天基物联多码率QC-LDPC码构造方法研究_刘哲铭.pdf
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1、设计与应用计算机测量与控制 ()收稿日期:;修回日期:。基金项目:国家重点研发计划()。作者简介:刘哲铭(),男,河南周口人,在读硕士研究生,主要从事信道编码、通信网络方向的研究。引用格式:刘哲铭,成俊峰,魏肖,等 天基物联多码率 码构造方法研究 计算机测量与控制,():,文章编号:():中图分类号:文献标识码:天基物联多码率 码构造方法研究刘哲铭,成俊峰,魏肖,缪德山,张景,陆洲(中国电子科技集团公司 电子科学研究院,北京 ;电信科学技术研究院有限公司 无线移动通信国家重点实验室,北京 )摘要:针对天基物联场景中的小数据传输进行多码率 码研究,结合 标准中 码校验矩阵的设计方法与 标准中不同
2、码率条件下编码长度不变的特性,探索适用于卫星通信中针对短码在固定编码长度条件下实现多码率 码的设计方案,并进行仿真验证;其中,校验矩阵是通过基于代数法的 码的叠加构造方法进行设计,结合缩短与扩展操作来构造具有固定编码长度且能实现多码率的循环移位矩阵,该矩阵同时保持了 编码标准中的类 结构;最后通过所设计方案与 标准进行误比特率仿真对比,根据仿真结果显示,所设计方案与 标准性能相差较小,且误比特率能到,达到了预期的效果。关键词:天基物联;卫星通信;多码率;小数据 ,(,;,):()(),(),;,:;引言随着物联网技术的快速发展,其在各个领域的应用也急速拓展,为人们生活带来了极大的便利。然而,目
3、前由于在大范围、恶劣环境条件下基站的建设成本高且难以维护,物联网仅仅在城市和部分乡村地区以及偏远地区的局部区域得以应用,其有限的覆盖范围致使物联网技术的服务能力受到限制。面对更加广阔的海洋、林地、山地等资源监测、数据采集,以及空域飞行器的指控信息传输等需求没有得到有效满足。卫星通信的快速发展则为信号的广域覆盖提供了很好的解决思路,标准小组已提议将卫星通信与地面通信纳入 网络,星地通信技术的融合作为未来通信的发展趋势,以卫星为基础的天基物联网具有覆盖范围广、系统容量大、抗毁能力强以及不受恶劣天气的影响等优势。天基物联网业务主要包括数据采集、指挥控制以及数据广播等,重点聚焦在小数据传输。卫星通信因
4、其具有的优势受到广泛的关注,但在应用中面临着很多技术挑战,例如:星地信息传输距离长、信道变化速度快,数据传输易受雨雪天气影响等导致信息传输可靠性降低,因此,需要采用差错控制技术以提高信息传输准确性与可靠性。由于星地信息传输距离长,自动重传请求(,)方案并不符合实际需求,混合自动重传请投稿网址:计算机测量与控制第 卷 求(,)方案显著提高了数据传输的有效性和传输速率,前向纠错(,)方案则是其中的重点部分。为了给星地通信提供高可靠的数据传输过程,必须使用性能较优的信道编码,误比特率能达到,例如:码、低密度奇偶校验(,)码、码等以实现较低的误码率。其中,码具有较强的纠错能力,可以大大提高系统数据传输
5、的可靠性,降低数据传输的错误率,且在很多领域都得到成熟的运用,本文重点以 码为核心对天基物联场景下的信道编码进行研究。在传统的卫星通信系统中,为了保证系统的可靠性和可用性,通常采用固定的传输方法进行传输,这种传输方式并不能根据信道条件的变化以及资源的利用率等信息进行灵活的调整。因此,为了充分利用信道资源,基于链路特性自适应数据传输技术得以快速发展,参考文献 中提到基于准循环 (,)编码的卫星自适应数据传输系统中,根据编码要求,对其编码和构建算法进行全面的分析优化,该方案已成功应用于嫦娥四号卫星中继项目中。参考文献 则是根据实际的信道状态来自适应的调整码率,该技术不仅有助于提高传输速率,而且有效
