（信号与信息处理专业论文）ldpc码及其在浅海ofdm水声通信系统中的应用研究和dsp实现.pdf

摘要 摘要 本论文开展了对l d p c 编解码、密度进化、消息调度等多项内容的研究，重 点研究了自由度数分布的准循环l d p c ( q c l d p c ) 编解码技术及其在密度进化 指导下的性能优化与d s p 实现及内存结构优化方法。以初步构建的l d p c o f d m 通信系统在实验室水池及厦门港地区浅海域实际水声信道的通信实验数据为依 据，确立了适合工作于浅海水声信道o f d m 通信系统的l d p c 码型及编码参数， 并最终利用a r m + d s p 硬件平台，在实验室原有基带o f d m 通信系统的基础上， 完成了q c l d p c o f d m 通信系统的脱机运行，实现了科研样机的嵌入式、小型 化。实验室水池及厦门港浅海域两个不同海区的实验结果证明了本研究完成的 c o f d m 科研样机在复杂的浅海水声信道下能够进行可靠的数据传输。 本论文主要的研究工作说明如下： 1 对随机l d p c 码的校验矩阵和生成矩阵构造、l d p c 的基本编译码方法 进行了研究，并结合实际通信系统需求对译码初始化算法进行了改进，为 q c l d p c 编码的研究奠定了理论基础。 2 结合随机l d p c 码的研究成果，对自由度数分布的q c l d p c 编译码方法 进行了研究。 3 研究了可以优化l d p c 编码性能的密度进化方法以及译码中所使用的 s h u f f l e db p 消息调度机制，将两者应用到q c l d p c 的编译码过程中，使纠错性 能和译码效率都得到了提高。 4 结合实验室自行开发的水声基带o f d m 通信样机，研究了q c l d p c 编 码的d s p 硬件实现方法，并针对实现过程中遇到的消息存储等问题提出了合理 的改进方案，降低了对d s p 片内存储器的占用量，并减少了数据处理时间。 5 对随机l d p c 编码进行了d s p 实现，从性能和实现复杂度等角度考察了 随机l d p c 码与q c l d p c 码的差异。 关键字：水声通信；q c l d p c ；d s p abstract 1 1 1 i s m o n o g r a p hp r e s e n t s t h e s t u d y o fl d p cc o d e sf o rl d p c - o f d m c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e lb a s e do nt h ed a t af r o mr e a l s h a l l o ww a t e rt e s t si nx i a m e ni s l a n d t h ee m p h a s e so ft h i sr e s e a r c ha r eq u a s i - c y c l i c l d p cc o d e s ( q c l d p c ) w i t ho p t i m i z a t i o n a ld e g r e ed i s t r i b u t i o nb a s e do nd e n s i t y e v o l u t i o nt h e o r ya n dt h ea p p r o a c h e sf o ri m p l e m e n to nd s pc h i p s t w oe f f e c t i v e t e c h n o l o g i e s - - - - d e n s i t ye v o l u t i o na n ds h u f f l e db pd e c o d i n ga r ec o m b i n e dt o g e t h e r i nt h i sr e s e a r c hf o rg o o dp e r f o r m a n c e ，a n dw i t hc o n t i n u a l o p t i m i z i n g ，w ec a n b a s i c a l l ya c h i e v e ar e l i a b l ec o m m u n i c a t i o ni nc o m m o ns p e e di nac o m p l e x u n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e lb yt h i sn o v e lc o f d m