CN112003678A - 基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法 - Google Patents

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李孜涵
周奕捷
窦东瑜
田硕
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Abstract

本发明公开了基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法，包括以下步骤：构造线性变换矩阵、无记忆信道合并、矢量信道拆分、挑选比特信道、完成极化码的编码；本发明通过对基础矩阵进行克罗内克积运算并对基础矩阵进行比特反序重排构造生成线性变换矩阵，再通过线性变换矩阵对无记忆信道进行线性组合和递归合并，接着根据信道转移概率将合并的矢量信道拆分为二进制输入信道信道，从而得到比特信道，再通过密度演进法和Monte‑Carlo法计算出比特信道的巴氏参数值，根据巴氏参数值选择对应的信道发送信息比特序列和休眠比特序列并完成水下光通信极化码的编码，从而使水下光通信时光信号在水下更好的传输，保证了通信性能的稳定。

Description

基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法
技术领域
本发明涉及极化码编码技术领域，尤其涉及基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法。
背景技术
近年来，水下光通信因其拥有独特的优势已成为下一代高速、高质量无线通信领域中极具潜力的前沿技术之一，水下光通信属于一种快捷的无线光通信方式，在水下光通信中，由于受环境因素影响大，要保证传输的可靠性和有效性，需要选择合适的信道编码，而极化码就是其中较为合适的信道编码之一，极化码是近几年才被发现的新的信道编码技术，是2009年由E.Arikan提出的唯一在理论上被证明了能够达到二进制输入离散无记忆信道容量的一种编码，它具有较低的编码译码复杂度，并且是目前唯一可通过数学证明达到香农限的编码，极化码已成为信道编码领域最受瞩目的研究热点之一，并且引起了无线通信界的广泛关注；
极化码自从提出以来，就一直吸引了全球众多的科研机构和业内学者的充分兴趣，是这几年通信与信息领域研究的热点，但是，随着无线光通信系统的快速演进，未来的通信系统将会出现一些新的特点，同时也对于水下光通信极化码的编码性能提出了更高的要求，而现阶段水下光通信极化码的编码方法在应用过程中的性能还不理想，由于水下光通信中光信号容易受到水下湍流等因素的干扰，导致光信号在传输过程中会发生能量损耗和信道衰落，从而降低水下光通信的通信性能，所以需要对水下光通信中的极化码编码法进行进一步改善和提高，因此，本发明提出基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法，该发明通过编码矩阵对二进制离散无记忆信道进行合并和拆分，从而进行水下光通信极化码的编码，使极化码编码更为简单和灵活。
为了实现本发明的目的，拟通过以下技术方案实现，包括以下步骤：
步骤一：构造线性变换矩阵
进行水下光通信时，在光信号发射前，先使用数学运算软件进行编程并对基础矩阵进行克罗内克积运算，然后对编程和运算后的基础矩阵进行比特反序重排，使水下光通信中光信号的极化码编码在不考虑顺序问题的情况下直接进行递归运算，最后生成水下光通信中光信号的极化码编码线性变换矩阵并获取水下光通信中光信号的极化码的码长；
步骤二：无记忆信道合并
根据步骤一，先通过由基础矩阵构造生成的极化码编码线性变换矩阵将与极化码码长数目相等且不相关的N个独立的二进制离散无记忆信道以迭代的方式进行组合，再通过极化码编码线性变换矩阵将组合的N个独立的二进制离散无记忆信道线性变换合并成一个整体的矢量信道；
步骤三：矢量信道拆分
根据步骤二，先将由N个独立的二进制离散无记忆信道合并成的矢量信道根据信道转移概率拆分成相互影响且不独立的的N个二进制输入信道，使拆分后的二进制输入信道的传输效率最大化，实现信道的极化，然后得到与独立信道数量相同的比特信道并通过高斯近似法获取比特信道容量，其中容量大于预设容量阀值的比特信道为完全极化的比特信道；
步骤四：挑选比特信道
根据步骤三，先计算出完全极化的比特信道的巴氏参数值，然后根据计算结果选择其中巴氏参数值无限趋向于0的比特信道作为完全好的信道，之后根据计算结果选择其中巴氏参数值无限趋向于1的比特信道作为完全差的信道；
步骤五：完成极化码的编码
根据步骤四，先根据由基础矩阵构造生成的极化码编码线性变换矩阵将待传输的水下光通信原光信号信息线性映射为信息编码序列和休眠比特序列，然后用完全好的比特信道发送信息比特序列，使光信号信息在这完全好的比特信道中进行无干扰传输，然后用完全差的比特信道发送休眠比特序列，使光信号信息不在完全差的比特信道中传输，最后交由矩阵实验室完成水下光通信的极化码编码。
