專利名稱：一種基于序列檢測和空間分集的編碼fso系統(tǒng)實現方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信領域，更具體地說，涉及一種基于序列檢測和空間分集的編碼FSO 系統(tǒng)實現方法。
背景技術：
由于安裝傳輸線纜的成本較高且在實際應用時施工周期長，自由空間光通信系統(tǒng) (Free Space Optics，簡稱FS0)能夠靈活的提供方便、快捷的應用模式，在點對點的臨時通信方面具有較大的優(yōu)勢。I960年休斯公司研制出第一臺激光器后即轉入了應用研究，建立了第一條大氣激光通信系統(tǒng)。但由于大氣散射和不可預測的氣候干擾，通信質量較差，難以實用化。近年來，隨著氣象預測系統(tǒng)及通信技術的快速發(fā)展，FSO系統(tǒng)逐漸商用化，通常其傳輸碼率在Gb/s量級，傳輸距離也在逐漸增大。FSO通信系統(tǒng)的應用范圍已從軍用和航天逐漸邁入民用領域，其技術本身也在不斷的完善中。FSO系統(tǒng)在組網時非常靈活，該系統(tǒng)能夠支持 E1/T1、E3/DS3、0C-3/STM-1、ATM、FDDI、Fast Ethernet 等多種協(xié)議。但是，由于大氣信道的隨機性，信號在空間的傳輸具有較大的不確定性，對于傳輸性能通常無法預先獲知。在大氣信道中，溫度的微小變化會使折射率產生微擾，這種現象被稱為大氣湍流。大氣湍流是影響通信質量的主要因素，它對激光傳輸的最根本影響在于造成了傳輸光束相干性的退化。相干性的退化導致了傳輸光束許多物理量的隨機變化，這些變化表現為相位起伏、到達角起伏、光強起伏等形式。這些隨機變化對空間光通信鏈路中的信號光信息和信標光信息的傳輸、獲取和處理過程的影響非常大，可能極大地降低通信質量。從某種角度來講，空間光通信能否得到大規(guī)模的工程應用，很大程度上取決于大氣湍流抑制技術能否得到有效突破。空間光通信系統(tǒng)中通常使用直接檢測方式。直接檢測能有效測量入射到探測器上的光信號能量，但不能響應相位，僅能區(qū)分不同的強度，因此需要采用強度調制。最常用的數字強度調制形式為開-關鍵控(OOK)。OOK可以分解成簡單的二進制開關脈沖調制形式，給定波長或給定時間段內可以有也可以沒有光學脈沖，每個調制后比特位對應于這些開-關脈沖中的一個。在OOK中，二進制數據由每個T秒符號間隔中是否存在光脈沖來表示。根據準則如果信息位為“1”，則發(fā)射激光脈沖；如果信息位為“0”，則不發(fā)射任何脈沖， 這樣就在發(fā)射機上將二進制信息序列直接映射成激光脈沖序列。因此，數據流中的“ 1，，和發(fā)射機發(fā)射激光脈沖之間存在一一對應關系。在使用OOK的大氣光通信系統(tǒng)中，大氣湍流會導致激光輻照度起伏，使得入射到探測器上的光信號強度忽高忽低，影響接收機的閾值判決，進而降低通信系統(tǒng)的可靠性。信道編碼是一種常用的提高大氣光通信系統(tǒng)性能的一項通信技術。利用合適的信道編碼可以糾正因光強閃爍導致的在接收端的隨機差錯或突發(fā)差錯，提高系統(tǒng)性能。由于大氣湍流的相干時間在毫秒數量級，對于高速大氣光通信系統(tǒng)來說，大氣信道可以視為慢衰落信道，出現突發(fā)差錯的概率較大。在編碼FSO系統(tǒng)中，用戶信息首先進行信道編碼，將用戶比特映射為編碼比特。信道編碼通過在消息中引入冗余信息來幫助糾正接收信號中的誤差。編碼比特經交織后通過 OOK調制器被映射為激光脈沖序列。生成的激光脈沖序列經大氣衰落信道傳輸后經由光電管接收并檢測，得到包含噪聲的電信號，然后進行解調和解碼。解調器接收有噪聲的電信號，并生成發(fā)送符號的估計。解碼器處理這些估計，得到用戶信息的估計。在編碼FSO系統(tǒng)中，交織器是一個重要的器件，具有雙重作用。首先，通過將按順序寫入交織器的編碼比特亂序讀出并傳輸，交織操作使同一碼字中的不同比特分散在數據幀的不同位置，避免了因深度衰落而造成的同一碼字中的多個比特判決錯誤，將突發(fā)差錯轉化為隨機差錯；其次，通過合理設置交織器的交織深度，可以使同一碼字中的不同比特經歷不同的信道衰落，這樣可以使不同比特經歷的衰落平均化，減弱深度衰落對通信質量的影響，獲得一定的時域分集增益，這一點對于慢衰落信道下的通信意義重大。交織操作的缺點則在于在接收端，必須將一個數據幀的所有比特接收解調完畢后才能開始譯碼，帶來很大時延，不利于實時通信。交織器的交織深度越深，其性能越好，帶來的時延也越大。