s y s t e m t h ew o r nf o rt h i sm o n o g r a p ha r el i s t i n ga sf o l l o w s 1 r e s e a r c h i n go nm e t h o d sf o rc r e a t i n gp a r i t y - c h e c km a t r i xa n dg e n e r a t o rm a t r i x o fr a n d o ml d p cc o d e s ，a n dt h ea p p r o a c hf o rc a l c u l a t i o no fi n i t i a lv a r i a b l em e s s a g e s o f d e c o d i n ga c c o r d i n gt ot h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma p p l i e di np r a c t i c e 2 r e s e a r c h i n go nq c l d p cc o d e sw i t hr a n d o md e g r e ed i s t r i b u t i o n sb a s e do n k n o w l e d g eo fr a n d o ml d p cc o d s 3 r e s e a r c h i n go nd e n s i t ye v o l u t i o nt h e o r ya n ds h u f f l e db pd e c o d i n ga r i t h m e t i c ， a n da s s o c i a t i n gt h e s et e c h n o l o g i e st oe n c o d i n ga n dd e c o d i n go fl d p cc o d e s 4 r e s e a r c h i n g0 1 1i m p l e m e n t so fq c - l d p cc o d e sm e n t i o n e da b o v eb a s e do n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , a n ds o m ei m p r o v e dm e t h o d st od e d u c ec o n s u m p t i o no f r a ma n de n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fc o m m u n i c a t i o n 5 m a k i n gr a n d o ml d p cc o d e su s e do nd s pc h i pt oc o m p a r et h ed i f f e r e n c e s b e t w e e nr a n d o ma n dq c - l d p cc o d e si nt h ea s p e c t so fp e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y o nh a r d w a r e k e yw o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n ；q c l d p c ；d s p i i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 水声信道是一种复杂的时间空间频率变参数随机信道，它具有环境噪声高， 可用带宽窄，传输时延长，传输损耗大等不利因素，在浅海信道中广泛存在的多 径现象还会引发幅度衰落和码间干扰，对通讯信号造成严重影响【l 】。 o f d m ( 正交频分复用) 技术是一种多载波调制技术，其主要思想是将可用 频带划分成多个正交子信道，将发送码流并行调制到多个子载波上进行传输。在 浅海通信中应用o f d m 调制技术，能够较好地抵抗由多径所造成的幅度衰落和码 间干扰，并能使水声通信速率较低的状况得以改善。o f d m 通信系统虽然有上述 优势，但浅海恶劣复杂的信道环境，仍会使o f d m 子载波发生深度衰落，造成较 高的误码率，难以保证数据的高可靠传输，需辅以合适的信道编码或分集技术以 提高系统的抗误码性能。因此，卷积码、t u r b o 码, 等信道编码技术以及时、频、 空域分集技术都有与水声o f d m 通信系统结合的研究成果。 