进一步改进在于：所述步骤一中，数据软件为矩阵实验室，并采用矩阵的乘法命令kron和中位操作倒序函数命令bitrevcover进行编程操作。
进一步改进在于：所述步骤四中，通过密度演进法进行巴氏参数的估算，密度演进法对比特信道的巴氏参数计算公式为：
Figure BDA0002652670590000041
进一步改进在于：公式中的
Figure BDA0002652670590000042
为巴氏参数，定义
Figure BDA0002652670590000043
为当发送信息为0时接收序列似然比的概率密度函数，接着根据
Figure BDA0002652670590000044
Figure BDA0002652670590000045
和
Figure BDA0002652670590000046
计算
Figure BDA0002652670590000047
的值，其中
Figure BDA0002652670590000048
然后根据密度演进法公式计算出比特信道的巴氏参数
Figure BDA0002652670590000049
进一步改进在于：所述步骤四中，通过Monte-Carlo法进行巴氏参数的估算，Monte-Carlo法对比特信道的巴氏参数计算公式为：
Figure BDA00026526705900000410
进一步改进在于：公式中的
Figure BDA00026526705900000411
为巴氏参数，公式中向量
Figure BDA00026526705900000412
服从二值分布，公式中
Figure BDA00026526705900000413
和似然比
Figure BDA00026526705900000414
通过接收向量
Figure BDA00026526705900000415
和任意
Figure BDA00026526705900000416
求得，再通过对
Figure BDA00026526705900000417
取不同值以求平均来估算巴氏参数
Figure BDA00026526705900000418
本发明的有益效果为：该发明通过矩阵实验室对基础矩阵进行克罗内克积运算并对基础矩阵进行比特反序重排，从而构造生成水下光通信的极化码编码线性变换矩阵，再通过构造生成的线性变换矩阵对二进制离散无记忆信道进行迭代组合和线性变换合并，接着根据信道转移概率将合并的矢量信道拆分为二进制输入信道，从而得到与独立信道数量相同的比特信道，最后通过密度演进法和Monte-Carlo法计算出比特信道的巴氏参数值，再根据巴氏参数值选择对应的信道发送信息比特序列和休眠比特序列并完成水下光通信极化码的编码，从而使水下光通信时光信号在水下更好的传输，保证了通信性能的稳定,本发明中的极化码编码方法操作简单，编码的空间复杂度低，具有较高的性能和灵活性。
附图说明
图1是本发明的编码流程图；
图2是本发明的信道合并拆分原理图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例一：
根据图1、2所示，本实施例提供了基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法，包括以下步骤：
步骤一：构造线性变换矩阵
进行水下光通信时，在光信号发射前，先使用矩阵的乘法命令kron和中位操作倒序函数命令bitrevcover在矩阵实验室上进行编程并对基础矩阵进行克罗内克积运算，然后对编程完成和运算后的基础矩阵进行比特反序重排，使水下光通信中光信号的极化码编码在不考虑顺序问题的情况下直接进行递归运算，最后生成水下光通信中光信号的极化码编码线性变换矩阵并获取水下光通信中光信号的极化码的码长；
步骤二：无记忆信道合并
根据步骤一，先通过由基础矩阵构造生成的极化码编码线性变换矩阵将与极化码码长数目相等且不相关的N个独立的二进制离散无记忆信道以迭代的方式进行组合，再通过极化码编码线性变换矩阵将组合的N个独立的二进制离散无记忆信道线性变换合并成一个整体的矢量信道；
步骤三：矢量信道拆分
根据步骤二，先将由N个独立的二进制离散无记忆信道合并成的矢量信道根据信道转移概率拆分成相互影响且不独立的的N个二进制输入信道，使拆分后的二进制输入信道的传输效率最大化，实现信道的极化，然后得到与独立信道数量相同的比特信道并通过高斯近似法获取比特信道容量，其中容量大于预设容量阀值的比特信道为完全极化的比特信道；
步骤四：挑选比特信道
根据步骤三，先通过密度演进法计算出完全极化的比特信道的巴氏参数值，然后根据计算结果选择其中巴氏参数值无限趋向于0的比特信道作为完全好的信道，之后根据计算结果选择其中巴氏参数值无限趋向于1的比特信道作为完全差的信道，所述密度演进法的计算公式为：
