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基于LDPC编码的水声OFDM系统设计.doc

基于LDPC编码的水声OFDM系统设计

Phyllis娥
2017-10-16 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于LDPC编码的水声OFDM系统设计doc》,可适用于综合领域

基于LDPC编码的水声OFDM系统设计()自然科学版吉首大学学报第卷第期VolNo年月()JournalofJishouUniversityNaturalScienceEditionMar()文章编号:Ξ基于LDPC编码的水声OFDM系统设计温平娜,张()北京邮电大学无线新技术研究所,北京摘要:水声信道是目前通信环境中最为恶劣的信道,只有采用强有力的调制编码方式才可能实现高速可靠的通信笔者提出了一种水声LDPCOFDM系统设计方案,采用LDPC码进行纠错,并用一个均衡器消除多普勒频移引发的载波间干扰,从而提高通信质量仿真结果表明该方案能够得到理想的增益关键词:水声信道低密度校验码正交频分复用均衡中图分类号:TN文献标识码:A随着人们对海洋开发、水下目标探测等方面需要的增长,水声通信研究已成为近年来迅速发展的科学领域之一水声(信道多途效应强,环境噪声高,传输损耗大,频带资源极为有限信道特性对传输造成的影响多途效应使水声信号经历时)间和频率选择性衰落导致了严重的码间干扰,环境噪声和传输损耗造成信号衰落,而海水对声波的吸收又限制了传输距离这些时、空、频率特性成为建立可靠、高速、远距离水下通信的巨大障碍为了抗多途对相干通信的影响,研究人员采用()了扩谱技术、自适应均衡、盲均衡技术、分集技术、编码技术等,同时也已经开始研究新的调制技术如多载波调制MCM,自适应调制,参数换能器等由于OFDM技术频谱利用率高和抗多径衰落性能好,有很好的应用前景,人们开始试图将OFDM技术应用于水声信道,以其达到高的传输速率和可靠性在这种恶劣的通信环境中,更加需要采用强有力的信道纠错编码技术由于信道的快衰落特性,传统的BCH码、卷积码的纠错性能不尽理想,人们开始使用对长突发错误具有较强纠错能()力的RS码,然而RS码的纠错性能仍然不能满足人们的需求LDPCLowDensityParityCheckCodes中文译名为低密度校验码其性能接近Shannon限,具有较大的灵活性和较低的差错平底特性,译码复杂度低,且可实现完全的并行操作,硬件复杂度低,吞吐量大,极具高速译码潜力由于该种编码方式所具有的众多优点,目前,LDPC码已被IEEEan、DVBS、IEEEe等标准所采纳笔者提出了一个在水声信道中采用LDPC信道编码的OFDM系统方案,采用LDPC信道编码纠错,由均衡器消除OFDM系统的载波间干扰,最后进行了仿真验证系统模型()输入数据经过发送滤波器产生发射信号st,其接收信号可以写成()()(τ)(τ)τ()yt=htstdzt,对其进行时域采样,采样速率满足奈奎斯特准则,则接收信号的离散时域模型为y()()()()()yk=hklxklzk,l=()()其中hkl为了消除块之间的干扰IBI,在输入块中加入循环前缀,当信道时变,具有IBI是离散采样时变信道脉冲响应的线性卷积信道矩阵H变成循环矩阵,从而达到消除IBI的目的()在一个时间块内,式的矩阵表达式为()y=HxzΞ收稿日期:()作者简介:温娜,女,黑龙江齐齐哈尔人,北京邮电大学无线新技术研究所博士生,主要从事信道编码和OFDM等无线通信技术研究其中()()()hhh()()()()hhhh()()()H=hvvhvv()hN()hN()hN接收端经过DFT变换后输出N()()()()()()()=Gp,pXpGp,qXqzp,Ypq=pqNvNπ()πrsmNjslN()()()()()()ICI矩阵Zn=Gm,nXn,其中Gm,s=hr,lee当m=s时,Gm,n表示了信ICINn=r=l=nm()道的频域响应,ms时,Gm,sm个子载波其他子载波的干扰频域响应,它是独立、均匀分布的高斯随机表示对于第变量iχ经过滤波器以后,载波间干扰被消除,然后进行解调及译码令表示第i个比特是b{,}的信号集合,L表示第bp,ip个子载波传送符号的第i个比特的对数似然比,作为初始软信息启动译码器开始译码其表达式为(exp()())‖YpGp,pv‖σiχvi()L=lnp,i(()())exp‖YpGp,pw‖σiχwLDPC码(λρ)λρLDPC码是一种线性分组码,可以用一对“度分布函数”,来表示,其中:表示变量节点度的分布表示校验节点度的分布LDPC码的编码与一般的分组码相同,而它之所以能得到特别好的纠错性能主要由于它的结构具有一个内部的交织器,起到了很好的分集作用,且采用了性能仅次于最大似然译码的迭代译码方法,同时采用并行译码结构,在保证纠错性能的同时降低了译码的复杂度由于LDPC强有力的纠突发错误的能力,将它用于水声通信系统具有良好前景()常用的LDPC译码方法是置信传播算法BP置