基于高斯近似理论的抗大气湍流衰弱的极化码构建方法技术

本发明专利技术提供了一种基于高斯近似理论的抗大气湍流衰弱的极化码构建方法，将极化码编码用于自由空间光通信系统中时，挑选出在大气湍流增益错误概率较低的极化子信道用于传输信息比特序列，错误概率较高的极化子信道用于传输收发端都已知的固定比特序列。本发明专利技术提出的方法的具体步骤包括：根据大气湍流引起的信号瞬时增益，初始化接收信号对数似然比的概率密度分布；进行极化信道对数似然比概率密度分布的迭代运算；计算各个极化子信道的错误概率；挑选出错误概率较低的极化子信道用于传输信息比特序列。本发明专利技术主要解决极化码在大气湍流衰弱信道下的构建问题，能有效抑制由于大气湍流衰弱导致的系统性能下降，提高自由空间光通信系统的稳定性。

Construction of polarization codes based on Gauss approximation theory and anti atmospheric turbulence attenuation

The invention provides a method of building a polarization code against atmospheric turbulence based on Gauss's approximation theory. When the polarization code is used in the free space optical communication system, the polaron channel with lower error probability of atmospheric turbulence is selected to transmit the information bit sequence and the polaron channel with higher error probability is used. A fixed bit sequence that is known at the receiving end of transmission. The specific steps of the method proposed in the present invention include: initializing the probability density distribution of the log likelihood ratio of the received signal according to the instantaneous gain caused by the atmospheric turbulence, iterative operation of the probability density distribution of the log likelihood ratio of the polarized channel, calculating the error probability of each polaron channel, and selecting the error probability is lower. The polaron channel is used to transmit the sequence of information bits. The invention mainly solves the problem of the construction of polarization code under the fading channel of atmospheric turbulence, which can effectively restrain the decline of the system performance caused by the decay of atmospheric turbulence and improve the stability of free space optical communication system.

