本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于Turbo原理的單用戶迭代檢測(cè)的裝置與方法。

背景技術(shù)：

自由空間光通信又稱無(wú)線光通信，它以不可見的激光為載體，在大氣或者真空信道中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或者多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信息傳輸?shù)碾p向通信技術(shù)，其光波的頻率在太赫茲的光譜范圍內(nèi)。自由空間光通信是光纖通信和射頻通信相結(jié)合的產(chǎn)物，兼有射頻通信與光纖通信的特點(diǎn)，與射頻通信相比，自由空間光通信無(wú)需頻率許可證和昂貴的使用費(fèi)，帶寬資源豐富，數(shù)據(jù)傳輸速率高，激光定向性好具有內(nèi)在的保密性與抗干擾性，系統(tǒng)安全性高。與光纖通信相比，自由空間光通信能提供與光纖相近的速率，但它無(wú)需鋪設(shè)光纜及維護(hù)費(fèi)用，建網(wǎng)方便靈活，總體造價(jià)低，部署周期短。除此之外，F(xiàn)SO系統(tǒng)克服了銅線進(jìn)戶帶寬窄與速率低等缺點(diǎn)，是寬帶“最后一公里”的優(yōu)選解決方案。

Turbo碼最早由C.Berrou等于ICC’93會(huì)議上提出的，由于其達(dá)到了近香農(nóng)限的性能，引起了編碼界轟動(dòng)。自Turbo碼問(wèn)世以來(lái)，基于迭代譯碼的思想已經(jīng)推廣到非常多的應(yīng)用，包括檢測(cè)、譯碼、解調(diào)等問(wèn)題，具體比如：迭代多用戶檢測(cè)技術(shù)、LDPC編碼、均衡、MIMO多徑檢測(cè)等。Turbo原理可總結(jié)為：每一個(gè)分量譯碼器會(huì)輸出一個(gè)關(guān)于碼片或者比特的外信息，其次這個(gè)分量譯碼器的外信息被用作它的譯碼器的先驗(yàn)信息，這樣的迭代譯碼過(guò)程需要進(jìn)行至一定迭代次數(shù)。Turbo原理核心的思路是每個(gè)譯碼器將它對(duì)該信息估計(jì)傳給其它的譯碼器，但是這個(gè)信息估計(jì)是不包括該譯碼器本身存在的輸入信息。

本發(fā)明主要基于Laguerre信道模型，在發(fā)送端采用PPM調(diào)制情況下，構(gòu)建了串行級(jí)聯(lián)檢測(cè)的單用戶激光通信系統(tǒng)框架，并推導(dǎo)了基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)算法。從仿真結(jié)果中可以看出，本系統(tǒng)有優(yōu)良的通信性能，在一定程度上可以抵抗實(shí)際環(huán)境帶來(lái)的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于Turbo原理的單用戶迭代檢測(cè)的裝置與方法。

本發(fā)明的目的在于提出基于Turbo原理的單用戶迭代檢測(cè)的裝置，分為基于Turbo原理的單用戶迭代檢測(cè)發(fā)射機(jī)和基于Turbo原理的單用戶迭代檢測(cè)接收機(jī)；其中：

所述基于Turbo原理的單用戶迭代檢測(cè)發(fā)射機(jī)，包括前向編碼器FEC、交織器Π、調(diào)制器與激光器；原始比特流經(jīng)過(guò)前向編碼器進(jìn)行前向編碼，隨后通過(guò)交織器進(jìn)行信號(hào)的隨機(jī)交織，接著通過(guò)調(diào)制器將交織碼片序列映射為時(shí)隙序列，用于驅(qū)動(dòng)激光器并通過(guò)信道形成發(fā)射信號(hào)；

具體來(lái)說(shuō)，用戶的傳輸比特流b＝{b_t,t＝1,2,…,l_bit}通過(guò)前向編碼器FEC生成碼片序列c＝{c_t,t＝1,2,…,l_chip}，再經(jīng)過(guò)交織器Π得到交織后的碼片序列π＝{π_t,t＝1,2,…,l_chip}，交織碼片序列進(jìn)一步通過(guò)調(diào)制器映射成符號(hào)序列S＝{S_t,t＝1,2,…,l_symbol}，調(diào)制方式為Q-ary PPM，映射表為最后經(jīng)過(guò)激光器發(fā)送入信道。

