：
L(sm，n)＝ln(sm，n)
根据后验概率的对数似然比，将L(Qm，n)更新为：
Figure FDA0002942282450000041
其中，
Figure FDA0002942282450000045
表示Tanner图中与变量节点vn相连的某一校验节点，且该节点不是cm。
6.根据权利要求3所述的快速编码LDPC光通信系统，其特征在于，译码判决过程具体为：按照下式计算码字中各比特的对数后验似然比L(Rn)
Figure FDA0002942282450000042
根据
Figure FDA0002942282450000043
得到码字各比特的估计值
Figure FDA0002942282450000044
其中n＝1，2，…，N。
7.根据权利要求3所述的快速编码LDPC光通信系统，其特征在于，σ2 lnI为对数强度方差，在无线光通信中有
σ2 lnI＝1.23(2π/λ)7/6Cnd11/6
式中，Cn和d分别为大气折射率结构常数和通信距离，λ为信号波长。
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