一种面向FSO系统的中继激光通信编码方法

一种面向fso系统的中继激光通信编码方法
技术领域
1.本发明涉及自由空间激光通信技术领域，具体为一种面向fso系统的中继激光通信编码方法。


背景技术：

2.当前空间探索事业不断发展，越来越需要高速传输的通信系统，自由空间光通信(free space optical communication,fso)的信道状态会随着时间不断发生变化，通信中面临大气衰减、大气湍流等影响，使得系统的性能降低，限制传输距离，受到严重的衰减和光强起伏，引起光强闪烁、码间串扰、光束扩展等问题，使得信号的能量发送损失，接收信噪比降低，通信链路的可靠性大大降低。
3.极化码(polar code)由于其自身的诸多优点，成为抗信道干扰编码的领域的研究热点。极化码的突出性能主要体现在长码上，极化效果会随着码长的增加而增加，但是在实际的应用场景中，码长在会限制译码性能。
4.在公布号为cn114448567a的中国专利申请中，公开了一种面向fso系统的极化编码协作通信方法，采用基于极化码编码的协作通信方式，设置转发门限值，实现了对系统中断概率和误码率的改善，但是未采用交织操作，没能够解决衰落信道中面临的长片误码问题。
5.在公布号为cn110213016b的中国专利申请中，公开了一种多中继选择极化译码转发方式，根据极化信道的状态信息构造码率灵活可变的极化码方法，使用最佳中继来转发信息，联合信道编码和多中继协作译码，实现了高效传输的目的，但是仍未考虑fso信道中传输造成的长片误码问题。
6.在自由空间中继激光通信场景方面，目前能够有效提高衰落信道下的极化码编译码性能的编码协作方案极少，为了满足自由空间中继通信的高速数据传输需求，编码协作通信已经成为了关键技术。
7.自由空间激光中继通信系统由源节点(sn)、目的节点(dn)、中继节点(rn)共同构成，本发明主要针对有限码长的译码性能的改善，构造基于plotkin结构的交织中继编码协作系统，使用协作通信方式能够抑制大气湍流增强对通信系统误码率性能的干扰，进一步提升系统在信道中传输的可靠性。设计出有效且性能优异的编码协作通信方案，在无线激光通信领域有重要意义。


技术实现要素：

8.(一)解决的技术问题
9.针对现有技术的不足，本发明提供了一种面向fso系统的中继激光通信编码方法，解决了中继激光通信中面临的大气湍流引起的光信号衰减问题。
10.(二)技术方案
11.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
12.一种面向fso系统的中继激光通信编码方法，包括以下步骤：
13.步骤一，在信源节点处获取待编码序列，k＝k+m位码字作为信息位进行极化编码；
14.步骤二，采用交织器，最大限度改变信息位置，抵抗长片误码；
15.步骤三，源节点处码字序列经bpsk调制向目的节点和中继节点发送；
16.步骤四，中继节点对接收的光信号进行scl译码，将信息估值序列提取出来；
17.步骤五，采用plotkin结构构造两个码字的生成矩阵来进行极化编码；
18.步骤六，目的节点对两路信号进行等增益合并，解交织后送入译码器完成纠错。
19.进一步地，信源节点处获取待编码序列和信息位的方法包括：
20.步骤一，在信源节点处获取待编码序列，根据巴氏参数大小和码率确定选取传输信息位的子信道，进行可靠性排序，获取长度为k信息序列；
21.步骤二，在信息位上添加位crc校验码，得到的k＝k+m位码字作为极化码的信息位进行极化编码，送入编码器。
22.进一步地，在源节点采用交织器的方法包括：
23.步骤一，极化编码后，再经过块交织器，最大限度的改变信息位置，抵抗长片误码，然后经bpsk调制后，将码字序列送入信道；
24.步骤二，在湍流信道的假设下，计算编码方案的错误概率上限，由近似成对码字错误上限，调节交织深度。
25.进一步地，源节点处序列经调制向目的节点和中继节点发送的方法包括：
26.步骤一，由两个不同信道链路发送同一个信息的不同部分，通过信息选择器提取出码字u,该码字码长为n/2,经bpsk调制后发送至目的节点；
