《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁 > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于高效糾錯(cuò)碼的無線光通信系統(tǒng)性能分析
基于高效糾錯(cuò)碼的無線光通信系統(tǒng)性能分析
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
劉 洋1，章國安1,，何黃燕2
（1.南通大學(xué) 電子信息學(xué)院,，江蘇 南通226019；2.江蘇省南通衛(wèi)生高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,，江蘇 南通226007）
摘要： 介紹了弱湍流信道條件下光強(qiáng)閃爍的對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型，結(jié)合大氣信道特點(diǎn)，推導(dǎo)了自由空間光通信未編碼系統(tǒng)和RS編碼系統(tǒng)在開關(guān)鍵控(OOK),、脈沖位置調(diào)制(PPM)、差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)和數(shù)字脈沖間隔調(diào)制(DPIM)方式下的平均誤碼率公式,，并用數(shù)值仿真的方法分析了它們的平均誤碼率性能,。仿真結(jié)果表明，采用RS編碼可以有效地增加信噪比增益,，改善大氣湍流對(duì)通信鏈路性能的惡化,，能夠提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在無線光通信系統(tǒng)中將有一定的應(yīng)用前景,。
中圖分類號(hào)： TN929.12
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)12-0103-04
Performance for efficient error correction coding in wireless optical communication
Liu Yang1,，Zhang Guoan1，He Huangyan2
1.School of Electronics and Information, Nantong University，Nantong 226019,，China,；2.Nantong Higher Vocational & Technical School of Health, Nantong 226007，China
Abstract： Free space optical(FSO) communication based on the log-normal model under the weak turbulence channel was introduced. Combining the characteristics of atmospheric channel, the bit error rate(BER) calculating formula of uncoded and RS coded system were derived based on on-off keying(OOK), pulse position modulation(PPM), differential pulse position modulation(DPPM) and digital pulse interval modulation (DPIM). Then as a benchmark, under the case of independent with identical distribution, the average bit error rates of RS coded system were derived respectively. Simulation results show that, RS coded is efficient to get the code gain and to improve jamming-rejection capability of system, and it is well suited for optical wireless communication system.
Key words : optical communication,；modulation scheme,；RS code；bit error rate performance

0 引言

　　隨著科學(xué)的進(jìn)步和生活水平的提高,，人們對(duì)于通信的需求量以及通信質(zhì)量的要求也日益增長,。由于對(duì)通信質(zhì)量的高要求，人們希望找到一些提高通信質(zhì)量的方法,，而糾錯(cuò)碼作為信道編碼是提高通信質(zhì)量特別是無線通信質(zhì)量的有效方法之一[1-2],。提高信息傳輸?shù)目煽啃院陀行裕冀K是通信工作所追求的目標(biāo),。采用高效的調(diào)制編碼技術(shù)可以有效地提高無線光通信系統(tǒng)的抗干擾能力,。

　　目前適用于無線光通信中的調(diào)制方式主要有開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制、脈沖位置調(diào)制(PPM),、差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)以及數(shù)字脈沖間隔調(diào)制(DPIM)等,。除了選擇合適的調(diào)制方式外，還應(yīng)采用信道編碼技術(shù)來提高無線光通信系統(tǒng)的鏈路性能,。常用的信道糾錯(cuò)編碼有線性分組碼,、循環(huán)碼、卷積碼和網(wǎng)格編碼等[3-4],。BCH碼是一種獲得廣泛應(yīng)用能夠糾正多個(gè)錯(cuò)碼的循環(huán)碼,，RS碼則是一種具有很強(qiáng)糾錯(cuò)能力的多進(jìn)制BCH碼。

　　本文介紹了弱湍流信道條件下光強(qiáng)閃爍的對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型,，結(jié)合大氣信道特點(diǎn),，推導(dǎo)了自由空間光通信未編碼系統(tǒng)和RS編碼系統(tǒng)在OOK、PPM,、DPPM和DPIM方式下的平均誤碼率公式,，并用數(shù)值仿真的方法分析了它們的平均誤碼率性能。仿真結(jié)果表明,，PPM調(diào)制可獲得最好的誤碼率性能,，采用RS編碼可以有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 大氣信道及系統(tǒng)模型