【技术实现步骤摘要】
基于高斯近似理论的抗大气湍流衰弱的极化码构建方法
本专利技术涉及信息编码及自由空间光通信领域，具体地，涉及抗大气湍流衰弱的极化码构建方法。
技术介绍
随着通信容量的不断增加，传统射频通信的频谱资源逐渐趋于饱和，而自由空间光通信系统(FreeSpaceOptical,FSO)通信系统被广泛关注。相比于传统的射频通信系统，自由空间光通信系统拥有传输速率高、传输带宽大、不受电磁干扰、无需频率执照等优点。因此自由空间光通信系统正被广泛用于最后一公里接入、校园及企业内互联、视频监控流传输、无线回传、灾难恢复应急链路、电视广播通信等等。然而由于大气湍流效应产生的大气温度、压强等因素的不断变化，使得在大气中传输的光波，其光场的幅度和相位将会产生畸变。这种现象将会严重影响自由空间光通信系统的稳定性，限制其系统性能的提升。针对大气湍流效应对系统性能的恶化，各种新颖的技术被提出用来对抗湍流效应，提升系统的稳定性。空间分集技术采用多个发射机或者多个接收机的系统结构提高接收信号的稳定性，降低湍流衰弱；中继传输技术通过在点对点链路中增加中继节点，以此提升系统的稳定性；混合传输技术通过引入备用的射频通信链路，当光链路恶化时切换到射频链路进行传输，提升系统性能。以上技术都需要对系统的结构进行较大程度的改进，大幅提升系统的成本及复杂度。而信道编码技术能在不改变系统收发结构的基础上，以较低成本和复杂度的方式用于自由空间光通信系统，对抗因大气湍流效应引起的通信性能恶化。目前低密度奇偶校验码(LowDensityParityCheck,LDPC)和Turbo码作为先进的软判决译码方法，均已被应用于自由空间光通信系统，并且使得系统性能在大气湍流情况下获得了大幅度的提升。极化码作为一种新型的信道编译码技术，是目前唯一一种通过严格的数学证明达到信道容量的构造性编码方案，拥有较低的计算复杂度和较高的性能表现。极化码已经被证明在短码长情况下采用串行抵消列表(SuccessiveCancellationList,SCL)结合循环冗余检验(CyclicRedundancyCheck,CRC)的译码方法，其性能优于相同译码复杂度情况下的奇偶校验码。同时在5G短码方案讨论中，极化码成为5G控制信道eMBB场景编码方案。经过对现有文献的检索，来自BilkentUniversity的Erdal于2009年在IEEETRANSACTIONSONINFORMATIONTHEORY的第55卷第7期上发表论文“ChannelPolarization:AMethodforConstructingCapacity-AchievingCodesforSymmetricBinary-InputMemorylessChannels”，理论提出了极化码这种码型的构造以及译码方法，但是此篇文章只是理论上提出了极化码，并没有在应用领域做过多的深入研究。同时该文章提出的通过计算巴氏参数的方法来构建极化码，主要针对二进制擦除信道(BinaryEliminatedChannel)或者加性高斯白噪声(AdditiveWhiteGaussianNoise,AWGN)信道设计，对于二进制擦除信道复杂度较低，对加性高斯白噪声信道复杂度较高。又经检索发现，来自西安电子科技大学的DaolongWu等人于2014年在IEEECOMMUNICATIONSLETTERS的第18卷第7期上发表论文“ConstructionandBlockErrorRateAnalysisofPolarCodesOverAWGNChannelBasedonGaussianApproximation”，理论提出了在AWGN信道下采用低复杂度的高斯近似(Gaussianapproximation,GA)方法构建极化码，并且预测了在接收端采用串行抵消(SuccessiveCancellation,SC)译码方法下精确的块状误码率。将极化码用于自由空间光通信系统中，由于大气湍流效应对接收信号会产生强度上的随机波动，因此传统的针对加性高斯白噪声信道的极化码构建方案将面临大气湍流的影响，不能准确挑选出最可靠的极化子信道用于传输信息比特，使得极化码用于自由空间光通信系统的译码性能受限。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的是提供一种抗大气湍流衰弱的极化码构建方法，该方法着重解决极化码用于自由空间光通信系统的构建问题，使得挑选出的传输信息比特的极化子信道能根据大气湍流强度对接收信号增益的改变而实时变化，以提升极化码在大气湍流信道下的译码性能，进而大大提高极化码应用于自由空间光通信系统的译码性能，具有很好的应用前景。本专利技术是通过以下技术方案实现的。一种基于高斯近似理论的抗大气湍流衰弱的极化码构建方法，将极化码用于自由空间光(FreeSpaceOptical,FSO)传输系统，在极化码构建过程中，考虑大气湍流效应带来的湍流增益，根据当前时刻的湍流增益以及噪声功率，挑选出错误概率最小的极化子信道用于传输信息比特序列，而剩余的子信道用于传输收发端都已知的固定比特序列；所述极化码构建的方法包括以下步骤：步骤S1，根据大气湍流效应引起的接收信号增益，初始化接收信号对数似然比(Log-LikelihoodRatio，LLR)的概率密度分布；步骤S2，将初始化的接收信号对数似然比的概率密度分布值进行迭代运算，计算各个极化子信道接收信号对数似然比的概率密度分布，当计算的信道数量与总的极化信道数量相同停止迭代；步骤S3，根据步骤S2计算得到的接收信号对数似然比的概率密度分布，计算各个子信道的错误概率；步骤S4，将计算得到的各个子信道的错误概率进行升序排序，取前K个子信道作为错误概率最小的极化子信道用于传输信息比特序列，其余N-K个子信道用于传输收发端都已知的固定比特序列；其中N为总的极化子信道数，K为用于传输信息比特的极化子信道数。优选地，所述的自由空间光传输系统采用强度调制直接检测的工作方式。优选地，所述的步骤S1中，接收信号对数似然比的概率密度分布符合高斯分布，在发送端为全零序列时，其均值为方差为其中σ2为高斯噪声功率，Iq为大气湍流效应引起的信号幅度增益，q表示第q个湍流强度增益变化的时隙。优选地，所述的步骤S2中，将接收信号对数似然比的概率密度分布值进行迭代运算，具体的迭代规则为：其中，m表示接收信号对数似然比，初始值为σ2为高斯噪声功率，Iq为大气湍流效应引起的信号幅度增益，m的右下标表示总的极化子信道数，m的右上标表示子信道的索引，为在[0，+∞)上连续单调递减的函数。优选地，所述的步骤S3中，根据各个极化子信道接收信号对数似然比的概率密度分布计算各个子信道的错误概率，其具体的计算规则为：其中，W表示子信道，W的右下标表示总的极化子信道数，W右上标表示子信道的索引，m表示接收信号对数似然比，m的右下标表示总的极化子信道数，m右上标表示子信道的索引。优选地，迭代过程中的函数满足其中，x为函数的自变量，u为被积函数的自变量。优选地，考虑到计算的复杂度以及函数的单调递增特性，将函数简化为与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术提出基于高斯近似理论的抗大气湍流衰弱的极化码构建方案，相比于传统的针对加性高斯白噪声信道设计的构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高斯近似理论的抗大气湍流衰弱的极化码构建方法，其特征在于：将极化码用于自由空间光传输系统，在极化码构建过程中，考虑大气湍流效应带来的湍流增益，根据当前时刻的湍流增益以及噪声功率，挑选出错误概率最小的极化子信道用于传输信息比特序列，而剩余的子信道用于传输收发端都已知的固定比特序列；所述极化码构建的方法包括以下步骤：步骤S1，根据大气湍流效应引起的接收信号增益，初始化接收信号对数似然比的概率密度分布；步骤S2，将初始化的接收信号对数似然比的概率密度分布值进行迭代运算，计算各个极化子信道接收信号对数似然比的概率密度分布，当计算的信道数量与总的极化信道数量相同停止迭代；步骤S3，根据步骤S2计算得到的接收信号对数似然比的概率密度分布，计算各个子信道的错误概率；步骤S4，将计算得到的各个子信道的错误概率进行升序排序，取前K个子信道作为错误概率最小的极化子信道用于传输信息比特序列，其余N‑K个子信道用于传输收发端都已知的固定比特序列；其中N为总的极化子信道数，K为用于传输信息比特的极化子信道数。