發(fā)明內容
本發(fā)明實例解決的技術問題是提供一種基于序列檢測和空間分集的編碼FSO系統(tǒng)的實現方法。本發(fā)明無需使用編碼FSO系統(tǒng)中常用的交織器，可以顯著降低FSO系統(tǒng)的時延并獲得一定的編碼增益和分集增益，適用于實時通信系統(tǒng)。本發(fā)明通過信標光傳遞信導頻信號，完成大氣信道的動態(tài)監(jiān)控，利用獲取的實時信道特性作為判決依據，通過在發(fā)送端并行傳輸和在接收端集中處理來提高判決的可靠度，使信道編碼的作用得以更好地發(fā)揮，并且能夠同時獲得信道編碼和空間分集的增益。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解，本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。


通過下面結合附圖進行的對實施例的描述，本發(fā)明的上述和/或其他目的和優(yōu)點將會變得更加清楚，其中圖1示出使用交織器的編碼FSO系統(tǒng)模型圖2示出電信號矩陣圖3示出估計部分的流程圖4示出判決部分的流程圖5示出經BCH(127，64)編碼的FSO系統(tǒng)誤碼率仿真6示出經BOK255，131)編碼的FSO系統(tǒng)誤碼率仿真7示出誤碼率為10_5時，不同BCH編碼的FSO系統(tǒng)所需信噪比仿真圖
具體實施例方式下面將結合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細描述。圖1顯示了本發(fā)明中編碼FSO系統(tǒng)的實現方法。本發(fā)明中的實現方法無需使用交織器，交織器的功能則通過檢測算法和空間分集實現。檢測算法可以將突發(fā)差錯轉化為隨
4機差錯，而空間分集則能從空間域取得原本由交織器在時域獲得的分集增益。下面將對圖 1做一說明。在發(fā)送端，編碼后的長度為M個信息比特的碼字經過OOK調制后，經過N條相互獨立的大氣信道傳輸。由于大氣信道的相干時間在毫秒量級，因此對高速FSO系統(tǒng)來說，一個碼字中的比特可以視為經歷相同條件的衰落，而不同信道中雖然傳輸相同的碼字，但經歷的衰落條件卻各不相同。每個碼字傳輸時都配有導頻信號以獲得此碼字的衰落信息。在接收端，經不同信道傳輸的碼字由不同的接收機接收，經光電轉換器后轉化為電信號，并將電信號進行集總處理。在FSO系統(tǒng)中，激光脈沖在大氣信道中傳輸會經歷衰落，導致輻照度起伏，在光電轉換過程中輸出的電平值又會受到電噪聲的污染，兩者共同作用，影響FSO系統(tǒng)的性能。在本發(fā)明給出的判決算法中，綜合考慮了這兩方面因素的影響。與傳統(tǒng)的逐比特判決方法不同，本發(fā)明給出的判決算法首先在信道信息的輔助下估計接收碼字中高電平信號的個數， 通過對多路經歷不同衰落的信號的估計值求平均來減小深度衰落引入的估計誤差，同時抑制電噪聲。估計出接收碼字中高電平信號的個數后，將接收信號生成的電平值與導頻信號生成的電平值做比較，并取個數為高電平信號估計值的與導頻信號相似度最高的信號電平值，將其置為高電平信號，其余信號則置為低電平信號。圖2顯示出進行集總處理的電信號矩陣。這個矩陣由L行N列構成，每一行中的元素對應經歷不同衰落的相同比特，每一列中的元素對應經歷相同衰落的同一碼字中的不同比特。本系統(tǒng)使用的判決算法針對這個矩陣進行行處理和列處理，在已知的信道條件的輔助下進行判決，判決算法分估計和判決兩個部分。圖3顯示出了估計部分的流程。首先實施步驟S301，將電信號矩陣的第η列進行求和，這個和值可以表示為It。tal = R · In+wn, wn N(0，L· ο 2)，式中R表示當前碼字中高電平信號的個數，In表示通過導頻信號獲得的信道衰落信息，表示均值為0， 雙邊功率譜為L · Q2的高斯白噪聲。接下來進入步驟S302，將求和結果It。tal除以信道