　　無線光通信一般采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(Intensity Modulation/Direct Detection,，IM/DD)系統(tǒng)。光經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制后,，在大氣信道中傳輸時(shí)主要受大氣湍流和大氣衰減效應(yīng)兩方面的影響,。相對(duì)于大氣衰減，湍流對(duì)信號(hào)的影響更具隨機(jī)性,。根據(jù)湍流程度以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同,，大氣信道可分為弱湍流和強(qiáng)湍流信道,。對(duì)于室外的可見光通信系統(tǒng)，考慮孔徑平均效應(yīng),，可認(rèn)為大氣湍流為弱湍流,。在弱湍流信道條件下，大氣閃爍造成光信號(hào)的光強(qiáng)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,，其概率密度函數(shù)為[5-6]：

　　@TUWENAYAQIHAYI%MR5V%1V.png

　　式中I為接收光強(qiáng),，單位面積上等價(jià)為光功率；I0為I的均值,；5FHOGQ~IG55X}YCV0`B37)8.jpg1為大氣閃爍指數(shù),，在弱湍流條件下一般取5FHOGQ~IG55X}YCV0`B37)8.jpg1<1。

2 RS碼在無線光通信信道中的性能

　　在AGWN背景下,，當(dāng)判決器輸入端得到的信號(hào)x(t)在有脈沖時(shí)為$`T`V4SW6_Q9YXL5BQC7)84.png,，沒有脈沖時(shí)為n(t)。假設(shè)P0/1代表判決器將“1”誤判為“0”的概率,，P1/0代表將“0”誤判為“1”的概率,，那么[7-8]：

　　TG4RH[~NNZ1H2[M6@A3FB~A.png輸入端信號(hào)的峰值功率；b為判決門限,。則系統(tǒng)總的誤碼率率為：

　　Pe=P0/1 P1+P1/0 P0(4)

　　式中,，P1、P0分別為等概率發(fā)送“1”和“0”時(shí)對(duì)應(yīng)的有脈沖時(shí)隙和無脈沖時(shí)隙的概率,，且P0+P1=1,。則最佳判決門限為：

　　4U~CZ(S8L0PA10I%KXBQL%4.png

　　根據(jù)式(2)~(9)以及在最佳判決門限的條件下得各調(diào)制方式在接收到的光強(qiáng)度x的條件下系統(tǒng)誤碼率為：

　　$@[K58}DVPJ8{V0PI5MC~EW.png

　　考慮在弱湍流信道條件下，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)前端帶寬足夠?qū)?，無多徑傳播,，認(rèn)為系統(tǒng)只受弱湍流信道閃爍效應(yīng)和加性高斯白噪聲的影響，則各調(diào)制方式下系統(tǒng)誤碼率計(jì)算公式為：

　　~_RMHLK~HQ$2UC~R4YW4IV7.png

　　式中,，x為接收光強(qiáng),，f(x)為光強(qiáng)x條件下的概率密度函數(shù)，Pe(ber|x)為光強(qiáng)x條件下系統(tǒng)誤碼率表達(dá)式,?？梢缘玫交贠OK調(diào)制方式下系統(tǒng)平均誤碼率為：

　　FTY(_6A}2RV5AU}3SX8Q2~X.png

　　式中x為接收光強(qiáng)，單位面積上等價(jià)為光功率,；x0為x的均值,；?滓x為大氣閃爍指數(shù)，在弱湍流條件下一般取?滓x<1,。同理,，可推導(dǎo)出分別在PPM、DPPM以及DPIM調(diào)制方式下的系統(tǒng)平均誤碼率表達(dá)式。

　　在最佳判決門限下,，當(dāng)調(diào)制階數(shù)為3,、閃爍指數(shù)?滓x=0.3時(shí)，各調(diào)制方式的系統(tǒng)誤碼率曲線如圖1所示,。由此可見,，當(dāng)調(diào)制階數(shù)M一定時(shí)，OOK的誤碼率最大,，PPM的誤碼率最小,，DPPM與DPIM的差錯(cuò)性能趨于一致，且明顯優(yōu)于OOK調(diào)制,。

　　在參量為(n,，k)的RS碼中，輸入信號(hào)分成k·m bit一組,，每組包括k個(gè)符號(hào),，每個(gè)符號(hào)由m bit組成；傳輸過程中,，假設(shè)錯(cuò)誤是隨機(jī)分布且彼此獨(dú)立的,，在n個(gè)符號(hào)的碼子中，不正確的符號(hào)數(shù)大于t的概率存在上限Pwe,，這可以用二項(xiàng)式分布得到：