27.步骤二，另一边将码字同样经过bpsk调制后发送到中继节点。
28.进一步地，采用plotkin结构构造两个码字的生成矩阵来进行极化编码方法包括：
29.步骤一，构造两个码字的生成矩阵来进行编码，第一条路径是与生成矩阵g1相乘得到序列u1，另外一条路径是将m1发送到信息选择器，选择码长为k2的序列m2；
30.步骤二，将m2序列与生成矩阵g2相乘得到序列v1，将第一条路径得到的信息序列u1与第二条路径得到的v1做模二加，最后进行bpsk调制后送至目的节点。
31.进一步地，目的节点对两路信号进行等增益合并，解交织后送入译码器完成纠错的方法包括：
32.步骤一，接收来自信源节点的信号y1和中继节点传输的信号y2，采用等增益合并；
33.步骤二，然后送入解交织器，将长片连续误码进行解交织，将打乱的交织序列恢复成原有序列，将解交织后的正确序列发送给纠错码译码模块。
34.进一步地，完成纠错的方法包括：
35.步骤一，将大气湍流引起的长片差错化为随机差错。计算每个分支的路径度量值，选择最大的路径作为译码结果，生成信息序列的估计序列；
36.步骤二，同时对传输码字的冗余信息位进行crc校验，将候选序列的校验位删除后，得到译码最终结果。
37.(三)有益效果
38.与现有技术相比，本发明提供了一种面向fso系统的中继激光通信编码方法，具备以下有益效果：
39.本发明，通过将协作通信与信道编码技术进行融合，实现了协作中继系统中polar码的高效协作传输以达到中继系统容量。单一链路不能够很好的抵抗信道干扰，协作技术可以有效对抗衰落，使得中继系统抵抗连续突发错误的能力得到提升，实现信道编码和协作分集技术相结合以达到中继系统容量。
40.通过在源节点处实现交织操作，交织长片误码使得中继系统的抵抗连续突发错误的能力得到提升。利用plotkin结构传输部分码字的校验位，在目的节点处，由分组码补偿极化码的子信道的可靠性，弥补了子信道可靠性不均衡的问题。
附图说明
41.图1为本发明的中继激光通信编码方法总流程图；
42.图2为本发明的fso系统的中继激光通信编码原理图；
43.图3为本发明的fso系统的中继激光通信编码示意图；
44.图4为等腰直角三角形的交织示意图；
45.图5为本发明的交织模块的示意图。
具体实施方式
46.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。
47.实施例
48.如图1所示，为本技术实施例的中继激光通信编码方法总流程图，步骤包括：
49.步骤一，在信源节点处获取待编码序列，k＝k+m位码字作为信息位进行极化编码。
50.如002，在信源节点处获取待编码序列码长为n＝2n,n＝[log2m]，根据巴氏参数大小和码率确定选取传输信息位的子信道，进行可靠性排序，获取长度为k信息序列，通过下式计算每个子信道的巴氏参数：
[0051][0052]
其中，σ2为方差，y为接收信号，对子信道的可靠性进行排序，将巴氏参数值最小的k个子信道来传输信息比特，可获得输入长度为k的信息序列。
[0053]
在信息位上添加位crc校验码，得到的k＝k+m位码字作为极化码的信息位，送入编码器。对k个信息位添加m位crc，在发送端和接收端设置同一个多项式g(x)＝xn+p1x
n-1
+
…
+p
n-1
x+1，编码阶段用信息多项式m(x)除以g(x)，得到的余数r(x)作为m位crc校验码。
[0054]
极化码的信息位u
′
＝(u1,u2,
…
,ui,
…
uk,v1,v2，
…
vi,
…
,vm)由校验码和原本信息位构成，得到的k＝k+m位码字作为极化码的信息位，码率为n＝k/r。
[0055]
各个信道标记为w1,w2,
…
,wi,
…
,wn，进行极化码编码的物理信道w合并与拆分的过程，采用线性变换矩阵进行表示，其中
[0056]
由公式计算输出序列其中gn(a)为信息位的子矩阵，ua代表信息序列，u
ac
为固定比特序列，且取自可靠极化信道集合a，a＝{a1,a2,
…
,ar}。
[0057]
