基于RC-LDPC码大气光通信链路自适应技术研究

Atmospheric optical communication has received significant attention recently due to its advantages over radio frequency technology, such as large information capacity, small equipment size and low power consumption, but the performance of atmospheric optical communication system can be severely affected by atmospheric turbulence and attenuation. Because the bad channel conditions and power limited system, channel coding has been applied in atmospheric optical communication system more and more. Considering the atmospheric optical communication channel with slow fading and time-varying characteristics, link adaptation technology is an effective method to take advantage of optical communication systems. The project will utilize low-density parity-check(LDPC)codes, which adapts to high data rate transmission, and link adaptation in order to achieve reliable and high data rate communication. Firstly, methods for constructing structured binary rate-compatible LDPC codes(RC-LDPC) satisfying the good performance and low encoding complexity are studied. Secondly, interleaver with better burst error correction abilities is designed. Thirdly, channel estimation algorithm with low complexity is studied and integrated channel model is established. Finally, a system of atmospheric optical communication based on RC-LDPC codes and link adaptation is established, and it is optimized based on bandwidth efficiency under a certain bit error rate as an indicator.

大气光通信因具有信息容量大、设备尺寸小和功耗低等优点而备受关注，但大气湍流和衰减严重影响大气激光通信系统的性能。由于信道条件恶劣、系统功率受限，信道编码技术应用到大气激光通信中逐步得到重视；同时，大气激光通信信道具有慢衰落时变的特点，链路自适应技术可以最大限度地利用光通信容量大的优势。因此，将适合于高速通信的低密度奇偶校验码（LDPC）应用到大气激光通信中，并与链路自适应技术相结合，以实现稳定可靠的大容量通信。从编码、交织器设计、传输信道以及自适应链路技术四个方面出发，首先研究能快速编码及高纠错性能的速率兼容LDPC码（RC-LDPC）的构造；然后研究抗突发错误性能好的交织器的设计方案；再通过理论研究建立信道模型，研究低复杂度的信道估计算法；最后建立基于RC-LDPC码的大气激光通信链路自适应系统，以一定误码率下的平均带宽利用率为指标进行物理层和链路层参数联合优化，寻求系统的最优工作方案。

由于大气激光通信具有通信容量大、传输速率高、保密性能好等优势，在军用和民用上有着巨大的应用前景，但复杂的大气信道环境对其影响非常严重。项目主要通过分析大气信道特性，将适合于高速通信的低密度奇偶校验码（LDPC）应用到大气激光通信中，并与链路自适应技术相结合，用以克服大气湍流、提高系统有效性和可靠性。主要研究内容和重要结果如下。.首先，对于大气信道模拟提出一种基于子频带划分和多速率采样的大气湍流相位屏构造方法，在所有改进的功率谱反演方法中具有最低的运算复杂度，与基于iFFT运算构造的相位屏相比在细节上更为丰富；推导了大气信道瞬时信噪比的概率密度函数，实现离散速率条件下的大气激光通信自适应调制编码系统性能分析；基于Stokes矢量模型，分析了Mie散射影响下的接收光偏振变化，计算经不同厚度云层传输后的接收光退偏振比；提出一种基于集员滤波双归一化修正常模算法（SN-BNMCMA）的信道均衡技术，该技术更适用于大气激光通信自差探测系统中相位调制信息的处理，运算复杂度低、精度高，可有效抑制链路中的码间串扰（ISI）。.其次，提出的Shift-QC-LDPC码构造方法，提高了大气激光通信系统的可靠性，降低了编码延时；提出的基于恢复节点的速率兼容算法，实现了LDPC码率可变，同时，研究了非合作条件下的大气激光通信LDPC码识别算法，为链路自适应技术的应用提供支撑，有效地提高自适应链路中速率兼容码的纠错性能。.第三，提出字节寻址型交织器，用以应对大气湍流的变化周期一般在几到几十毫秒，大气激光通信系统对交织周期的需求大约在105 比特，在传统的交织系统中往往难以实现的难题。.第四，提出基于小波分形插值的波前校正技术，提高AO系统波前校正分辨率和相干探测效率。.最后，分析了涡旋光大气传输影响，研究基于深度学习的涡旋光模式检测和全光神经网络涡旋光检测算法。.依托本项目申请并完成“脉冲功率激光技术国家重点实验室”主任基金“星地激光通信中APT系统的XXXX研究”(编号：SKL2016ZR03)，发表期刊论文17篇，其中SCI检索7篇，EI检索7篇。