CN111162881B - 空间光通信中基于harq抗衰落的传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间光通信抗衰落技术领域，特别涉及一种空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输方法及系统，对发送端缓存器发出的数据进行帧分组，分组完成后进行PPM调制，并通过衰落信道进行传输；光子探测器对每帧信号光功率进行估计判断，如果实际光子数大于光子探测器的阈值则结合纠错码以及交织方式进行纠错，并向发送端缓存器发送ACK确认数据；否则向发送端缓存器发送NACK非确认信号，重传光子数低于阈值易出错的重传帧；本发明相比于传统HARQ方案和长交织结合LDPC纠错码方案，系统误码率降低，吞吐量更大，改善了系统的抗衰落性能。

Description

空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输方法及系统

技术领域

本发明属于空间光通信抗衰落技术领域，特别涉及一种空间光通信中基于 HARQ抗衰落的传输方法及系统。

背景技术

现有的抗衰落关键技术总共分为三类：一类是前向纠错码(FEC)，例如低 密度奇偶校验码(LDPC)、Turbo码、RS卷积码、喷泉码；另一类是自动请求 重传(ARQ)；还包括混合自动请求重传(HARQ)。

前向纠错码(FEC)：通过纠错码直接纠正传输过程中的错误码字，但是 FEC只适合短错误码纠错，对于大气湍流导致的突发连串的错误码字纠错能力 不足。所以一般采用交织方法将连串的错误码字分散开，然后再结合FEC进行 纠错。但是，如果连串的错误码字太多，交织之后可能纠错码仍然纠错能力不 足。

自动请求重传(ARQ)：该方法相比于FEC纠错能力更强，如果连串错误 码字太多，超出了前向纠错码的纠错能力，可以使用ARQ抗衰落的方法。该方 法一般译码后将信息码字通过校验码校验，例如CRC校验码，如果通过校验， 就向发送端发送ACK确认信号。反之，向发送端发送NACK非确认信号，通 知发送端重发当前译码出错的整个纠错帧。但是，如果信道环境较差导致错误 码字较多，导致频繁重传，不仅浪费信道资源，而且导致时延增大，纠错效果 差。

混合自动请求技术(HARQ):该方法同时结合纠错码和ARQ两者的优势组 成纠错能力更强，时延更小的HARQ方案。一般在重传方案中加入纠错码，译 码后通过校验码判断是否重传。现有的HARQ传输方案中，chase合并型和增量 冗余型(IR)型HARQ传输方案被广泛采用。但是，由于HARQ方案并没有针 对大气湍流造成的连串突发性错误中部分帧进行重传纠错处理，而是重传整个 纠错帧，造成整个HARQ系统的纠错效率变差，时延增大，而且对纠错帧中正 确帧的部分重传，将会造成信道资源的极大浪费。此外，在接收端每次将接受 到的数据译码之后通过某种方式加权合并再进行译码，充分的利用接收端的数 据包中有用信息。

发明内容

为了增强光通信系统的抗衰落能力，本发提出一种空间光通信中基于 HARQ抗衰落的传输方法，具体包括以下步骤：

S1、对发送端缓存器发出的数据进行帧分组，分组完成后进行PPM调制， 并通过衰落信道进行传输；

S2、光子探测器对每帧信号光功率进行估计判断，如果实际光子数大于光 子探测器的阈值则进行步骤S3，否则进行步骤S4；

S3、结合纠错码以及交织方式进行纠错，并向发送端缓存器发送ACK确认 数据；

S4、向发送端缓存器发送NACK非确认信号，重传光子数低于阈值易出错 的重传帧。

进一步的，对发送端缓存器发出的数据进行帧分组的过程包括：

以单位帧长的持续时间为基准对数据进行帧分组，单位帧长的持续时间表 示为：

T＝L1/(log₂N)×N×T1；

其中，T为单位帧长的持续时间；L1为数据经过LDPC编码之后得到的码 长；N为PPM调制阶数；T1为时隙时间。

进一步的，光强闪烁指数方差大于0.3时，光子探测器的阈值为静态阈值， 即采用固定的2光子/PPM符号。

进一步的，当光强闪烁指数方差大于0.3，采用动态阈值，即将接收端最大 光子数乘以衰落参数作为光子探测器的阈值，衰落参数为在接收端统计得到的 衰落概率分布。

进一步的，光强闪烁指数方差表示为：

其中，k为自由空间波数；ζ为天顶角；

为距离地面h处大气折射率结 构常数；H为轨道高度；h₀为地面高度。

进一步的，重传帧根据对纠错帧交织之后分组得到，将重传帧中实际光子 数小于光子探测器的阈值定义为易出错的重传帧，接收端缓存器向发送端缓存 器发送ACK确认数据之后将重传该易出错的重传帧。