Figure BDA0002652670590000071
公式中的
Figure BDA0002652670590000072
为巴氏参数，定义
Figure BDA0002652670590000073
为当发送信息为0时的接收序列似然比的概率密度函数值，接着再根据
Figure BDA0002652670590000074
和
Figure BDA0002652670590000075
计算
Figure BDA0002652670590000076
的值，其中
Figure BDA0002652670590000077
然后根据密度演进法公式计算出比特信道的巴氏参数
Figure BDA0002652670590000078
步骤五：完成极化码的编码
根据步骤四，先根据由基础矩阵构造生成的极化码编码线性变换矩阵将待传输的水下光通信原光信号信息线性映射为信息编码序列和休眠比特序列，然后用完全好的比特信道发送信息比特序列，使光信号信息在这完全好的比特信道中进行无干扰传输，然后用完全差的比特信道发送休眠比特序列，使光信号信息不在完全差的比特信道中传输，以完成水下光通信的极化码编码。
实施例二：
根据图1、2所示，本实施例提供了基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法，包括以下步骤：
步骤一：构造线性变换矩阵
进行水下光通信时，在光信号发射前，先使用矩阵的乘法命令kron和中位操作倒序函数命令bitrevcover在矩阵实验室上进行编程并对基础矩阵进行克罗内克积运算，然后对编程完成和运算后的基础矩阵进行比特反序重排，使水下光通信中光信号的极化码编码在不考虑顺序问题的情况下直接进行递归运算，最后生成水下光通信中光信号的极化码编码线性变换矩阵并获取水下光通信中光信号的极化码的码长；
步骤二：无记忆信道合并
根据步骤一，先通过由基础矩阵构造生成的极化码编码线性变换矩阵将与极化码码长数目相等且不相关的N个独立的二进制离散无记忆信道以迭代的方式进行组合，再通过极化码编码线性变换矩阵将组合的N个独立的二进制离散无记忆信道线性变换合并成一个整体的矢量信道；
步骤三：矢量信道拆分
根据步骤二，先将由N个独立的二进制离散无记忆信道合并成的矢量信道根据信道转移概率拆分成相互影响且不独立的的N个二进制输入信道，使拆分后的二进制输入信道的传输效率最大化，实现信道的极化，然后得到与独立信道数量相同的比特信道并通过高斯近似法获取比特信道容量，其中容量大于预设容量阀值的比特信道为完全极化的比特信道；
步骤四：挑选比特信道
根据步骤三，先通过Monte-Carlo法计算出完全极化的比特信道的巴氏参数值，然后根据计算结果选择其中巴氏参数值无限趋向于0的比特信道作为完全好的信道，之后根据计算结果选择其中巴氏参数值无限趋向于1的比特信道作为完全差的信道，所述Monte-Carlo法的计算公式为：
Figure BDA0002652670590000081
公式中的
Figure BDA0002652670590000091
为巴氏参数，公式中向量
Figure BDA0002652670590000092
服从二值分布，公式中
Figure BDA0002652670590000093
和似然比
Figure BDA0002652670590000094
通过接收向量
Figure BDA0002652670590000095
和任意
Figure BDA0002652670590000096
求得，再通过对
Figure BDA0002652670590000097
取不同值以求平均来估算巴氏参数
Figure BDA0002652670590000098
步骤五：完成极化码的编码
根据步骤四，先根据由基础矩阵构造生成的极化码编码线性变换矩阵将待传输的水下光通信原光信号信息线性映射为信息编码序列和休眠比特序列，然后用完全好的比特信道发送信息比特序列，使光信号信息在这完全好的比特信道中进行无干扰传输，然后用完全差的比特信道发送休眠比特序列，使光信号信息不在完全差的比特信道中传输，以完成水下光通信的极化码编码。
该基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法通过矩阵实验室对基础矩阵进行克罗内克积运算并对基础矩阵进行比特反序重排，从而构造生成水下光通信的极化码编码线性变换矩阵，再通过构造生成的线性变换矩阵对二进制离散无记忆信道进行迭代组合和线性变换合并，接着根据信道转移概率将合并的矢量信道拆分为二进制输入信道，从而得到与独立信道数量相同的比特信道，最后通过密度演进法和Monte-Carlo法计算出比特信道的巴氏参数值，再根据巴氏参数值选择对应的信道发送信息比特序列和休眠比特序列并完成水下光通信极化码的编码，从而使水下光通信时光信号在水下更好的传输，保证了通信性能的稳定，本发明中的极化码编码方法操作简单，编码的空间复杂度低，具有较高的性能和灵活性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：构造线性变换矩阵