衰落信息In，就可以得到從第η條信道獲得的碼字中高電平信號的估計值# = ^ + 1 ,
1 ~ N{0,L-G2 II1n),式中1 表示均值為0，雙邊功率譜為廠σ2 // 2的高斯白噪聲。對
經N條信道傳輸的信號同時實施步驟S302，就可以得到關于碼字中高電平信號個數的N個估計值。在步驟S303中，對這N個估計值求均值務,并取距離#最近的整數$作為碼字中高電平信號個數的最終估計值。其中+ #(0，Ι·σ2·(Σ /<)/"2),式中w表示
均值為0，雙邊功率譜為Ι·σ2·([1// 2)/#2的高斯白噪聲。接下來進入步驟S304，將最
終估計值與碼字長度進行比較，若最終估計值小于碼字長度，則進入步驟S305，將最終估計值置為碼字中高電平信號的數目；若最終估計值大于或等于碼字長度，則進入步驟S306， 將碼字中所有信號都置為高電平信號。在步驟S307中，最終估計值被存儲，以備在判決部分中使用。至此，估計部分結束。圖4顯示出了判決部分的流程。在判決過程中，本發(fā)明針對自身特點對通信系統(tǒng)中常用的最大后驗概率判決準則進行修改，以便將其應用于整個碼字的判決。在接收到的碼字中，第1個信號所攜帶的信息比特是1的概率為
權利要求
1.一種基于序列檢測和空間分集的編碼FSO系統(tǒng)實現方法，該方法包括以下步驟 對接收到的碼字中的高電平信號數目進行估計；將數目為估計值的高電平信號在碼字中分配；
2.如權利要求1所述的方法，其中，對接收到的碼字中的高電平信號數目進行估計的步驟包括以下步驟對經選定信道傳輸的碼字中的信號進行求和，將求和結果除以此信道的信道信息，得到此信道上高電平信號數目的估計值；計算不同信道中高電平信號數目的估計值，求出它們的均值作為最終估計值。
3.如權利要求1所述的方法，其中，將數目為估計值的高電平信號在碼字中分配的步驟包括以下步驟將攜帶相同信息但經由不同信道傳輸的信號求均值； 將不同信道的信道信息求均值；利用信號均值和信道信息均值求出碼字中每個信號攜帶信息比特為1的后驗概率并進行排序；根據后驗概率的排序結果，將若干置為高電平信號，其數目為最終估計值。
4.如權利要求2所述的方法，還包括以下步驟如果最終估計值小于碼字長度，則對最終估計值不做修改；以及如果最終估計值大于或等于碼字長度，則將最終估計值置為碼字長度。
5.如權利要求3所述的方法，其中，所述排序方法是降序排序方法。
全文摘要
提出了一種基于序列檢測和空間分集的編碼FSO系統(tǒng)的實現方法，該方法包括以下步驟通過對碼字中每個比特的接收信號求和并除以通過導頻信號獲得的信道信息來估計碼字中高電平信號的數目，并對不同信道的估計值求平均作為最終估計值計算碼字中各個信號攜帶的信息比特為1的后驗概率，并取出個后驗概率最大的信號標記為高電平信號。本發(fā)明無需使用編碼FSO系統(tǒng)中常用的交織器，可以顯著降低FSO系統(tǒng)的時延并獲得一定的編碼增益和分集增益，適用于實時通信系統(tǒng)。
文檔編號H04L1/06GK102271029SQ20111026888
公開日2011年12月7日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權日2011年9月13日
發(fā)明者蘭名滎, 喻松, 廖屏, 王天一, 申靜, 蔣天煒, 陳志曉, 顧畹儀 申請人:北京郵電大學