本发明还提出一种空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输系统，包括LDPC 编码器、交织器、接收端传输缓存器、PPM调制器、衰落信道、PPM解调器、 解交织器以及LDPC译码器，还包括帧分组单元、光子探测器、光功率估计单 元以及接收端传输缓存器，其中：

帧分组单元，用于对接收端传输缓存器发出的信号记性帧分组；

光子探测器，用于探测衰落信道中每帧信号的实际光子数；

光功率估计单元，用于对衰落信道中每帧信号光功率进行估计，并将估计 值与实际光子数与估计值进行比较后，选择处理方式；

LDPC编码器，用于对随机产生的二进制信息进行编码；

交织器，用于对产生的随机二进制信息LDPC编码之后打乱顺序；

接收端缓存器，用于缓存将要发射的大量信息比特，当收到接收端的重传 信号时，用于进行重传发射；

PPM调制器，对信号进行调制，将原始信号转变成光信号；

解交织器，用于将交织打乱的信号进行还原，还原出原始顺序的信号；

LDPC译码器，用于通过BP译码算法得到软解调信息，进行迭代译码。

本发明相比于传统HARQ方案和长交织结合LDPC纠错码方案，系统误码 率降低，吞吐量更大，改善了系统的抗衰落性能。

附图说明

图1为传统的HARQ传输方案框图；

图2为本发明改进的HARQ传输方案框图；

图3为接收端归一化光强随时间的变化；

图4为本发明改进HARQ系统不同分组情况下误码率的衰落仿真结果；

图5为无HARQ、不同LDPC帧长交织时间平均误码率仿真；

图6为无HARQ方案、改进HARQ方案平均误码率仿真1；

图7为无HARQ方案、改进HARQ方案平均误码率仿真2；

图8为改进HARQ方案不同阈值、相同大气湍流衰落下平均误码率仿真；

图9为阈值(每PPM符号光子数)与衰落概率关系；

图10为无HARQ、传统HARQ、不同阈值的改进HARQ方案吞吐量仿真。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例为了进一步提升LDPC纠错码与ARQ相结合的重传方案抗衰落性 能，在传统chase型HARQ方案基础上提出了改进的HARQ方案，包括以下步 骤：

S1、对发送端缓存器发出的数据进行帧分组，分组完成后进行PPM调制， 并通过衰落信道进行传输；

S2、光子探测器对每帧信号光功率进行估计判断，如果实际光子数大于光 子探测器的阈值则进行步骤S3，否则进行步骤S4；

S3、结合纠错码以及交织方式进行纠错，并向发送端缓存器发送ACK确认 数据；

S4、向发送端缓存器发送NACK非确认信号，重传光子数低于阈值易出错 的重传帧；

S5、如果译码失败或者没有通过CRC校验，则继续重传纠错帧。

在本实施例中，对发送端缓存器发出的数据进行帧分组的过程包括：

以单位帧长的持续时间为基准对数据进行帧分组，单位帧长的持续时间表 示为：

T＝L1/(log₂N)×N×T1；

其中，T为单位帧长的持续时间；L1为数据经过LDPC编码之后得到的码 长；N为PPM调制阶数；T1为时隙时间。

进一步的，光强闪烁指数方差大于0.3时，光子探测器的阈值为静态阈值， 即采用固定的2光子/PPM符号。

进一步的，当光强闪烁指数方差大于0.3，采用动态阈值，即将接收端最大 光子数乘以衰落参数作为光子探测器的阈值，衰落参数为在接收端统计得到的 衰落概率分布。

进一步的，重传帧根据对纠错帧交织之后分组得到，将重传帧中实际光子 数小于光子探测器的阈值定义为易出错的重传帧，接收端缓存器向发送端缓存 器发送ACK确认数据之后将重传该易出错的重传帧。

图1是传统的chase型HARQ传输方案框图，采用LDPC纠错码结合重传 方案组成译码后重传的chase型方案，传统的HARQ方案表述如下：

发送端第一次发送的序列是经LDPC编码之后的纠错帧，编码过程中首先 通过代数方法构造一个H生成矩阵，构造的H矩阵经度优化之后经编码得到的 码长为2330，码率为1/2的纠错帧。其中H矩阵满足无四环，满足一种低密度 奇偶校验矩阵。随后采用随机交织将纠错帧中的码字分散开，防止形成连续的 错误码字。发送端缓存器保存着已经发送的编码信息，如果接收端译码后无法 通过校验码校验，收到接收端传回的NACK(negativeacknowledgement)反馈 信号，随后重传整个纠错帧。最后经PPM调制发送出去，经衰落信道之后到达 接收端。