进行水下光通信时，在光信号发射前，先使用数学运算软件进行编程并对基础矩阵进行克罗内克积运算，然后对编程和运算后的基础矩阵进行比特反序重排，使水下光通信中光信号的极化码编码在不考虑顺序问题的情况下直接进行递归运算，最后生成水下光通信中光信号的极化码编码线性变换矩阵并获取水下光通信中光信号的极化码的码长；
步骤二：无记忆信道合并
根据步骤一，先通过由基础矩阵构造生成的极化码编码线性变换矩阵将与极化码码长数目相等且不相关的N个独立的二进制离散无记忆信道以迭代的方式进行组合，再通过极化码编码线性变换矩阵将组合的N个独立的二进制离散无记忆信道线性变换合并成一个整体的矢量信道；
步骤三：矢量信道拆分
根据步骤二，先将由N个独立的二进制离散无记忆信道合并成的矢量信道根据信道转移概率拆分成相互影响且不独立的的N个二进制输入信道，使拆分后的二进制输入信道的传输效率最大化，实现信道的极化，然后得到与独立信道数量相同的比特信道并通过高斯近似法获取比特信道容量，其中容量大于预设容量阀值的比特信道为完全极化的比特信道；
步骤四：挑选比特信道
根据步骤三，先计算出完全极化的比特信道的巴氏参数值，然后根据计算结果选择其中巴氏参数值无限趋向于0的比特信道作为完全好的信道，之后根据计算结果选择其中巴氏参数值无限趋向于1的比特信道作为完全差的信道；
步骤五：完成极化码的编码
根据步骤四，先根据由基础矩阵构造生成的极化码编码线性变换矩阵将待传输的水下光通信原光信号信息线性映射为信息编码序列和休眠比特序列，然后用完全好的比特信道发送信息比特序列，使光信号信息在这完全好的比特信道中进行无干扰传输，然后用完全差的比特信道发送休眠比特序列，使光信号信息不在完全差的比特信道中传输，最后交由矩阵实验室完成水下光通信的极化码编码。
2.根据权利要求1所述的基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法，其特征在于：所述步骤一中，数据软件为矩阵实验室，并采用矩阵的乘法命令kron和中位操作倒序函数命令bitrevcover进行编程操作。
3.根据权利要求1所述的基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法，其特征在于：所述步骤四中，通过密度演进法进行巴氏参数的估算，密度演进法对比特信道的巴氏参数计算公式为：
Figure FDA0002652670580000021
4.根据权利要求3所述的基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法，其特征在于：公式中的
Figure FDA0002652670580000031
为巴氏参数，定义
Figure FDA0002652670580000032
为当发送信息为0时接收序列似然比的概率密度函数，再根据
Figure FDA0002652670580000033
Figure FDA0002652670580000034
和
Figure FDA0002652670580000035
计算
Figure FDA0002652670580000036
的值，其中
Figure FDA0002652670580000037
然后根据密度演进法公式计算出比特信道的巴氏参数
Figure FDA0002652670580000038
5.根据权利要求1所述的基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法，其特征在于：所述步骤四中，通过Monte-Carlo法进行巴氏参数的估算，Monte-Carlo法对比特信道的巴氏参数计算公式为：
Figure FDA0002652670580000039
6.根据权利要求5所述的基于信道合并拆分的水下光通信极化码编码法，其特征在于：公式中
Figure FDA00026526705800000310
为巴氏参数，公式中向量
Figure FDA00026526705800000311
服从二值分布，公式中
Figure FDA00026526705800000312
和似然比
Figure FDA00026526705800000313
通过接收向量
Figure FDA00026526705800000314
和任意
Figure FDA00026526705800000315
求得，再通过对
Figure FDA00026526705800000316
取不同值以求平均来估算巴氏参数
Figure FDA00026526705800000317
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