l d p c 码，或称低密度奇偶校验码，作为一种性能逼近香农限的信道编码技 术，在其被重新发现后的十年间得到了学界越来越多的关注和研究，使它在许多 信道情况下都能够非常接近信道容量。l d p c 码出色的纠错性能以及可并行译码 的特点，特别是其简单实用性，使其已经成为纠错编码领域的研究热点。 本研究基于l d p c 出色的纠错性能，尝试将其与o f d m t j k 声通信系统相结合， 期望能克服恶劣的水声信道影响，保证系统的可靠传输，并进一步利用其简单实 用的特点，研制出可脱机运行的l d p c o f d m 水声通信系统，以实现科研样机的 嵌入式、小型化。 1 2ldpc 码的发展历史和研究现状 l d p c 码最早由美国麻省理工学院的g a l l a g e r 博士在其1 9 6 2 年的博士论文中 提出【2 】。虽然l d p c 码白问世以来就表现出其优越的纠错性能，但由于其需要消 耗较多的存储和运算资源，在当时的软硬件条件下不易实现，因此一直未受到重 视，直至上世纪九十年代t u r b o , 码发明之后，l d p c 码才被重新发现，并被证明为 l d p c 码及其在浅海o f d m 水声通信系统中的应用研究与d s p 实现 可以 ：匕t u r b o 码更接近香农限的好码，且在译码算法复杂度、并行译码吞吐量等 方面较t u r b o 码有优势，被视为4 g 时代有竞争力的一种纠错编码方法。 l d p c 码在本世纪头十年里得到了广泛的关注和研究。在理论方面，l d p c 码的研究主要集中在校验矩阵构造和译码算法优化两方面。早期的研究依据香农 定理的要求以随机长码的构造为主，用以研究l d p c 码逼近香农限的性质，并得 到了迄今为止报道的1 2 码率a w g n 信道下最接近香农限的码型【3 】。结构化构造方 法继承了随机码的研究成果，并在其基础上使编码构造得以简化，且能保证好的 距离特性。随着l d p c 码实用化程度的不断加深，结构化构造法中以b l o c b l d p c 和q c l d p c 为代表的块结构设计法凸显出来，利用块间排布和块内的循环性质， 在保证性能的前提下，进一步简化了编译码结构。早期的译码算法研究主要是根 据译码原理和码型特点进行的算法改良，这些译码方法一般采用串行译码流程。 在一些译码方法已经得到普遍认同和使用的基础上，目前的译码算法改进重点已 经转为对这些方法的并行实用化流程研究。 在l d p c 码的工程应用方面，各种基于f p g a 的串并行硬件逻辑设计方法克 服了l d p c 码相对于传统编码方式而言算法复杂、时延较长等问题，编译码吞吐 量达到几兆到几百兆比特每秒，使其能够满足现代高速数据通信的需求。为方便 l d p c 编码技术的应用，许多公司还开发出了l d p c 编译码专用和通用芯片，如国 外的c o m t c c ha h a 和f l a r i o nt e c h n o l o g i e s 公司以及国内的电子科技集团第五十四 研究所等单位。另外，l d p c 码也被多个标准或标准草案采纳，例如i e e e8 0 2 1 6 c 无线城域网标准草案，d v b s 2 第二代卫星数字视频广播标准，我国的数字电视 地面广播标准，2 0 0 9 年制定的太空通信标准c c s d s1 31 0 p 1 1 等。 l d p c 码在水声通信中的研究尚处于起步阶段，成熟的技术和硬件实现不多。 国外主要的研究成果有：康涅狄格州立大学周胜利等人在o f d m 水声系统中引入 多进制l d p c ，该码型码长1 0 0 8 比特，码率1 2 ，能实现线性时间编码，并且能利 用l d p c 码字的性质降低输出o f d m 符号的峰均比。在连续1 3 天的实地海测中， 该系统在q p s k 映射方式下比特误码率在1 0 。4 数量级【4 】。目前，该研究团队已在定 点和浮点d s p 上实现了s i s o 和m i m o 的o f d m 传输系统，其中l d p c 部分采用 g f ( 舢多进制码型，码长1 0 2 4 比特左右，信息处理速率约7 1 2 8 k b p s t s l 。加州大学 圣芭芭拉分校的r o n a l d a i l t i s 等人构造了符合8 0 2 1 6 e 标准的l d p c 短码，并在 2 第一章绪论 o f d m 水声通信系统中，将信道估计和该编码进行级联迭代检测【6 】【7 1 。密苏里科 技大学的l o n g b a ow a n g 等人将l d p c 码应用于水下m i m o 通信系统并进行了实地 测试。