在接收端采用BP软判决译码算法得到译码之后的信息比特，随后使用校验 码检错，例如循环冗余校验码CRC检验码，判断译码之后的信息比特是否正确。 如果正确就向发送端发送ACK(acknowledgement)确认信号，反之向发送端发 送NACK非确认信号，然后发射端重发整个纠错帧。重复该过程，直到发射端 收到ACK确认信号或者达到最大重传次数为止。此外，在接收端缓存器中将每 次重传接收到的比特软信息序列存储下来，采用最大似然比加权合并进行译码， 充分利用传输比特有用信息，增强译码的可靠性。

在大气湍流的影响下接收端会出现光强闪烁现象，还会出现折射率的随机 变化，将会导致接收端信号的衰落。此外，对于空间激光通信远距离传输下行 链路，可以把接收端光波看成平面波。一般采用经典的平面波Rytov弱湍流理论， 在弱湍流条件下，接收端光强概率密度服从对数正态分布。当激光在空间中传 播时，为了方便进行大气湍流数值模拟，该部分采用多相位屏数值模拟方法， 仿真了大气湍流衰落下接收端光强变化特性，并采用Von Karman大气湍流谱， 如下所示：

上式中k₀＝2π/L₀，L₀为大气湍流外尺度，

表示距离地面h处大气折射率 结构常数，是衡量大气折射率起伏的物理量，单位为m^-2/3，k为三维空间波数并 且与波长λ成反比，本文中采用Hufnagel-Valley5/7模型，如下所示：

上式中h为卫星距离地面的高度，A₀为靠近地面的折射率结构常数，w为 5-20km高度处的风速情况，根据Bufton风速模型估算，风速均值为21m/s。由 参考文献多相位屏模拟方法，大气湍流参数设置如下：大气湍流外尺度 L₀＝100，A₀＝1.7×10^-14m^-2/3，采样时间间隔1ms。如图1，设置光波长λ，天顶角

地 面接收天线直径D，根据以上设置的大气湍流参数，得到归一化接收光强随时间 变化图。图1中从场景一到场景四的光强闪烁指数

依次为0.0136、0.0156、 0.2407、0.5478，可看出波长减小，天顶角增大，地面天线直径减小，光强闪烁 指数增大，大气湍流衰落会增大。

从图4中可以看出，分组帧数一般在5-10帧为最佳情况，而且存在一个最 佳帧分组的情况。光强闪烁指数越大，分组的帧长随之越长，对最终的平均误 码率影响越大。

为了方便比较，无HARQ、多帧长交织方案在不同交织时间下，不同的大 气湍流衰落条件下，采用16PPM调制方式，时隙时间为35ns,交织时间为0.33ms， 平均误码率的仿真结果如下图5～7，图5～7中横坐标R_SN为10lg(n_s/(MT_S))，单位为dB,M 为单位PPM符号时隙总数，Ts为单位时隙时间，ns为单位PPM符号中的光子 数，从图5可以看出，当无大气湍流的时候，每PPM符号光子数近似为25dB 时，对应每PPM符号为2光子时，误码率在10^-3级别，衰落概率近似为0，以 此作为光子探测器的阈值；从图6可以看出，使用传统的HARQ传输方案相比 于不采用重传方案提升了0.25dB的增益，本发明改进HARQ方案相比于传统的 chase型HARQ方案提升0.45dB的信噪比增益；从图7可以看出，本发明改进 方案相比于传统HARQ方案改进了0.6dB的增益，说明改进HARQ方案衰落越 大时误码率性能提升越明显，充分体现改进重传方案抗衰落性能优越性。

在25dB基础上，即每PPM符号1.8光子，改变阈值条件变化时，对应的 平均误码率和R_SN仿真如图8～9，从图8可以看出在相同的大气湍流衰落下，阈值 增大会降低系统误码率，但是会增大重传次数，时延增大，所以为了解决具体 的衰落问题，需要根据时延和误码率参数设置。影响重传系统性能另一因素是 吞吐量，其中吞吐量计算公式如下：

从图10可以看出在信噪比较低时，改进HARQ方案相对于无重传方案和传 统HARQ方案吞吐量性能有一定的提升，而且相比于无HARQ方案吞吐量提升 大小趋向于先增大后减小。随着RSN增加，改进方案吞吐量提升效果不明显。 此外，改进HARQ方案阈值对吞吐量和误码率都有一定的影响。而且随着阈值 增大，吞吐量降低，但误码率也降低。说明随着重传次数的增大，误码率会下 降，但是会牺牲吞吐量。

本文采用多相位屏模拟方法对激光通信链路中大气湍流衰落进行了仿真。 然后分别研究了改进HARQ方案、传统HARQ方案、长交织方案分别对激光通 信系统误码率性能的影响，体现了改进HARQ方案抗衰落性能的优越性。阈值 影响改进HARQ方案抗衰落性能。如果衰落较大时，阈值应该相应增大，增强 抗系统的衰落能力，但是随之重传次数增多，吞吐量性能会下降，所以使用 HARQ抗衰落方案过程中应该选择最佳取值。另外分组最佳取值在5-10帧为相 对理想的分组，具体需要根据衰落情况而定。