6、地提高了频谱效率,作者首先获取具有高码率的校验矩阵,然后通过缩短技术,根据码率变化删除固定列以达到降低码率的效果,可以根据当前的信道状态自由地改变码率,更好的利用信道资源。针对 码,大数据长码传输的性能已经得到很好的研究,天基物联主要为小数据短码传输,短码相较于长码有较低的延迟,对于卫星通信远距离传输来说也具有一定的优势。参考文献 中作者针对 短码进行研究,通过有限几何性质,利用欧几里得几何和循环分解方法,并利用分解矩阵、排列矩阵和分布矩阵三个子矩阵来构造混合准循环 (,)校 验 矩 阵,该方案在短码信息传输的误码率性能上表现优异。本文以天基物联为背景,针对小数据传输进行研究,并根据在固定码长
7、条件下信息传输更能满足卫星通信系统的要求,受 标准中信道编码在固定码长条件下实现多码率的效果,以及 信道编码校验矩阵类 结构设计所表现得优异性能的启发,对校验矩阵进行设计,在保证编码性能的条件下实现固定码长条件下的多码率 (,)码的设计。本文第二节介绍以代数法设计循环系数表为基础,通过叠加构造方法设计 码的校验矩阵;第三节通过缩短与扩展操作在保持类 结构不变情况下实现固定码长条件下的 码的设计;第三节针对所设计的 码进行不同码率条件下的性能对比仿真图;第五节对本文内容进行总结。基于代数法的 码叠加构造设计方法校验矩阵的设计是 编码的核心内容,校验矩阵设计的好坏直接关系到编码性能的优劣。码叠加构
8、造的过程主要涉及到基矩阵、循环移位矩阵、循环置换矩阵(,)以及矩阵散列过程,散列后获取到的校验矩阵的大小取决于基矩阵的大小以及移位尺寸的大小。当移位尺寸为时,令()熿燀燄燅 ,()熿燀燄燅 ,()熿燀燄燅 ,()熿燀燄燅 ,基矩阵 大 小 为,校验矩阵叠加构造过程如图所示。图 校验矩阵叠加构造过程接下来,首先介绍基矩阵设计方案,然后构造循环系数表,在循环系数表的基础上对循环移位矩阵进行设计,然后通过叠加构造方法获取校验矩阵,最后对所设计的校验矩阵的误码率性能进行对比仿真。基矩阵设计在 编码标准中,码的校验矩阵具有非常强的稀疏性,这种稀疏性质使得 码非常适合于各种迭代译码算法并能获取近似最优的译
9、码性能。码基矩阵的设计本身具有一定的稀疏性,如图中 码的 所示,若不具有稀疏性,则变量节点与校验节点之间的连接线将非常的密集,导致译码复杂度急剧增加,稀疏性则是在保证译码性能变化不大的情况下降低迭代译码算法的复杂度,因此节点的度分布特性将是基矩阵构造的重要指标。图列重为、行重为的(,)编码 示意图 码采用迭代译码时在低信噪比区域,即瀑布区域具有译码门限效应,当信噪比高于此门限值时,译码的可靠性将会有大幅度提升,而该门限值的取值将取决于节点投稿网址:第期刘哲铭,等:天基物联多码率 码构造方法研究 的度分布,通过码分析工具可预测校验矩阵的译码门限。基于度 分 布 的 外 信 息 转 移(,)图具有
10、使用简单以及预测精准的优点,基于基矩阵设计的 码具有一定的结构化,因此可采用基于图结构的 (,)技术。结合上述分析,在构造基矩阵的过程中,可通过采用 技术计算基矩阵的译码门限,从中寻找具有最优译码门限值的基矩阵。循环系数表设计在循环移位矩阵设计之前,首先需要获取循环系数表,循环系数表可通过代数法来进行设计。目前,有多种代数法都可用于构造满足行列(,)约束的循环系数矩阵,其中,约束指任意两行(或两列)不会有超过一个相同位置上同时为非零元,满足 约束条件所设计的校验矩阵,其迭代译码通常具有较好的性能。本小节采用基于素域来构造循环系数表。假设()是包含个元素的 域,考虑为素数的情况,(),其中元素的