所述基于Turbo原理的單用戶迭代檢測(cè)接收機(jī)，包括接收器、光濾波器、光子分辨率計(jì)數(shù)器PNRD以及由基本信號(hào)檢測(cè)ESE、交織/解交織器、譯碼器DEC組成的迭代檢測(cè)譯碼模塊；接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)接收孔徑、光濾波器以及光子分辨率計(jì)數(shù)器PNRD測(cè)量輸出時(shí)隙光子數(shù)序列?；拘盘?hào)檢測(cè)ESE用于實(shí)現(xiàn)對(duì)接收光信號(hào)的解調(diào)，初始用戶的先驗(yàn)信息為0，利用輸入時(shí)隙光子數(shù)測(cè)量值，計(jì)算輸出碼片外信息；譯碼器DEC為基于SISO的譯碼器，用于實(shí)現(xiàn)前向編碼器FEC編碼的解碼過(guò)程，最終輸出為比特后驗(yàn)對(duì)數(shù)似然比；交織器與解交織器用于實(shí)現(xiàn)解調(diào)/譯碼的迭代過(guò)程中碼片之間外信息交換，進(jìn)行交織與解交織工作，進(jìn)行一定迭代次數(shù)后完成用戶數(shù)據(jù)檢測(cè)；迭代檢測(cè)譯碼模塊的工作流程圖如圖2所示。

接收機(jī)的基本信號(hào)檢測(cè)ESE中采用基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)算法。

本發(fā)明中，基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)算法，具體內(nèi)容如下：

根據(jù)自由空間信道模型，以Laguerre分布為信道建模，在時(shí)隙時(shí)間(0,T_slot)內(nèi)接收端的接收?qǐng)霭ü庑盘?hào)、背景輻射與高斯白噪聲，這樣的復(fù)合信號(hào)通過(guò)光濾波器后再通過(guò)量子效率為η，暗計(jì)數(shù)為υ、理想光子數(shù)分辨率的光子分辨率計(jì)數(shù)器PNRD進(jìn)行光子計(jì)數(shù)，假設(shè)接收機(jī)中的光濾波器帶寬為2B，時(shí)隙時(shí)間T_slot內(nèi)計(jì)數(shù)的輸出為r的概率密度函數(shù)為給出：

其中，計(jì)數(shù)維數(shù)D＝2BT_slot，λ＝n_s·I·s+n_b為接收端輸入信號(hào)平均光子數(shù)，I為接收光信號(hào)強(qiáng)度，為發(fā)送光脈沖時(shí)等效發(fā)送光子數(shù)，P_T為交織碼片為“1”的信號(hào)功率，h為普朗克常數(shù)，f為光子頻率，n_b＝P_bT_slot/hf為時(shí)隙時(shí)間下等效背景輻射光子數(shù)，P_b為背景光平均功率。

基于貝葉斯準(zhǔn)則的基本信號(hào)檢測(cè)ESE模塊的碼片的后驗(yàn)軟值可以表示為：

其中，先驗(yàn)信息r＝[r₁,r₂,…,r_Q]為接收符號(hào)時(shí)間內(nèi)的時(shí)隙光子數(shù)序列。

根據(jù)全概率公式可推碼片序列中第p個(gè)交織碼片的外信息為：

已知經(jīng)偽隨機(jī)交織器后的碼片之間近似相互獨(dú)立，假設(shè)信道是無(wú)記憶性，則

其中，q與q′的值與相應(yīng)的碼片比特π₁π₂…π_C有關(guān)；又根據(jù)式(1)可得：

其中，λ_k,0＝ηn_b+υ，λ_k,1＝ηn_sI+ηn_b+υ。

利用廣義Laguerre多項(xiàng)式的近似表達(dá)化簡(jiǎn)外信息值為：

根據(jù)Jacobian等式化并省略求對(duì)數(shù)項(xiàng)可得進(jìn)一步化簡(jiǎn)的外信息計(jì)算公式：

其中，p＝1,2,…,C，φ_k為第k時(shí)隙信道參數(shù)值：

根據(jù)上述內(nèi)容，本發(fā)明提供的基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)的方法，采用基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)的裝置，即發(fā)射機(jī)與接收機(jī)，信號(hào)在發(fā)射機(jī)經(jīng)過(guò)交織器交織并調(diào)制后發(fā)射；在接收機(jī)中通過(guò)ESE和DEC解碼器，利用基于Turbo原理的單用戶迭代檢測(cè)方法，更新接收信號(hào)的先驗(yàn)信息，降低干擾，對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)軟解調(diào)。其具體步驟(即發(fā)射機(jī)中迭代檢測(cè)譯碼模塊的流程)如下：

(1)在第一次迭代中，ESE先驗(yàn)信息置為0，即

(2)ESE模塊根據(jù)輸入測(cè)量時(shí)隙光子數(shù)r與先驗(yàn)信息根據(jù)式(7)計(jì)算碼片外信息

(3)經(jīng)過(guò)解交織得到DEC模塊的信息比特先驗(yàn)信息

(4)DEC模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)譯碼算法得到信息比特外信息與信息比特后驗(yàn)信息

(5)信息比特外信息通過(guò)交織更新先驗(yàn)信息回到步驟(2)，進(jìn)行循環(huán)迭代；

(6)經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的迭代，根據(jù)信息比特后驗(yàn)信息進(jìn)行硬判決得到譯碼信息。

本發(fā)明方法能夠提高單用戶激光通信系統(tǒng)抗干擾能力。

上述方法中，所述的基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)發(fā)射機(jī)，針對(duì)下行數(shù)據(jù)傳輸，采用交織器產(chǎn)生無(wú)相關(guān)近似獨(dú)立的碼片。