步骤二，采用交织器，最大限度改变信息位置，抵抗长片误码。
[0058]
如003，为了能够进一步优化衰落信道中的编译码性能，采用交织器最大限度的改变信息位置，抵抗长片误码，交织矩阵为π＝[π1,π2,
…
,π
l
]
t
，是的随机置换。
[0059]
交织的总行数为其中e为目标序列长度，交织的剩余行数和每一列的比特数使用下式计算：
[0060][0061][0062]
计算编码方案的错误概率上限，由近似成对码字错误上限，调节交织深度，使用完美交织可以保证衰落系数间的独立性，在t/τ0比较大时误码性能会得到提高，其中τ0为相干时间，t码字间隔位。
[0063]
在湍流信道的假设下，计算编码方案的错误概率上限，由近似成对码字错误上限，调节交织深度，存在两位码字和定义它们的状态符号索引子集的对称差异，在湍流信道的假设下，将上界近似为：
[0064][0065]
其中信噪比snrγ＝(ηi0)2/n0，是状态位序列的协方差矩阵，是对数振幅序列，联合概率密度函数用下式计算：
[0066][0067]
步骤三，源节点处码字序列经bpsk调制向目的节点和中继节点发送。
[0068]
如004，由两个不同信道链路发送同一个信息的不同部分，通过信息选择器提取出码字u,该码字码长为n/2,经bpsk调制后发送至目的节点；另一边将码字同样经过bpsk调制后发送到中继节点。
[0069]
对任意存在误码率o(
·
)表示函数的渐进性，直传链路s-d和s-r链路的系统极化码的构造方式相同，系统冻结位集合为：
[0070]
[0071]
步骤四，中继节点对接收的光信号进行scl译码，将信息估值序列提取出来。
[0072]
如006，中继节点接收源节点发送的光信号，对该序列进行比特翻转操作并进行scl译码，将信息估值序列提取出来，提取索引的信息位集合译码完成后，按照选择的传输信息位的子信道编号将信息的估值序列提取出来。
[0073]
将信息比特ui对应的n判决元素按照从1到n逐一译码，极化子信道是输出为和的转移概率函数，似然比公式和各个比特的估计值如下：
[0074][0075][0076]
其中，信息比特判决函数为
[0077]
由式子计算候选列表中的最大值路径，其中将对应的序列作为译码输出，其中argmax(
·
)是使得目标函数取到最大值的函数。
[0078]
步骤五，采用plotkin结构构造两个码字的生成矩阵来进行极化编码；
[0079]
对可达r-d链路信道容量的系统极化码编码，设两个线性分组码code1和code2，其参数分别为u1∈c1(n1,k1)和v1∈c2(n2,k2)，对它们进行plotkin构造，会得到码长更长且同样是线性分组码的code3:
[0080][0081]
其中"|"表示在信息序列ν+u后拼接信息序列u，plotkin构造后的码字c3的码长为n＝n1+n2，n1为u的编码长度，n2为ν的编码长度，k1＞k2，信息位个数为k＝k1+k2，码率r＝k/n＝(k1+k2)/(n1+n2)。
[0082]
设code1和code2的生成矩阵为g1和g2，令code1＝u
a1
g1，code2＝u
a2
g2，会得到码长更长且同样是线性分组码的x＝(code1+code2|code1)bn，g3码字的生成矩阵可以用如下公式：
[0083][0084]
第一条路径是与生成矩阵g1相乘得到序列u1，编码完成得到的码字信息与原始生成矩阵编码得到的码字信息相同，另外一条路径是将m1发送到信息选择器。
[0085]
选择码长为k2的序列m2，在将m2序列与生成矩阵g2相乘得到序列v1，将第一条路径得到的信息序列u1与第二条路径得到的v1做模二加，最后对其进行bpsk调制后送至目的节点。
[0086]
步骤六，目的节点对两路信号进行等增益合并，解交织后送入译码器完成纠错；
[0087]
如0010，在目的节点处，首先接收来自信源节点的信号y1和中继节点传输的信号y2，接收端的信噪比为γ
rn
＝η2i2/n0。
[0088]
将s-r链路和s-d链路的信息位集合等增益合并(egc)，送入解交织器，将长片连续误码进行解交织，将打乱的交织序列恢复成原有序列，实现突发性错误的分散。
