自由空间光通信中脊髓码改进编码译码方法与级联方法研究

作     者：杜凡丁 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张兢

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070104[理学-应用数学] 0803[工学-光学工程] 081101[工学-控制理论与控制工程] 0701[理学-数学] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：自由空间光通信 大气湍流信道 Spinal码 编码译码方法 级联编码 

摘      要：近年来随着信息技术的飞速发展,传统无线通信技术逐渐无法满足人们在日常生活娱乐中对于数据传输的实时性与可靠性的需求,因此人们的目光投向了具有传输速率高、带宽大和保密性强等优点的自由空间光通信。尽管自由空间光通信有着诸多优点,但其以光为载波通过大气信道进行通信的方式使其易受到大气信道环境的影响。尤其是大气信道中的大气湍流效应,极易导致系统的稳定性与可靠性下降,影响通信效果。信道编码技术常被用来降低大气信道对通信产生的影响,其中比较常见的编码方案有RS码、LDPC码、Turbo码以及新兴的Polar码等。但这些固定速率的编码方法易受大气湍流影响,导致误码率上升导致译码错误的问题。因此,在自由空间光通信中一种新型无速率码——Spinal码受到了人们的广泛关注,并认为其具有较大的研究价值与广阔的应用前景。本文以此为出发点,对自由空间光通信中Spinal码的改进编码译码方法与级联方法展开研究。论文首先介绍了自由空间光通信中信道编码方面的国内外研究现状,并对Spinal码的国内外研究进展进行学习。其次,对自由空间光通信的大气信道进行研究分析,主要探讨了大气衰减效应与大气湍流效应对光信号的影响。引入对数正态分布模型与双伽马模型模拟大气湍流并进行理论推导,详细分析了大气湍流效应导致的光强起伏以及不同强度的湍流信道对光信号的影响。之后对Spinal码中的Hash函数、编码步骤、译码算法以及其所具有的特性等进行详细的研究与分析。基于对自由空间光通信与Spinal码的研究学习,本文提出了部分分段CRC的对称Spinal编码方法。该方法通过顺序逆序两次编码过程抑制Spinal码的不等差错保护特性,以降低Spinal码误码率;通过添加部分分段的CRC校验降低Spinal码的译码计算量,提高译码效率,提升传输速率。之后在弱湍流信道下进行仿真,结果表明与原始Spinal码相比部分分段CRC的对称Spinal编码有效提高了传输速率,译码计算量也有所降低,在弱湍流信道下也有不错的误码率。除此之外,本文结合Polar码的构造特点与Spinal码不等差错保护特性,提出了Polar-UEP Spinal级联编码方法。该级联方法利用Spinal码的不等差错保护特性对Polar码中重要的消息位及易出错位进行重点保护,同时将传输固定序列的冻结比特放在Spinal码易出错的尾部。这样的级联方法不仅有效保护了易出错位与重要的消息位,还避开了Spinal码尾部易发生错误的问题,降低了在自由空间光通信中的误码率。仿真结果表明,Polar-UEP Spinal级联编码在不同湍流强度下均有良好的误码率性能。