信传播算法中,分别用u和v表示校验节点和变量节点的对数似然比,根据置信传播算法,从一个变量节点传向一个校验节点的消息v等于所有输入到这个变量节点的LLR消息u的和,即dv()v=uii=()其中:i从到dd是变量节点的最大的度数每个消息u是一个随机变量,u表示来自信道的信息u分别表示dvviiv个相邻校验节点的信息假设LDPC码的双向图中循环的周长足够长,这样每个节点的输入消息是独立的,因此随机变量v的概率密度函数是每个消息u的概率密度函数的卷积和,此卷积和可以方便的利用FFT变换实现而从校验节点传向变量i节点的消息u的更新采用tanh规则:dcvuj()tanhj=,,d=tanhcj=其中:d是校验节点的最大度数v是从校验节点相邻的变量节点输入的消息这样多次迭代后,软信息不断增大,译码过cj程在u和v的不断更新中完成译码过程首先需要对信道信息进行初始化来启动译码在水声通信中,正确获得信道信息是关键问题,同时信道建模的好坏也影响了研究的准确性从水声信道的特点可知,浅海水声信道是一个时间空间频率变化的强多途干扰的信道,环境噪声高,传输损耗大,带宽非常有限若将传播过程中的每一路径的主声线视为一个Rayleigh衰落路径,接收信号则是多个经过Rayleigh衰落路径的信号的迭加,近距离上接收信号的幅度包络符合Rice分布,远距离上服从广义Rayleigh分布由于水声信道复杂多变,如何对水声信道建模是人们研究的一个方向笔者采用的是目前较常用的基于射线理论的信道模型,将信道的多径传播简化为N径传输模型,保留声波能量损失最小的那部分路径得到大约dB的性能增益该仿真验证了在水声信道下采用LDPC码进行纠错的可行性当然,此时假设接收机能够得到理想的信道估计,这在实际通信中由于信道的时频域的多变性实现起来比较困难,然而随着水声通信的迅猛发展,这一技术难题必将被攻克采用LDPC编码系统与未进行信道图图载干比增益曲线编码的BER对比曲线结语随着人们对海洋等水下环境的探索和利用,高速水声通信成为一个具有很大发展空间的研究方向笔者提出了一种水声信道下采用LDPC码进行信道编码的OFDM系统设计,OFDM技术使其实现高速成为可能,LDPC信道编码保证了通信的可靠性,同时采用均衡器消除了OFDM子载波之间的干扰仿真结果验证了提出方案的有效性参考文献:STOJANOVICMRecentAdvancesinHighRateUnderwaterAcousticCommunicationsJIEEEJOceanicEngineering,,():()郭淑霞,高颖,黄建国远程水下通信系统纠错编码方法研究J测控技术,,:WANGZhengdao,GEORGIOSBGIANNAKISWirelessMulticarrierCommunicationsJIEEESignalProcessingMagazine,,():RICHARDSONTJ,URBANKERLTheCapacityofLowDensityParityCheckCodesUnderMessagePassingDecodingJIEEE()TransInformTheory,,:ANASTASIOSSTANMOULIS,SUHASNDIGGAVI,NAOFALALDHAHIRIntercarrierInterferenceinMIMOOFDMJIEEE()TransanctionsonSignalProcessing,,:()温娜,吴长奇水声OFDM系统的载波间干扰抵消J声学技术,,:DesignofLDPCCodedOFDMSystemforUnderwaterAcousticChannelWENNa,ZHANGPing()WTIofUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing,ChinaAbstract:UnderwateracousticchannelisthemostcomplexchannelinallofthecommunicationchannelsStrongmodulationandcodingmodemustbeappliedinsuchsystemALDPCcodedOFDMsystemschemeforunderwateracousticchannelisproposedTheauthorsadoptLDPCcodestocorrecttheerrorsandeliminatetheinterferencecarrierinterruptionwithanequalizerfurtherSimulationresultsvalidateitsgoodperformanceKeywords:underwateracousticchannellowdensityparitycheckcodeorthogonalfrequencydivisionmultiplexingequalizer

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