本发明还提出一种空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输系统，如图2，包 括LDPC编码器、交织器、接收端传输缓存器、PPM调制器、衰落信道、PPM解 调器、解交织器、LDPC译码器，以及帧分组单元、光子探测器、光功率估计单 元以及接收端传输缓存器，其中，

帧分组单元，用于对接收端传输缓存器发出的信号记性帧分组；

光子探测器，用于探测衰落信道中每帧信号的实际光子数；

光功率估计单元，用于对衰落信道中每帧信号光功率进行估计，并将估计 值与实际光子数与估计值进行比较后，选择处理方式；

LDPC编码器，用于对随机产生的二进制信息进行编码；

交织器，用于对产生的随机二进制信息LDPC编码之后打乱顺序；

接收端缓存器，用于缓存将要发射的大量信息比特，当收到接收端的重传 信号时，用于进行重传发射；

PPM调制器，对信号进行调制，将原始信号转变成光信号；

解交织器，用于将交织打乱的信号进行还原，还原出原始顺序的信号；

LDPC译码器，用于通过BP译码算法得到软解调信息，进行迭代译码

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言， 可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变 化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对发送端缓存器发出的数据进行帧分组，分组完成后进行PPM调制，并通过衰落信道进行传输；

S2、光子探测器对每帧信号光功率进行估计判断，如果实际光子数大于光子探测器的阈值则进行步骤S3，否则进行步骤S4；

S3、结合纠错码以及交织方式进行纠错，并向发送端缓存器发送ACK确认信号；

S4、向发送端缓存器发送NACK非确认信号，重传光子数低于阈值易出错的重传帧。

2.根据权利要求1所述的空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输方法，其特征在于，对发送端缓存器发出的数据进行帧分组的过程包括：

以单位帧长的持续时间为基准对数据进行帧分组，单位帧长的持续时间表示为：

T＝L1/(log₂N)×N×T1；

其中，T为单位帧长的持续时间；L1为数据经过LDPC编码之后得到的码长；N为PPM调制阶数；T1为时隙时间。

3.根据权利要求1所述的空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输方法，其特征在于，光强闪烁指数方差大于0.3时，光子探测器的阈值为静态阈值，即采用固定的2光子/PPM符号。

4.根据权利要求1所述的空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输方法，其特征在于，当光强闪烁指数方差大于0.3，采用动态阈值，即将接收端最大光子数乘以衰落参数作为光子探测器的阈值，衰落参数为在接收端统计得到的衰落概率分布。

5.根据权利要求1所述的空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输方法，其特征在于，光强闪烁指数方差表示为：

其中，k为自由空间波数；ζ为天顶角；

为距离地面h处大气折射率结构常数；H为轨道高度；h₀为地面高度。

6.根据权利要求5所述的空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输方法，其特征在于，距离地面h处大气折射率结构常数

表示为：

其中，A₀为靠近地面的折射率结构常数，w为5-20km高度处的风速情况。

7.根据权利要求1所述的空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输方法，其特征在于，空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输方法还包括：

S5、如果译码失败或者没有通过CRC校验，则继续重传纠错帧。

8.根据权利要求1所述的空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输方法，其特征在于，重传帧根据对纠错帧交织之后分组得到，将重传帧中实际光子数小于光子探测器的阈值定义为易出错的重传帧，接收端缓存器向发送端缓存器发送ACK确认数据之后将重传该易出错的重传帧。

9.空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输系统，该系统用于执行权利要求1～8所述任意一种空间光通信中基于HARQ抗衰落的传输方法，该系统包括LDPC编码器、交织器、接收端传输缓存器、PPM调制器、衰落信道、PPM解调器、解交织器以及LDPC译码器，其特征在于，还包括帧分组单元、光子探测器、光功率估计单元以及接收端传输缓存器，其中：

帧分组单元，用于对接收端传输缓存器发出的信号记性帧分组；

光子探测器，用于探测衰落信道中每帧信号的实际光子数；

光功率估计单元，用于对衰落信道中每帧信号光功率进行估计，并将估计值与实际光子数与估计值进行比较后，选择处理方式；

LDPC编码器，用于对随机产生的二进制信息进行编码；

交织器，用于对产生的随机二进制信息LDPC编码之后打乱顺序；

接收端缓存器，用于缓存将要发射的大量信息比特，当收到接收端的重传信号时，用于进行重传发射；

PPM调制器，对信号进行调制，将原始信号转变成光信号；

解交织器，用于将交织打乱的信号进行还原，还原出原始顺序的信号；

LDPC译码器，用于通过BP译码算法得到软解调信息，进行迭代译码，根据各个比特对应的似然比进行译码，还原出原始的信息比特。

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