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基于极化码的无线紫外光通信系统设计与实现

基于极化码的无线紫外光通信系统设计与实现

作者：廖鑫西安电子科技大学

学位级别：硕士

无线紫外光通信(Ultraviolet Communication,UVC)由于其丰富的频谱资源、非视距通信及高保密通信等优点,受到广泛关注,具有广阔的应用前景。然而大气环境的干扰会引起严重的码间串扰、导致脉冲展宽加剧,不仅会限制数据速率且会导致系统... 详细信息

无线紫外光通信(Ultraviolet Communication,UVC)由于其丰富的频谱资源、非视距通信及高保密通信等优点,受到广泛关注,具有广阔的应用前景。然而大气环境的干扰会引起严重的码间串扰、导致脉冲展宽加剧,不仅会限制数据速率且会导致系统可靠度降低。引入信道编码可有效提升系统可靠度,而极化码作为首个被证明可达香农容量的信道编码方案,具有良好的纠错能力,且实现复杂度低,但目前极化码在UVC系统下的应用研究相对较少。因此,本文进一步分析研究了基于极化码的UVC系统并进行仿真验证。本文具体工作如下:第一,研究了大气环境对于紫外光通信的影响,分析后选取了模型精确度高、适合短距离通信且计算复杂度低的非视距(Non-Line-Of-Sight,NLOS)单散射信道模型作为本文UVC系统的信道模型。由于该信道模型复杂、信道转移概率提取困难,本文提出区间量化的方式模拟信道转移概率,模拟得到信道转移概率后使用蒙特卡洛构造方法进行了极化码的构造。仿真结果表明,选取适宜的量化区间可在保证模拟精度的同时有效降低计算复杂度。第二,搭建了基于极化码的UVC系统并仿真分析了不同参数下的系统性能。结果表明,选取不同收发端对准方式、通信距离、通信速率时,UVC系统性能有所差异。选取译码性能较好的循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)辅助的连续删除列表译码(Successive Cancellation List,SCL)算法,在不同极化码码长、码率和译码列表宽度下进行了仿真,并与相同参数下的低密度校验码(Low Density Parity Check,LDPC)码进行了性能比较。在误码率为10时,极化码相较于LDPC码有0.2d B的增益。验证了基于极化码的UVC系统可有效降低误码率,提升通信可靠度。第三,由于高速传输中码间串扰加剧导致系统可靠度降低,本文选用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术解决码间串扰。在通信速率限制为2Mbit/s时,进行了不同子载波调制方式、子载波个数和信道模型参数的仿真,结果表明加入OFDM的极化码UVC系统可以改善高速传输下的码间串扰。仿真结果表明,发射半角和接收半角较小、通信距离较短、子载波数较少的情况下,系统误码率更小。第四,提出了置信传播比特翻转(Belief Propagation Bit Flip,BPF)改进译码算法。本文结合信息节点的先验信息和关键集来定位易错比特,并引入了一种新的翻转机制,提出了基于关键集的BPF译码算法。本算法在翻转次数减半的情况下降低了翻转集的排序复杂度。仿真结果表明,相较于原始BP译码算法,在误块率为10时,本算法可以带来0.6d B左右的性能增益。在UVC系统上分别选用本译码算法和L=4的CA-SCL译码算法,在译码性能相近的情况下能有效降低系统时延,具有很强的实际应用价值。

关键词：极化码无线紫外光通信非视距通信模型蒙特卡洛构造置信传播比特翻转译码

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Ka频段卫星通信系统中极化码的应用研究

Ka频段卫星通信系统中极化码的应用研究

作者：景致西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,为解决低频段卫星通信的拥挤现状,Ka频段这类高频段资源得到了越来越多的关注。与传统的低频段卫星通信相比,频段范围为27-40GHz的Ka频段卫星通信具有可用带宽广、通信容量大、干扰低等优势,成为了研究的热点。Ka频段卫星通信易... 详细信息