[0089]
如0011，再次输入译码器进行译码从而得到估值序列，判决得到m＝(m1,m2,
…
,mn)，目的节点的似然比计算根据如下公式：
[0090][0091][0092]
译码器可以避免对冻结比特的估计，设置路径度量初始值为1，计算每个分支的路径度量值，公式如下：
[0093][0094]
在计算下一层之前，如果路径数大于l，需要删除路径度量值较小的路径，使得路径条数保持在l条，然后不断向下层计算，选择处路径度量之最大的路径作为译码结果以得到最终判决序列d，实际码率为：
[0095][0096]
译码后进行crc校验，生成信息序列的估计序列依次进行crc校验，用候选码字r(x)对生成多项式g(x)取余，若结果为0则通过crc校验，将候选序列删除校验位后作为译码最终结果。
[0097]
当信道瞬时传输容量低于传输速率，又或者信噪比低于阈值时候发生中断，h为信道状态，直传链路的中断概率由下式表示：
[0098][0099]
如图2所示，为本发明的fso系统的中继激光通信编码原理图，在源节点处，通过协作实现发送分集，由不同用户发送编码码字的不同部分。通过两个不同信道链路发送同一个信息的不同部分，以达到分集的目的。
[0100]
信道编码的目的是通过增加信源的冗余度实现提高通信的可靠性，在中继节点处，第一条路径是与生成矩阵g1相乘得到序列u1，另外一条路径是将m1发送到信息选择器，选择码长为k2的序列m2，在将m2序列与生成矩阵g2相乘得到序列v1，将第一条路径得到的信息序列u1与第二条路径得到的v1做模二加。
[0101]
最后对其进行bpsk调制后送至目的节点，源节点到目的节点信噪比γ为可以表示为其中m为光学自由度，各路平均信噪比表示为γ1＝m1h
sr
、γ2＝m2h
rd
、γ3＝m3h
sd
，总传输距离
[0102]
目的节点的光子数为yd＝h
rdhsrys
g+h
rd
nrg+h
rd
na+h
sdns
+nd，其中增益g＝m2/(h
sr
m1+
mr)，na为噪声，m2表示平均光子数，h
sr
、h
rd
、h
sd
表示信道衰落。
[0103]
如图3所示，为fso系统的中继激光通信编码示意图，根据巴氏参数大小和码率确定选取传输信息位的子信道，信道编码和协作分集技术相结合，向目的节点传输码字的冗余信息位用于校验，使得系统能够获得更多分集增益和编码增益。
[0104]
物理信道w合并与拆分的过程用线性变换矩阵gn进行表示，在自由空间激光中继通信系统中，由源节点(sn)、目的节点(dn)、中继节点(rn)共同构成，大气湍流引起的光信号衰减使用gamma-gamma模型，概率密度函数被定义为下式：
[0105][0106][0107]
其中，a表示光载波的振幅，r表示响应系数，α表示散射过程中大区域的有效数量，β表示散射过程中小区域的有效数量，是rytov方差。
[0108]
ε表示事件系统输出不等于源节点发送的原始信息，ε
sr
表示事件中继节点译码后信息不等于源节点发送的原始信息，ε
rd
表示r-d链路的错误传输，编码协作通信的误码率表示为
[0109][0110]
如图4所示是等腰直角三角形的交织示意图，在源节点处，将极化码的输出比特，按照等腰直角三角形的行进列处的方式送入交织器，该交织方法可以减少存储空间的要求。
[0111]
用表示交织器的第j个输出比特序号，按列依次进行累加，该列读取完毕进入下一列，如输出比特序号案例计算；第0个第1个第2个按此原则依次计算。
[0112]
如图5所示，是交织模块的示意图，其中的循环置换单元能够实现循环置换处理，循环系数q＝8，比特置换单元能够优化接收性能，将码字的比特映射到星座比特，星座比特数m＝5；再采用块交织器，交织矩阵为π＝[π1,π2,
…
,π
l
]
t
，最大限度的改变信息位置，抵抗长片误码，是的随机置换，其中π是交织矩阵。
