CN114978312A - 一种面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法，包括一个Raptor码编码器和一个交织器，Raptor码为LT码与线性分组码的级联码，联合抗误码和擦除，LT码作为内码，高码率LDPC码作为外码；交织器用于将长连续错误分散开，避免一次Raptor编码数据完全陷入强衰落中；编码时首先对信息进行交织，再进行Raptor编码。本发明从信道编码的角度来解决跨水面无线光通信链路脆弱易中断的问题，收发机结构简单，无需采用机械结构来实现收发机的严格对准，适用于各种跨水面无线光通信系统。本发明提供了一种无需反馈的前向纠错编码方案，改善链路随机中断带来的通信影响，提高跨水面无线光通信系统的可靠性。

Description

一种面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法
技术领域
本发明涉及可见光通信和信道编码领域，尤其涉及一种面向动态跨水面可见光通信系统 的信道编码方法。
背景技术
水下作业时，水下海工装备需要与水面上方的控制平台进行信息交互。目前有三种无线 载波可用于水下与水上无线通信：无线电波、声波和光。无线电波通信是目前应用最广的陆 地通信手段，在大气中可以用高达百兆的速率传输几十千米，但由于水是导电介质(特别是 含有大量盐的海水)，因此无线电波在水下的传播距离极短，只能以很低的频率(30-300Hz) 传播几米。声波通信是目前应用最广泛的水下通信方式，水声通信的最大优点是可以实现长 达几十千米的远距离通信。但由于声波的传播速度以及声波的频率限制，会使通信存在较大 的时延。
光通信是一种更适合水下和水上跨界面通信的方式。利用海水的窗口效应，选用蓝绿光 作为载波，来减少海水对光信号的衰减。与无线电波、声波信相比，光波能够在水下与大气 同时实现高速、长距离传输，并且具有最低的传输延迟和最低的实现成本。
虽然光通信在跨水面通信中具有很大的潜在优势，但由于水下通信节点受水流影响，会 存在不可忽略的位置与方向动态性，而且水空界面与信道介质在水流与气流的作用下也存在 不可忽略的动态性。这些动态性使得光信号产生非视距传输，接收端存在随机弱链路特征， 从而导致通信链路的随机中断，因此需要高效而可靠的传输方案来实现跨水面无线光的可靠 传输。
基于跨水面无线光链路的信号光强大动态变化特性，采用有效的信道编码方案，可以改 善链路随机中断带来的通信影响。我们将弱链路增益表征为信道擦除，其他信号建模为含噪 信号，通过在电域给出联合抗擦除与噪声的信道编码方案，来实现跨水面动态信号下的可靠 传输。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种面向动态跨水面可见光通信系统 的信道编码方法，对收发机结构要求简单，可以有效改善链路随机中断带来的通信影响，提 高跨水面无线光通信系统的可靠性。
本发明技术解决方案：一种面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法，其特征在 于由交织器和Raptor码编码器级联构成；由于水下节点位置方向的随机波动，以及水面波浪 造成的光斑漂移因素，会在接收端产生极弱的链路增益，造成长连续突发错误，等效为擦除 加噪声信道；其中交织器将由于信道擦除部分导致的长连续错误分散开，减少接收数据中长 连续错误的出现；所述Raptor码是一种喷泉码，用于对交织器输出的信号进行编码；交织器 与Raptor码编码器二者联合起到抗擦除和噪声的作用，整体编码得到的序列为长码；整体编 码得到的序列在发送端通过发光二极管LED发送出去，接收端采用光电探测器APD接收， 无需反链路进行纠错；
信道编码过程为：
(1)在发射端采用交织器对需要传输的信息序列进行交织处理，得到交织数据矩阵；
(2)对交织器输出的数据矩阵按列输入至Raptor码编码器进行Raptor编码，得到编码矩 阵；
(3)将编码矩阵按行展开，得到编码序列；所述编码序列为长码，长码很好地涵盖跨水面 信道的动态范围，同时利用信道编码的前向纠错功能，无需反馈链路反馈信息进行纠错。
其中，发射端采用交织器将需要传输的信息序列每M个比特分成一组，得到一个M行 N列的交织数据矩阵；在接收端解交织，将长连续错误分散开。
其中，Raptor码为LT码与LDPC码的级联所组成的喷泉码，其中LT码为内码，LDPC码为外码，Raptor码首先进行外码编码，再进行内码编码，编码开销ε由LT码与LDPC码共 同决定。
其中，Raptor码内码LT码编码服从度分布
Figure BDA0003641230250000021
Ωi表示编码时符号度数为 i的概率。
其中，Raptor码外码LDPC码选取高码率LDPC码，用于进一步恢复LT码未能译码的数据，降低LT码的误码平层。