【技术特征摘要】
1.一种基于高斯近似理论的抗大气湍流衰弱的极化码构建方法，其特征在于：将极化码用于自由空间光传输系统，在极化码构建过程中，考虑大气湍流效应带来的湍流增益，根据当前时刻的湍流增益以及噪声功率，挑选出错误概率最小的极化子信道用于传输信息比特序列，而剩余的子信道用于传输收发端都已知的固定比特序列；所述极化码构建的方法包括以下步骤：步骤S1，根据大气湍流效应引起的接收信号增益，初始化接收信号对数似然比的概率密度分布；步骤S2，将初始化的接收信号对数似然比的概率密度分布值进行迭代运算，计算各个极化子信道接收信号对数似然比的概率密度分布，当计算的信道数量与总的极化信道数量相同停止迭代；步骤S3，根据步骤S2计算得到的接收信号对数似然比的概率密度分布，计算各个子信道的错误概率；步骤S4，将计算得到的各个子信道的错误概率进行升序排序，取前K个子信道作为错误概率最小的极化子信道用于传输信息比特序列，其余N-K个子信道用于传输收发端都已知的固定比特序列；其中N为总的极化子信道数，K为用于传输信息比特的极化子信道数。2.根据权利要求1所述的基于高斯近似理论的抗大气湍流衰弱的极化码构建方法，其特征在于：所述的自由空间光传输系统采用强度调制直接检测的工作方式。3.根据权利要求1所述的基于高斯近似理论的抗大气湍流衰弱的极化码构建方法，其特征在于：所述的步骤S1中，接收信号对数似然比的概率...

【专利技术属性】
技术研发人员：方佳飞，肖石林，毕美华，刘凌，张云昊，黄天成，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31