[0113]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种面向fso系统的中继激光通信编码方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在信源节点处获取待编码序列，k＝k+m位码字作为信息位进行极化编码；步骤二，采用交织器，最大限度改变信息位置，抵抗长片误码；步骤三，源节点处码字序列经bpsk调制向目的节点和中继节点发送；步骤四，中继节点对接收的光信号进行scl译码，将信息估值序列提取出来；步骤五，采用plotkin结构构造两个码字的生成矩阵来进行极化编码；步骤六，目的节点对两路信号进行等增益合并，解交织后送入译码器完成纠错。2.根据权利要求1所述的一种面向fso系统的中继激光通信编码方法，其特征在于：信源节点处获取待编码序列和信息位的方法包括：步骤一，在信源节点处获取待编码序列，根据巴氏参数大小和码率确定选取传输信息位的子信道，进行可靠性排序，获取长度为k信息序列；步骤二，在信息位上添加位crc校验码，得到的k＝k+m位码字作为极化码的信息位进行极化编码，送入编码器。3.根据权利要求1所述的一种面向fso系统的中继激光通信编码方法，其特征在于：在源节点采用交织器的方法包括：步骤一，极化编码后，再经过块交织器，最大限度的改变信息位置，抵抗长片误码，然后经bpsk调制后，将码字序列送入信道；步骤二，在湍流信道的假设下，计算编码方案的错误概率上限，由近似成对码字错误上限，调节交织深度。4.根据权利要求1所述的一种面向fso系统的中继激光通信编码方法，其征在于：源节点处序列经调制向目的节点和中继节点发送的方法包括：步骤一，由两个不同信道链路发送同一个信息的不同部分，通过信息选择器提取出码字u,该码字码长为n/2,经bpsk调制后发送至目的节点；步骤二，另一边将码字同样经过bpsk调制后发送到中继节点。5.根据权利要求1所述的一种面向fso系统的中继激光通信编码方法，其特征在于：采用plotkin结构构造两个码字的生成矩阵来进行极化编码方法包括：步骤一，构造两个码字的生成矩阵来进行编码，第一条路径是与生成矩阵g1相乘得到序列u1，另外一条路径是将m1发送到信息选择器，选择码长为k2的序列m2；步骤二，将m2序列与生成矩阵g2相乘得到序列v1，将第一条路径得到的信息序列u1与第二条路径得到的v1做模二加，最后进行bpsk调制后送至目的节点。6.根据权利要求1所述的一种面向fso系统的中继激光通信编码方法，其特征在于：目的节点对两路信号进行等增益合并，解交织后送入译码器完成纠错的方法包括：步骤一，接收来自信源节点的信号y1和中继节点传输的信号y2，采用等增益合并；步骤二，然后送入解交织器，将长片连续误码进行解交织，将打乱的交织序列恢复成原有序列，将解交织后的正确序列发送给纠错码译码模块。7.根据权利要求1所述的一种面向fso系统的中继激光通信编码方法，其特征在于：完成纠错的方法包括：步骤一，将大气湍流引起的长片差错化为随机差错。计算每个分支的路径度量值，选择最大的路径作为译码结果，生成信息序列的估计序列；
步骤二，同时对传输码字的冗余信息位进行crc校验，将候选序列的校验位删除后，得到译码最终结果。

技术总结
本发明属于自由空间激光通信领域，尤其为一种面向FSO系统的中继激光通信编码方法，包括以下步骤：步骤一，在信源节点处获取待编码序列，K＝k+m位码字作为信息位进行极化编码；步骤二，采用交织器，最大限度改变信息位置，抵抗长片误码；步骤三，源节点处码字序列经BPSK调制向目的节点和中继节点发送。本发明通过将协作通信与信道编码技术进行融合，实现了协作中继系统中Polar码的高效协作传输以达到中继系统容量。单一链路不能够很好的抵抗信道干扰，协作技术可以有效对抗衰落，使得中继系统抵抗连续突发错误的能力得到提升，实现信道编码和协作分集技术相结合以达到中继系统容量。码和协作分集技术相结合以达到中继系统容量。码和协作分集技术相结合以达到中继系统容量。


技术研发人员：蒋青芳 刘智 温和 姚海峰 王宏利 郭昱佑
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/12