　　$~KTJGLUWY@AS3H]6%}69YH.png

　　其中,，P(i，n)是n個(gè)符號(hào)中有i個(gè)錯(cuò)誤的概率,，Ps是傳輸信道的符號(hào)錯(cuò)誤概率,。通常所需的是一個(gè)信息符號(hào)出錯(cuò)的概率Psc，為了正確計(jì)算Psc且計(jì)算簡單化,，這里僅計(jì)算符號(hào)錯(cuò)誤概率的上限,。假設(shè)錯(cuò)誤在譯碼后的碼子中均勻分布，那么給定符號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率是(i+t)/n,，則可以推出譯碼后符號(hào)錯(cuò)誤概率為：

　　ONOOELWF(W5{D0T[GT$Z()X.png

　　式中Ps=1-(1-Pe)m,，Pe是未編碼時(shí)的比特差錯(cuò)概率。則對(duì)于RS編碼系統(tǒng)而言,，在OOK調(diào)制方式下的系統(tǒng)誤碼率計(jì)算公式為：

　　4G@7KA%OSDEVOA14B1BDY@9.png

　　其中,，Ps，ook=1-(1-Pe,，ook)m,。同理可以推導(dǎo)出不同調(diào)制方式下的系統(tǒng)誤碼率與信噪比的表達(dá)式。

002.jpg

　　圖2所示為采用PPM調(diào)制,，未編碼系統(tǒng)與RS編碼系統(tǒng)的誤碼率曲線圖,。圖中可以看出,，采用RS編碼方案可以比未編碼系統(tǒng)帶來信噪比增益,，且隨著輸入信號(hào)信噪比的增大,，系統(tǒng)誤碼率逐漸降低，當(dāng)系統(tǒng)誤碼率為10-5時(shí),，RS(7,，3)碼可以提供約3 dB的編碼增益。由此可見,，采用RS編碼方案可以有效地提高通行鏈路的性能,。

　　圖3分析了基于RS(7，3)碼,、調(diào)制階數(shù)M=3時(shí),，各調(diào)制方式未編碼系統(tǒng)與RS編碼系統(tǒng)的誤碼率曲線圖。仿真結(jié)果表明,，采用RS編碼的PPM調(diào)制方式可以獲得最好的系統(tǒng)差錯(cuò)性能,；當(dāng)系統(tǒng)誤碼率為10-4時(shí)，各調(diào)制方式下的系統(tǒng)編碼增益均提高了3~4 dB,。

3 結(jié)論

　　本文分析了弱湍流信道條件下光強(qiáng)閃爍的對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型,，結(jié)合大氣信道特點(diǎn)，推導(dǎo)了自由空間光通信未編碼系統(tǒng)和RS編碼系統(tǒng)在OOK,、PPM,、DPPM和DPIM方式下的平均誤碼率公式，并用數(shù)值仿真的方法分析了它們的平均誤碼率性能,。仿真結(jié)果表明,，PPM調(diào)制可獲得最好的誤碼率性能，采用適當(dāng)?shù)牟铄e(cuò)編碼技術(shù)可以有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力,，改善系統(tǒng)的光通信質(zhì)量,。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] KARIMI M，NASIRI-KENARI M．Outage analysis of relay-assisted free-space optical communications[J]．IET Commu-nication,，2010,，4(12)：1423-1432．

　　[2] Liu Yang，Zhang Guoan,，Ji Yancheng,，et al.Performanceanalysis of MIMO-FSO system based on weak turbulenceatmosphere channel[C].The 2013 International Conferencen Communication Technology(ICCT 2013)，2013：853-862.

　　[3] SHIU D S,，KAHN J M.Differential pulse-position modula-tion for power-efficient optical communication[J].IEEETransactions on Communications,，1999，47(8)：1201-1210.

　　[4] 李成福,，盧選民,，楊杰,，等．基于LDPC碼和物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的聯(lián)合信道編碼技術(shù)[J]．微型機(jī)與應(yīng)用，32(17)：41-43．

　　[5] 王紅星,，徐建武,，孫曉明，等．Gamma-Gamma模型下采用PPM調(diào)制的MIMO-FSO系統(tǒng)誤時(shí)隙率分析[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),，2012,，34(2)：385-390.

　　[6] 趙知?jiǎng)牛瑥堣雌迹谛诺佬阅艿念l譜分配算法[J]．電子技術(shù)應(yīng)用,，2013,，39(9)：105-108．

　　[7] 劉洋，章國安.弱湍流信道MIMO-FSO系統(tǒng)誤時(shí)隙率分析[J].半導(dǎo)體光電,，2014,，35(2)：300-304.

　　[8] 何小梅，李曉峰,，張冬云,，等．高效糾錯(cuò)碼技術(shù)在無線光通信中的性能分析[J].光子學(xué)報(bào)，2008,，37(12)：2427-2429.


此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。