近年来,为解决低频段卫星通信的拥挤现状,Ka频段这类高频段资源得到了越来越多的关注。与传统的低频段卫星通信相比,频段范围为27-40GHz的Ka频段卫星通信具有可用带宽广、通信容量大、干扰低等优势,成为了研究的热点。Ka频段卫星通信易受天气衰减和移动衰减因素影响,导致传输信息的稳定性和可靠性大大降低。为降低衰减因素对Ka频段卫星通信性能的影响,可以采用具有纠错能力的信道编码技术。极化码是一种具有自适应性、编译码复杂度低且纠错能力强的信道编码方案,但是在Ka频段卫星通信领域中对极化码的研究相对较少。因此本文针对Ka频段卫星通信,将极化码作为通信系统的信道编码方案,进行相关研究,主要研究内容如下:(1)根据Ka频段卫星信道的特性,建立了基于极化码的Ka频段卫星通信系统。首先,分析了Ka频段卫星信道的主要影响因素和信道特性,并对不同天气状况和阴影衰落程度进行了仿真实验。其次,采取蒙特卡洛构造方法进行了极化码的构造,确定了采用循环冗余校验辅助的串行抵消列表(CRC-Aided Successive Cancellation List,CA-SCL)译码算法时系统的误码率性能最好,完成了基于极化码的Ka频段卫星通信系统的设计。最后,根据不同的衰落参数进行了基于极化码的Ka频段卫星通信系统的仿真实验,比较和分析采用极化码编码对该系统的性能改善。(2)在基于极化码的Ka频段卫星通信系统的基础上,采用正交频分复用(Orthog-onal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术,搭建了Polar-OFDM卫星通信系统。针对搭建的系统重新进行了极化码的构造,并根据不同的阴影衰落进行了仿真实验。将Polar-OFDM卫星通信系统与采用低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)编码的Ka频段OFDM(LDPC-OFDM)卫星通信系统进行误码率性能比较,并与之前设计的基于极化码的Ka频段卫星通信系统进行性能比较,分析采用OFDM技术带来的性能增益。(3)将自适应调制技术引入Polar-OFDM卫星通信系统中,在不同阴影衰落情况下进行了仿真实验。在都采用自适应调制技术情况下,将LDPC-OFDM卫星通信系统与Polar-OFDM卫星通信系统进行误码率性能比较。结果表明,在晴天天气不同阴影条件下误码率为10时,采用极化码编码技术的系统比起未编码的系统误码率性能有2-5.5d B的增益。说明采用极化码编码技术是有效的、有意义的。引入OFDM技术后,Polar-OFDM卫星通信系统与未采用OFDM技术的基于极化码的Ka频段卫星通信系统相比,在晴天天气不同阴影条件下误码率为10时,系统的误码率性能有6-8d B的增益。并且Polar-OFDM系统的性能比起LDPC-OFDM系统表现更为优秀。引入自适应调制技术后,在误码率为10的情况下,采用自适应调制技术的Polar-OFDM系统比采用自适应调制技术的LDPC-OFDM系统误码率有0.2-0.5d B的性能增益,说明极化码的渐进性能更优秀,性能更稳定。我们能够得出结论,极化码编码技术对保证卫星通信传输的质量和稳定性具有一定的优势,具有良好的应用前景。

关键词：极化码 Ka频段卫星信道蒙特卡洛构造正交频分复用自适应调制

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极化码在水声通信中的应用研究

极化码在水声通信中的应用研究

作者：张泽栋西安电子科技大学

学位级别：硕士

从“蛟龙号”、“深海勇士号”到“奋斗者号”,从我国改革开放前海洋经济曲折的发展历程到“21世纪海上丝绸之路”的建设,都无不展示了我国从海洋大国到海洋强国道路上一步步坚实的迈进。这一路上水声通信技术为其信息化建设提供了强大... 详细信息