使用2 3 的换能器阵列，在l o 次迭代内q p s k 和8 p s k 映射下都没有出现误 码。【8 】国内的研究尚处于仿真实验阶段，所使用的码型一般是简单的编码类型， 主要有：西安电子科技大学的l i a nz h a o 等人将规则( 3 ，6 ) l d p c 与多信道自适应反 馈均衡器相结合【9 】。厦门大学张洁等人在高斯信道和瑞利多径信道下对比了 l d p c 、t u r b o 码和卷积码的性能，并给出了规, 贝u l d p c 短码的浅海实验结果【l o l 。 厦门大学陈友淦等以及哈尔滨工程大学y u x i a n gl i 等仿真了规贝j j ( 3 ，6 ) 短l d p c 在 水声仿真信道中的性能1 1 卜【1 4 1 。北京邮电大学t i a n s o n gl i 等人将码率1 2 ，码长 i0 0 0l ：匕特的l d p c 应用于水下激光通信中【”】。 1 3 本论文的主要内容和创新点 本论文基于浅海水声信道中数据可靠传输对水声通信系统的要求，开展了对 l d p c 编解码、密度进化、消息调度等多项内容的研究，包括：随机和q c l d p c 两类码型结构的编译码算法研究以及相关的仿真对比实验。重点研究了自由度数 分布的准循环l d p c ( q c l d p c ) 编解码技术及其在密度进化指导下的性能优化， 确定了适用于o f d m 水声通信系统的l d p c 码型及其d s p 硬件实现方案。在实验 室原有基带o f d m 水声通信系统的基础上，完成了脱机运行的l d p c o f d m t 0 1 0 l d p c 帧数6 01 0 基带o f d m 是否使用交织器是是 l d p c 译码后平均误码率0 0 1 3 9 8 表3 32 0 0 9 年1 2 月3 1 日厦大白城，规则随机码数据分析 随机l d p c ，码长5 1 2 、1 0 2 4 ，码率l 2 ，规则( 3 ，6 ) 码，最短g i r t h = 6 调制系统码长5 1 25 1 21 0 2 41 0 2 4 是否使用交织器是否是 否 l d p c 帧数1 2 04 01 2 06 0 c 的f d m 硬判决平均误码率0 0 9 3 60 0 8 8 2 810 0 8 5 0 0 0 7 2 3 l d p c 译码后平均误码率0 0 2 8 6o 0 3 1 2o 0 1 9 70 0 2 7 3 2 7 l d p c 码及其在浅海o f d m 水声通信系统中的应用研究与d s p 实现 由实验数据可知： ( 1 ) 在浅海条件下使用未加信道编码的o f d m 系统进行数据传输的误码率 基本在l o 。2 量级以上，并且随着信道状况的恶化误码率会急剧升高，误码率范围 从0 0 1 到0 1 0 以上。 ( 2 ) 三种不同码长的规则( 3 ，6 ) 码在实际海洋实验中性能不同，码长越长 译码效果越好，码长5 1 2 和1 0 2 4 的编码，在浅海声信道中，其纠错能力非常有 限。 ( 3 ) 交织器的使用增加了短码在浅海声信道中的译码增益，说明l d p c 短码的 内在交织特性无法对由海洋声信道所引起的0 f d m 子载波和符号之间出现的连续 错误进行充分交织。 依据以上数据，本研究编码参数考虑如下： 对于码长的选取，从性能的角度考虑，我们希望码长越长越好，但在实际应 用中，长编码会带来较长的通信延迟，特别是对长编码进行译码所需的存储空间 是码长的指数倍，因此过长的编码是不实用的。除单纯的码长增益之外，l d p c 码的内在交织性也是我们选取码长的因素之一。在水声通信中，由于信道的复杂 性往往会造成一定长度的连续误码，以适当的码长予以交织是抵抗这些连续误码 因素的有效方法。从上述实验数据来看，码长越短的l d p c 码，不论其本身的纠 错性能，还是其对抗连续干扰的内在交织性，都无法保证浅海通信的可靠性。因 此，本研究选择多个o f d m 符号联合编码的方式( 单0 f d m 符号长度为8 1 6b i t s ) ， 即码长至少二倍乃至数倍于0 f d m 符号长度。 对于码率的选取，根据香农信道编码定理，应该以信道容量为上限确定码率 范围。由于浅海信道的复杂性，难以通过计算确定不同海区具体的信道容量，但 从上述实验可以看出，浅海信道的误码水平是非均匀变化的，且0 1 0 左右的高 误码现象也时常发生。基于以上因素并考虑到通信速率的要求，本论文的研究中， 码率选择为1 2 。 对于码型的选取，以性能优化为目的的编码一般选择优化度数分布的非规则 码，优化度数分布较常用的手段是随机编码下的密度进化方法。