[发明专利]一种基于LDPC码的自由空间光通信方法及通信系统

摘要

本发明提供了一种基于LDPC码的自由空间光通信方法及通信系统，针对在激光通信中大气湍流引起的闪烁、光束漂移、扩展以及大气色散等减小接收端信号信噪比，从而影响系统误码率和通信距离、通信带宽的问题；本发明首先根据大气湍流信道的特点，提出弱湍流下的对数正态分布信道模型和强湍流下的K分布信道模型；在提出的信道模型基础上，构造一种不规则的QC‑LDPC码；推导出LLR概率密度函数，运用LLR‑BP算法译码；经置信译码BP结果显示，随着信噪比的增加，系统误码率明显下降，经实验证实，本发明所提出的基于LDPC码的自由空间光通信方法及通信系统能够有效地改善FSO系统的性能。

主权项

1.一种基于LDPC码的自由空间光通信方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立接收信号的数据模型，提出针对不同大气湍流强度的信道模型：(1‑1)建立接收信号的数据模型r(t)，r(t)＝y(t)·n₁(t)+n₀(t)其中t为时间，y(t)为发射信号，n₁(t)是大气湍流引起的乘性噪声，n₀(t)是包括热噪声、放大噪声在内的加性高斯噪声，n₀(t)均值为0、方差为σ²；(1‑2)将大气信道分为强湍流信道和弱湍流信道，提出针对不同大气湍流强度的信道模型；a)弱湍流信道下采用对数正态分布进行模型仿真，光强V在弱湍流条件下的概率密度为其中，σ_x²为对数振幅方差，V₀为平均光强；b)强湍流信道下采用K分布进行模型仿真，光强V在强湍流效应下的分布函数为其中V为光强，Γ(α)为Gamma函数，α为k分布阶数，K_p(x)为修正的第二类贝塞尔函数；(1‑3)针对步骤(1‑2)中得到的信道模型，在强弱湍流条件下得到不同的对数似然比；c)在弱湍流条件下，设发送信号y＝0时为状态D₀，发送信号y＝1时为状态D₁；c‑a)处于状态D₀时，接收信号的条件概率密度函数为：c‑b)处于状态D₁时，接收信号的条件概率密度函数为：d)在强湍流条件下，设发送信号y＝0时为状态D₀，发送信号y＝1时为状态D₁；d‑a)处于状态D₀时，r(t)＝n(t)，湍流以外的加性高斯噪声为0，其接收信号的条件概率密度函数为：d‑b)处于状态D₁时，接收信号的条件概率密度函数为：(1‑4)根据步骤(1‑3)中得到的不同信道下的条件概率密度函数，计算转移概率密度f_i^y，计算公式为：(2)编码，采用不规则的准循环LDPC码构造方法，具体内容如下；(2‑1)N、M和q初始化：设定码长为N，信息位为M，码率R＝(N‑M)/N，单位矩阵维数为q＝N/6；(2‑2)构建校验矩阵H，校验矩阵H由子矩阵A和子矩阵B构成，H＝[A B]，子矩阵B由次级子矩阵B₁和次级子矩阵B₂构成，B＝[B₁ B₂]，其中，子矩阵A的元素为单位循环子矩阵I_x，定义I_x由q阶单位矩阵I的每行向右循环移动x位得到，a^k‑1b^k‑1≥x≥1，a和b均为小于q的素数，k≥2；次级子矩阵B₁的元素P中有且仅有3个非零元素且P_k‑1为其中一个非零元素，其余元素均为零，定义非零元素为单位循环子矩阵I_d，单位循环子矩阵I_d由q阶单位矩阵I的每行向右循环移动d位得到，d为随机自然数；(2‑3)检验子矩阵A，若子矩阵A为奇异矩阵，则返回步骤(2‑1)重新设定N；若A为非奇异矩阵，则生成矩阵G以及长度为N的码c_n，G＝[B^‑1·A I_N‑M]；c_n＝u_n·G式中，u_n＝[u_n，0 u_n，1 … u_n，M‑1]，u_n是一个随机选取的信息比特向量；(3)译码，具体步骤如下：(3‑1)初始化：根据转移概率密度f_i^y设定信道传递给变量节点的初始概率Ln，以及对应的似然比消息数据λ(L_n)，然后设定每个变量节点n传向与其相邻的校验节点m，得到的变量节点传递给校验节点的初始信息为：λ⁽⁰⁾(q_n,m)＝λ(L_n)；(3‑2)横向处理，又称校验节点更新：即对n∈M(m)以及m∈N(n)的第l次迭代过程中变量节点传递到校验节点的信息进行更新，更新公式如下：(3‑3)纵向处理，又称变量节点更新：即对n∈M(m)以及m∈N(n)的第l次迭代过程中校验节点传递到变量节点的信息进行更新，更新公式如下：(3‑4)比特判决：(3‑4‑1)计算伪后验概率，计算公式如下：设变量当λ^(l)(q_n)>0时，则否则，(3‑4‑2)译码输出条件判决，若或迭代次数超过规定的最大迭代次数，则结束，作为译码的有效输出值；否则回到步骤(3‑1)继续迭代。