从“蛟龙号”、“深海勇士号”到“奋斗者号”,从我国改革开放前海洋经济曲折的发展历程到“21世纪海上丝绸之路”的建设,都无不展示了我国从海洋大国到海洋强国道路上一步步坚实的迈进。这一路上水声通信技术为其信息化建设提供了强大的技术支撑,在这其中信道编码被认为是最为关键的环节之一。随着我国海洋经济与军事相关产业的发展,利用水声信道进行数据传输的需求持续增加。然而,水下恶劣的信道环境限制了水声通信高速率与低误码率等技术指标的实现,水声通信亟需新的技术突破。与此同时,随着第五代移动通信技术(5th-Generation,5G)的正式商用,作为其第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)标准中增强移动宽带场景下控制信道编码方案的极化码,以其香农限可达的独特优势,也逐渐在信道编码领域中崭露头角,但其在水声通信中还没有较为深入的研究。本文以极化码作为信道编码方案,对其在水声通信中的应用进行研究,其中主要的研究工作如下:1.分析水声信道特性并建立信道模型。本文从海洋中的声速度、噪声环境、传播损失、多径效应以及带宽与功率等方面,综合分析了海洋中声波的传播特性,并将其作为依据,建立了两类信道模型:第一类基于传统射线声学理论建立,根据声速梯度的不同分布分别建立了以三种典型的信道传递函数为基础的信道模型;第二类基于随机统计分布模型建立,选取瑞利衰落信道模型用以描述水下多径信号的接收包络分布,并对建立的信道模型进行了必要的分析以便于后续的仿真实验。2.使用改进的蒙特卡洛构造方法对建立的两类(4种)水声信道模型进行了极化码的构造。针对极化码的编码构造与信道息息相关这一区别于其他信道编码方案的特点,本文使用蒙特卡洛构造方法用大量的仿真次数统计极化子信道的巴氏参数以完成信息位的选取,并对基于传统的蒙特卡洛构造方法提出了3点改进,有效降低了计算复杂度,提高了构造的精确性。对于不同的类型的信道,本文在计算巴氏参数的前提条件上做出了分类:其中对于基于射线声学理论的N径确定型模型,提出收发双方已知信道边信息(Channel Side Information,CSI)时计算巴氏参数的思路;对于基于随机统计分布建立的水声信道模型,提出收发双方已知信道分布信息(Channel Distribution Information,CDI)时根据其衰落系数的分布函数计算巴氏参数的思路,最终完成了在各个信道下精度较高的极化码的构造。在后续的仿真实验中表明,本文构造的极化码编码方案取得了良好的误码率性能。3.设计了极化码联合自适应判决反馈均衡(Decision Feedback Equalization,DFE)进行译码的接收器结构。针对水声信道强烈的多径效应对信号造成的干扰,本文在极化码作为信道编码的基础上,在接收端增加了自适应判决反馈均衡器,并选择可变步长最小均方差(Sigmoid Variable Step-size Least Mean Square,SVSLMS)算法作为均衡算法。通过均衡前后的符号分布与译码性能的对比,可以发现该接收器结构提供了较为明显的性能增益,证明了本文设计的极化码联合自适应DFE的接收器结构的有效性。4.在各自信道模型下进行性能仿真并对实验结果进行分析。本文综合译码算法的纠错性能与计算复杂度,最终采用循环冗余校验辅助下的串行抵消列表(CRC-Aided Successive Cancelation List,CA-SCL)算法作为译码方案。在各自信道模型下,对不同码长、不同译码宽度下的极化码性能进行了仿真,并与码长相近的低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code,LDPC)进行了性能对比。通过对仿真结果的分析,本文得出了以下的结论:极化码的性能与其码长N、CA-SCL译码算法中的译码宽度L均呈现正相关;根据均衡前后的符号分布与译码性能对比,表明本文提出的极化码联合自适应DFE的接收器结构能提供较为明显的性能增益;在极化码与LDPC码的性能对比中,可以发现码长N为1024极化码与码长为1296的LDPC码相比,两者误码率性能相差较小;码长N为2048的极化码相对与码长为2304的LDPC码有一定的性能优势;随着信噪比的增加,极化码性能曲线下坠趋势更为明显,表明增加相同的信噪比时,极化码能提供更高的信道编码增益。综上所述,可以看出:极化码在水声通信中的综合性能表现良好,具有很强的竞争力,在实际应用中未来可期。