考虑到l d p c o f d m 科研样机硬件实现的要求，长随机编码在工程应用上具有实际的困难，我们选择 第三章l d p c 的编码算法 以随机l d p c 码为基础，以在工程实践中被广泛采用的q c l d p c 码为研究重点， 选用其中随机成分较多的码型，使其能够利用密度进化的方法来进行度数分布优 化，最终达到性能优且方便硬件实现的目的。 3 s 2 编码设计及性能仿真 本研究使用循环阵边长b = 1 5 1 ，指数矩阵大小为3 2 6 4 ，码长9 6 6 4 的 q c l d p c 码分别构造了密度进化优化过的两种度数分布码型a 和码型b 以及规 则码型c ，同时给出3 种码型的随机编码作为对照。随机编码以两个o f d m 符 号长度( 1 6 3 2b i t s ) 作为码长，使得它与上述q c l d p c 码型在硬件实现方面具 有相近的内存消耗和处理速度( 见第五章5 5 节) 。两种编码的具体参数如下表： 表3 - 4 两种编码具体参数表 随机l d p c 码 q c - l d p c 码 码长1 6 3 2 b i t s9 6 6 4 b i t s 码率l 21 2 码型abcabc 校验矩阵中最短酉n h 长度 888881 0 a w g n 信道的仿真曲线如图3 - 9 和图3 1 0 所示。两图分别从误帧率和误码 率角度对比了我们选用的三种码型的q c l d p c 码性能，并将q c l d p c 长码与 中短码长的随机编码进行了对比。从仿真结果可以发现，对于同为q c l d p c 码 的三种码重分布，码型a 和码型b 的性能接近，比规则( 3 ，6 ) 码的性能好。 规则码与码型a 、b 在误码率达到1 0 。5 时，e b n o 相差0 2 5 d b 左右。随机编码 中，a 、b 两种码型的性能差距亦不明显，也都优于规则( 3 ，6 ) 码，在误码率等于 1 0 巧d b 处，误码率差距在0 2 d b 左右。将q c l d p c 码与随机码进行对比，可以 发现，尽管使用了相同的码型，q c l d p c 码在误码率为1 0 巧时，相对随机码有 0 4 o 5 d b 的增益，这一优势应归功于码长的增加。 l d p c 码及其在浅海o f d m 水声通信系统中的应用研究与d s p 实现 。瞄诘 纛嘉： e q g l d p c 码型a i e 卜o d l d p c 码型b 十q c - l d p c 码型c 一随机码码型a * 卜随机码码型b 囊：k ! ! 瓤：囊 + 一随机码码銎 i ! 霹 长 睇； 墨涟强；遍强； e 鬟i 冀鬟! ! 旦k ! 一- n - 嘲k ：- 二：1 ：二：二：i 二：1 ： i 巍薹纛墓嚣蠢 薹强i 雕毪 s 图3 - 9a w g n 信道下q c l d p c 码与随机码在三种度数分布下的误帧率 1 0 0 10 1 1 0 - 2 蒸1 矿 蝼 1 矿 1 矿 ，吒 e q c l d p c 码型a e 卜- q g l d p c 码型b 二 铲q c - l d p c 码型c 一随机码码型a l 时+ n t a e l _ i 1 p 一哩t l 俏聪型b 霎熏瓣置! + 随机码码型c 矍。x “ 一x 、 、：j 蕊；淞 荔 献；、 甚 、： 妊。k 。 茭 ；1 k 一 i p ；： ! 恐、? 、弋一 ? a 3 驻氍1 1 ：! “ ；鬻；。t ； f b n o ( d b ) 图3 1 0a w g n 信道下q c l d p c 码与随机码在三种度数分布下的误码率 图3 1 1 和图3 - 1 2 分别是未知边界信息的r a y l e i g h 信道b p s k 调制下三种码 型的误帧率和误码率性能仿真曲线。其中a 、b 两种码型的性能同样接近，而规 则( 3 ，6 ) 码与前两者相比差距明显，q c l d p c 码和随机码中，a b 与c 在误 码率等于1 0 巧d b 处的差距都在0 4 d b 左右。从图中还可以发现，虽然所用随机 码的码长是q c l d p c 码的1 6 ，但是两种非规则的随机码在3 6 d b - - 4 4 d b 范围 内性能甚至超过q c l d p c 规则( 3 ，6 ) 码，由此也可说明：经度数优化得到的非规 则码可以具有优良的纠错性能。 3 0 1 0 0 第三章l d p c 的编码算法 三三i ! ! ：! ! ! ：! ! ! ! ! ：! ! ! ! ：! ! j ! ：! ! ! ! ! ! k 、 t 、 | | | | | | | | | | | | | | | 囊警鬟銮