上述方法中，所述的基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)接收機(jī)，用戶接收機(jī)先進(jìn)行PNRD解調(diào)，然后進(jìn)行Turbo信號(hào)軟解調(diào)，通過(guò)ESE與DEC解碼器的迭代更新，獲得接收信號(hào)。

上述方法中，外信息可以由計(jì)算得到(由式(7))。

本發(fā)明主要針對(duì)單用戶激光通信下行鏈路，提出一種基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)激光通信接收機(jī)，應(yīng)用了本發(fā)明中所述的基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)算法，更新接收信號(hào)的先驗(yàn)信息，降低干擾，對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)軟解調(diào)。仿真結(jié)果表明，該接收機(jī)在不同信道條件下能夠提供較好的檢測(cè)性能。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：

(1)基于串行級(jí)聯(lián)檢測(cè)的單用戶激光通信接收機(jī)能夠得到較好的單用戶通信性能；

(2)基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)接收機(jī)使用了迭代軟解調(diào)的接收方法，其接收復(fù)雜度較低；

(3)所述的Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)算法，能夠在不同信道條件下能夠提供較好的檢測(cè)性能；

(4)所述的接收機(jī)有效提高抵抗大氣湍流等不利因素的擾能力。

附圖說(shuō)明

圖1為基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)激光通信發(fā)射機(jī)與接收機(jī)系統(tǒng)。

圖2為基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)算法流程圖。

圖3為L(zhǎng)aguerre信道下系統(tǒng)在不同調(diào)制階數(shù)與不同背景噪聲條件下的誤碼率性能。

圖4為L(zhǎng)aguerre信道下系統(tǒng)在不同編碼效率下的誤碼率性能。

圖5為L(zhǎng)aguerre信道下系統(tǒng)在不同湍流程度條件下的誤碼率性能。

圖6為L(zhǎng)aguerre信道下系統(tǒng)在不同量子檢測(cè)效率條件下的誤碼率性能。

具體實(shí)施方式

對(duì)本發(fā)明提出的一種基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)方法，具體步驟如下：

如圖1所示，發(fā)射端通過(guò)前向編碼、交織、調(diào)制后發(fā)射激光信號(hào)，信道通過(guò)Laguerre光子計(jì)數(shù)信道建模。系統(tǒng)采用Q-ary PPM編碼的串行級(jí)聯(lián)檢測(cè)的單用戶激光通信接收機(jī)進(jìn)行蒙特卡洛仿真，比較在不同程度大氣湍流程度信道條件下系統(tǒng)的性能，同時(shí)仿真了同背景噪聲條件以及不同量子檢測(cè)效率系統(tǒng)的性能。

圖3仿真了Laguerre信道下系統(tǒng)，在不同調(diào)制階數(shù)與不同背景噪聲條件下的誤碼率性能。從仿真可知，從圖3可以分析出，在熱噪聲數(shù)較低，背景噪聲主要影響了基于光子計(jì)數(shù)的FSO系統(tǒng)的性能，高階PPM調(diào)制比較低階PPM調(diào)制對(duì)于背景噪聲的抑制性能更好，原因在于迭代過(guò)程中利用了同一符號(hào)內(nèi)其它比特的先驗(yàn)信息，有利于受到背景光干擾的接收序列解調(diào)。

圖4為L(zhǎng)aguerre信道下系統(tǒng)在不同編碼效率下的誤碼率性能情況，從圖得出隨著RC編碼碼率的降低，系統(tǒng)性能逐漸變好，在測(cè)試發(fā)射信號(hào)功率范圍內(nèi)，碼率1/4相比碼率1/2最大有2dB的增益，碼率1/8比碼率1/2有最大4dB的增益。

圖5為L(zhǎng)aguerre信道下系統(tǒng)在不同湍流程度條件下的誤碼率性能。，隨著湍流的增強(qiáng)，基于光子計(jì)數(shù)的FSO系統(tǒng)性能稍有降低，在大氣信道下進(jìn)行傳輸?shù)腇SO，設(shè)計(jì)對(duì)抗湍流系統(tǒng)方案，是非常有利于FSO系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用的。

圖6為L(zhǎng)aguerre信道下系統(tǒng)在不同量子檢測(cè)效率條件下的誤碼率性能。在無(wú)湍流信道下非理想PNRD對(duì)基于光子計(jì)數(shù)FSO系統(tǒng)性能有一定的影響，非單位量子效率使得FSO系統(tǒng)性能有所影響衰減。

由以上的仿真可知，使用基于Turbo原理單用戶迭代檢測(cè)方法使單用戶激光通信系統(tǒng)可以抵抗帶限白高斯噪聲、散彈噪聲、背景輻射以及非理想的PNRD對(duì)FSO實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響。同時(shí)基于Turbo原理的迭代技術(shù)，使得系統(tǒng)可以有效對(duì)抗背景輻射，提高了單用戶激光通信的可靠性。