关键词：信道编码极化码水声通信水声信道蒙特卡洛构造

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极化码在自由空间光通信中的应用研究

极化码在自由空间光通信中的应用研究

作者：覃玉洋西安电子科技大学

学位级别：硕士

自由空间光通信(Free Space Optical communication,FSO)有着丰富的频谱资源、通信容量大、很强的抗干扰性等优点,在实际应用中,还具有保密性强、无需频谱认证、安装灵活简单、造价较低、功耗较低、体积较小等特点,因此受到了广泛关注,... 详细信息

自由空间光通信(Free Space Optical communication,FSO)有着丰富的频谱资源、通信容量大、很强的抗干扰性等优点,在实际应用中,还具有保密性强、无需频谱认证、安装灵活简单、造价较低、功耗较低、体积较小等特点,因此受到了广泛关注,也被认为是解决“最后一公里”问题的一个可靠方案。对于FSO通信链路性能易受到大气状态影响从而导致性能恶化的现象,需要相应措施来减少传输过程中所带来的干扰,信道编码技术便是一种有效的方式。信道编码技术通过在接收端对受到干扰的信号进行及时的纠错检错来提高整个自由空间光通信系统的传输性能。而极化码作为首个被证明可以达到香农限的信道编码方案,自提出后便得到了通信领域的极大关注。在自由空间光通信中,对极化码的研究相对较少,且相关的研究主要是基于大气弱湍流信道。本文针对适用于弱、中、强湍流的gamma-gamma大气湍流信道模型,将极化码作为自由空间大气光通信系统中的信道编码方案,主要研究工作包括以下部分:(1)分析自由空间光通信的信道特性并建立信道模型。通过对光波传输时大气效应(包括大气衰减效应和大气湍流效应)对信号造成的影响进行分析,建立了能够准确描述弱、中、强湍流强度的服从gamma-gamma分布的大气信道模型,并进行了仿真验证。由于大气湍流信道较为复杂,本文采用蒙特卡洛方法,在各种湍流强度下进行了极化码的构造。(2)对FSO通信中常用调制方式的软信息提取方法进行了推导。为了将极化码应用于自由空间光通信中,推导了采用不同调制方式时软信息的提取方法,并在不同湍流强度的信道下,对采用软判决的不同调制方式的未编码性能进行了仿真。(3)在构建的信道模型下进行了性能仿真并分析。本文综合性能与复杂度,采用循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)辅助的连续删除列表(CRC-Aided Successive Cancellation List,CA-SCL)译码方法作为译码方案。在搭建的信道模型下,探究了极化码码长、码率以及译码宽度对其性能的影响,同时在不同湍流强度下对采取各种调制方式下极化码的性能进行了仿真,并将极化码与码长相近的低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)码在不同湍流强度下进行性能对比。结果表明,本文构造的极化码的性能相较于未编码时有了较大提升,且与码长相近的LDPC码相比,在大部分区间具有更优的性能,随着湍流强度的增强,这个优势更加明显。此外,与极化码不同的是,LDPC码还出现了误码平层现象,此时提升信噪比难以获得明显的性能提升,说明了极化码在自由空间光通信领域中具有较强的竞争力,可以较为明显的提升自由空间光通信系统的性能,在复杂的大气湍流信道中具有良好的应用前景。

关键词：极化码自由空间光通信大气湍流 gamma-gamma分布蒙特卡洛构造