11、加法和乘法可直接进行“模”运算。为()中其中一个本原元,用的幂次可表示()中所有的元素:,通过“模”可获得()中所有的元素。因此,对于,取()中元素组成任意两个集合,和,其 中,此外,可根据这两个集合通过以下多种形式构造循环系数表 :,()(),()(),()()或者 ,()()(),()()()基于上述素域构造方法构造的循环系数表每一行所有的元素都是不相同的,任意两行(或两列)在任何位置上没有相同项。为了获取性能更好的 码迭代 译码 性能,所设计的 码其 图应尽量避免短环的存在,即没有长度为的环和尽量少的长度为的环,如图所示,其中黑色粗线即为所形成的长度为的环 。基于上述的构造方法获取到循环
12、系数表后,若基矩阵满足 约束。循环移位矩阵设计获取到循环系数表 后,可据此进行循环移位矩阵的构造,如何从 中选取最优的循环系数来构造性能较好的循环移位矩阵,需要有一个评判标准。码的 图是一种图形化的针对 码校验矩阵的完全表示方法,这种表示方法有助于译码算法的描述,码的译码算法可描述为 图中校验节点与变量节点之间的信息交互,迭代译码的有效性取决于 图的结构特性,短环会降低 码所使用的迭代译码算法的性能,因此,可通过不同环长的数量并对不同环长分配以不同的权重来形成一个评判标准从 中进行筛选,最终形成性能最优的循环移位矩阵。设循环移位矩阵为,长为的环存在的充要条件是存在个非负移位值,使下式成立,其中
13、,为表示围长。(,)()()其中:,。根据上述的环存在的充要条件,可以对所设计的循环移位矩阵根据不同环长、不同移位尺寸的条件下满足式()的组数进行计数,并设置相应的权重使不同移位尺寸、不同环长条件下具有可比性,由此获取的环加权平均数(,)如下式所示:()()()(,)()其中:为所支持的不同移位尺寸的数量,()为所支持的不同移位尺寸的权重,为环长种类数目,()为不同环长的权重,(,)为不同移位尺寸,不同环长条件下计算出满足式()的组数。由于环长越短对 迭代译码性能的影响越大,因此在考虑权重时应随着环长的增加权重越低,由此可得出,()值越大,性能越差。为简化算法,循环系数表 列数与循环移位矩阵的
14、列数相同,这样可以行为单位进行筛选。在基矩阵已知的情况下,先对前两行根据标准进行判断,然后逐行添加,为下一节多码率的设计做铺垫。由 根据判断标准()来设计的循环移位矩阵算法流程如算法所示。算法:循环移位矩阵构造输入:基矩阵,大小为,循环系数表 ,大小为输出:循环移位矩阵)初始化:)先对前两行进行设计):),:,:,:,:,:):(),:,:,:,:,:)(),()对后面逐行设计):):(不包括已选行),:,:,:,:,:)()投稿网址:计算机测量与控制第 卷 ),()根据上述算法来获取性能最优的循环移位矩阵。矩阵叠加构造如图所示,叠加构造的过程既是 到校验矩阵的过程,该过程也是从 码到 码的过
15、程,校验矩阵是由多个大小为基于移位尺寸的的循环子矩阵构造而成。的构造是由循环移位矩阵确定的,确定过程中以单位矩阵为基础,即循环移位值为时,中对应的元素为(),当循环移位值为时,中对应的元素为(),其对应的子矩阵是在单位矩阵的基础上每行均右移位,此外,()对应的是全零矩阵,最终通过叠加构造的校验矩阵的大小为()()。接下来,对所提方案与算法进行有效性验证。首先按照 节基矩阵设计所提方案利用 技术进行大小为 的基矩阵的构造,然后根据 节通过代数法及式()进行循环系数表的设计,令()中为素数 ,为()中其中一个本原元,以此设计大小为 的循环系数表,通过从循环系数表中随机选取 个元素作为集合,剩余的除
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