其中，Raptor码编码器编码时，先进行LDPC预编码，产生中间符号，再将生成的中间 符号送入LT码编码器，经过LT编码器生成Raptor编码信息。
其中，编码开销ε由LDPC预编码开销ε1和LT码开销ε2共同决定，且满足：
1+ε＝(1+ε1)(1+ε2)。
其中，整体编码后的得到的编码序列，调制到发光二极定LED上，LED的波长选取在450-550nm即蓝绿光之间，降低光功率在水下传输过程中的损耗。
其中，接收端的光电探测器接收到信号后，将光信号转化为电信号，电信号首先去交织， 将长连续错误打散，再对各个Raptor码进行译码，得到恢复后的信息序列。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明从信道编码的角度来解决跨水面无线光通信链路脆弱易中断的问题，通过采 用交织器和Raptor编码器的联合编码，可以很好的应对跨水面信道擦除加噪声的特性，改善 通信链路。与传统的采用机械结构来实现跨水面收发机对准的方案相比，本发明无需收发机 严格对准，收发机结构简单，适用于各种跨水面无线光通信系统。
(2)本发明提供了一种无需反馈的前向纠错编码方案，编码得到的长码一个序列可以覆 盖跨水面信道的动态范围，消除信道擦除带来的影响；与短码相比，可以避免一个编码序列 完全陷入擦除之中导致无法译码，因此无需反馈链路也可以改善链路随机擦除带来的通信影 响，提高跨水面无线光通信系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法的编码结构图；
图2为本发明的通信场景图；
图3为本发明较佳实例提供的通信系统框图；
图4为基于图2所示实例，系统误码率随着编码开销变化的曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
在动态跨水面可见光通信系统中，发射端和接收端分别处于不同的介质中，一方位于大 气中，一方位于水下，采用蓝绿光LED进行无线通信，通信场景图如图2所示。由于水下 节点位置方向的随机波动，以及水面波浪造成的光斑漂移等因素，会在接收端产生极弱的链 路增益，造成长连续突发错误，因此动态跨水面信道可等效为擦除加噪声信道，严重影响通 信的可靠性。
本发明中的信道编码，具体包括一个Raptor码编码器和一个交织器，通过将两种编码按 照一定的结构顺序进行设计，可以起到联合抗误码与擦除的作用。整体的编码结构在图1中 给出。如图1所示，编码时，首先将需要传输的信息序列每M个比特分成一组，得到一个 M行N列的交织数据矩阵；然后，对交织数据矩阵的每一列进行Raptor编码，得到编码矩 阵；最后，将编码矩阵按行展开，得到编码序列。编码序列在跨水面信道传输中，部分信息 经历较大的衰减，变为极弱信息，在接收端解交织，将连续的极弱信息分散开，再利用Raptor 对信息进行恢复。
其中，Raptor码为LT码与线性分组码的级联码，LT码作为内码，5/6码率的高码率LDPC 码作为外码。Raptor码编码之前首先对发送信号进行LDPC预编码，产生中间符号；将生成 的中间信息送入LT码编码器，经过LT编码生成Raptor编码信息。译码时先进行LT译码， 当部分信息经过LT译码时译码失败，可以通过LDPC码的强纠错能力对错误信息进行纠正。 其内码LT码编码生成的数据流服从度分布
Figure BDA0003641230250000041
其中Ωi表示编码时符号度数为 i的概率。编码时依据确定的度分布函数Ω(x)，随机生成一个度数d，从输入序列中随机选择 d个符号进行异或运算，得到该编码生成的符号。本实施例采用的度分布函数如下式所示：
Ω(x)＝0.1753x+0.3071x2+0.1406x3+0.0925x4+0.0893x5 +0.0646x8+0.0542x9+0.0466x19+0.0198x65+0.0100x66
跨水面信道由于水面波动以及水下节点的不稳定性，导致接收端光强会产生较大的动态 变化，部分信号存在长连续的擦除。为了避免Raptor的编码数据完全陷入一段弱链路中，引 入交织编码来将长连续的错误分散开。编码时，首先对要发送的信息序列进行交织编码，将 每M个比特分成一组，得到一个M行N列的矩阵；接下来对该矩阵的每一列进行Raptor 编码，得到编码矩阵。得到的编码矩阵按行展开，调制到LED上发送出去。
接收端的光电探测器接收信号，得到的数据首先去交织，去交织后可以将长连续错误分 散到不同的Raptor码中，避免将连续的数据错误分配到一个Raptor编码序列中；再对各个 Raptor码进行译码，译码方案采用经典的对数似然比-置信传播(LLR-BP)算法，译码后得到 发送的数据。如图3所示的通信框图，为一较佳实施例的示意图。图3中，在发送端，信源 产生需要传输信息序列；利用本发明提出的面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法， 对信息序列进行信道编码，得到编码序列；编码序列调制到LED上发送出去。在接收端，APD接收到信号后将光信号转换为电信号；对转换后的电信号进行解调，得到接收序列；对 接收序列进行信道译码，得到接收数据。
