QC-LDPC码在水声自适应信道编码中的性能研究

【摘要】随着海洋开发、探测和海洋国防安全等领域信息化建设的快速发展,利用海洋信道进行信息传输的需求大大增加,水声通信越来越受到人们的重视。水声通信技术是集海洋科学、信息科学为一体的交叉学科,无论在军事还是民用领域均有极为重要的应用价值。但由于水声信道,尤其是浅海水声信道具有高噪声、强多途、传输时延大、快速时变等特性,给水声通信系统的高可靠数据传输带来了巨大的挑战。目前,无论是相干调制,还是非相干调制方式的水声通信系统,信道纠错编码都是不可或缺的一项关键技术。LDPC码具有趋近香农极限、译码复杂度低等优异性能,己成为纠错编码领域的研究热点。但LDPC码的优越性能只能在码长较长时才能体现出来,而水声信道要求尽可能采用较短的码长,QC-LDPC码具有更低的复杂度,且码长较短时性能较好,因此更适用于水声通信中。一般规则QC-LDPC码的设计未考虑校验矩阵的行相关问题,使得构造生成矩阵非常困难。论文在对海洋中声传播特性及浅海水声信道特性研究的基础上,建立了浅海水声信道多途传播模型,对兼顾性能优化和编码简化的非规则QC-LDPC码在水声信道中的设计和性能进行深入研究。而针对水声信道大动态范围变化特性,提出自适应信道编码技术以提高水声信道的信道利用率；论文重点研究了码率兼容QC-LDPC(Rate-CompatibleQC-LDPC,RCQC-LDPC)码的编码构造及其结合跳频水声通信技术在水声信道中的应用。此外,针对自适应信道编码技术,论文还对作为切换兼容码码率重要参量之一——中的信噪比估计算法进行研究。论文的主要工作如下：1.为了提高水声数据传输的性能,首先分析了水声信道的主要特性及其对水声通信系统的影响。给出水声信道建模实例,并结合福建厦门五缘湾打桩信道测试数据和泉州泉港肖厝水下爆破数据建立两处实际海域的浅海水声信道模型。2.为了降低水声通信的误码率、保证通信的可靠性,提出采用非规则QC-LDPC码作为水声数据传输的信道编码方案：研究了非规则QC-LDPC编译码方法；结合海试数据,分析了非规则QC-LDPC码在水声信道中的性能。3.从节省资源、提高信道利用率的角度,提出了在水声通信系统中采用自适应信道编码技术,并采用RCQC-LDPC码构建码率自适应编码方案；联合水声跳频通信技术,结合两处海试数据,研究分析了该自适应码的性能,给出了水声跳频通信系统中RCQC-LDPC码在不同信噪比下的查找表。4.研究了水声通信中信道信噪比估计的方法,提出适用于MPSK调制的基于辅助数据(DA)的信噪比估计方法,以及适用于跳频扩频通信的无辅助数据(NDA)的估计方法,并结合多个水声信道模型及海试数据测试,对比研究这两种估计方法的精确度。其中,NDA算法在信噪比为-15dB到20dB内的估计误差都控制在0.5dB内；对于水声信道的多途干扰并不敏感。此二种估计方法算法简单、复杂度低、适合硬件实现。本文的主要创新如下：1.规则QC-LDPC码构造生成矩阵非常困难,为解决这个问题,在水声通信系统中提出采用一种兼顾性能优化和编码简化的非规则QC-LDPC码作为信道纠错编码方案。2.按最糟糕的信道状况进行信道编码设计必然会导致极低效的信道利用,因此,水声数据传输中需要采用自适应信道编码技术,论文在此基础上提出采用RCQC-LDPC码作为自适应信道编码方案,并在结合海试数据进行分析。3.水声通信信噪比是评估水声信道质量的一个重要参数,论文提出适用于水声跳频扩频通信信噪比估计的一种方法,NDA估计方法,该算法复杂度低,估计精度高且估计范围广。
【作者】林梅英；
【导师】许肖梅；
【作者基本信息】厦门大学，海洋物理，2014，硕士
【关键词】水声跳频通信；信道编码；QC-LDPC码；RCQC-LDPC码；

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