具体的，将发射端置于水下3.5m处，接收机放置在水上3.2m处，利用造浪设备产生波 幅为300mm的波浪，在此环境下，基于图2所示的系统框图，对一组编码参数的误码率(Bit Error Rate，BER)性能进行了测试。编码相关参数如表1所示。
表1
Figure BDA0003641230250000051
从图4可以看出，随着编码开销的增大，误码率逐渐降低，当开销达到2.60时，误码率 可达到10-6，说明此时由于信道的大动态特性造成的数据擦除基本上可以恢复，本发明明显 改善了链路随机中断特性，提高了跨水面无线光通信系统的可靠性。因此，本发明提出的信 道编码方案特别适用于跨水面无线光通信系统。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明， 应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法，其特征在于：由交织器和Raptor码编码器级联构成；其中交织器将由于信道擦除部分导致的长连续错误分散开，减少接收数据中长连续错误的出现；所述Raptor码是一种喷泉码，用于对交织器输出的信号进行编码；交织器与Raptor码编码器二者联合起到抗擦除和噪声的作用，整体编码得到序列为长码；所述整体编码得到的序列在发送端通过发光二极管LED发送出去，接收端采用光电探测器APD接收，无需反链路进行纠错；
信道编码过程为：
(1)在发射端采用交织器对需要传输的信息序列进行交织处理，得到交织数据矩阵；
(2)对交织器输出的数据矩阵按列输入至Raptor码编码器进行Raptor编码，得到编码矩阵；
(3)将编码矩阵按行展开，得到编码序列；所述编码序列为长码，长码很好地涵盖跨水面信道的动态范围，同时利用信道编码的前向纠错功能，无需反馈链路反馈信息进行纠错。
2.根据权利要求1所述的面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法，其特征在于：所述发射端，采用交织器将需要传输的信息序列每M个比特分成一组，得到一个M行N列的交织数据矩阵；在接收端解交织，将长连续错误分散开。
3.根据权利要求1所述的面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法，其特征在于：所述Raptor码为LT码与LDPC码的级联所组成的喷泉码，其中LT码为内码，LDPC码为外码，Raptor码首先进行外码编码，再进行内码编码，编码开销ε由LT码与LDPC码共同决定。
4.根据权利要求3所述的面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法，其特征在于：内码LT码编码服从度分布
Figure FDA0003641230240000011
Ωi表示编码时符号度数为i的概率。
5.根据权利要求3所述的面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方案，其特征在于：所述外码LDPC码选取高码率LDPC码，用于进一步恢复LT码未能译码的数据，降低LT码的误码平层。
6.根据权利要求1或3中所述的面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法，其特征在于：所述Raptor码编码器编码时，先进行LDPC预编码，产生中间符号，再将生成的中间符号送入LT码编码器，经过LT编码器生成Raptor编码信息。
7.根据权利要求3所述的面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法，其特征在于：所述编码开销ε由LDPC预编码开销ε1和LT码开销ε2共同决定，且满足：
1+ε＝(1+ε1)(1+ε2)。
8.根据权利要求1所述的面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法，其特征在于：整体编码后的得到的编码序列，调制到发光二极定LED上，LED的波长选取在450-550nm即蓝绿光之间，降低光功率在水下传输过程中的损耗。
9.根据权利要求1所述的面向动态跨水面可见光通信系统的信道编码方法，其特征在于：接收端的光电探测器接收到信号后，将光信号转化为电信号，电信号首先去交织，将长连续错误打散，再对各个Raptor码进行译码，得到恢复后的信息序列。
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