2行级联Turbo码在Ka频段卫星通信中的仿真研究解析

1、第6期2008年12月中目鼋;研譬研宪陛学积Journal of CAEITV01.3NO.6Dec.2008串行级联Turbo码在Ka频段卫星通信中的仿真研究李宏博(空军工程大学理学院，西安710051摘要:在分析Ka频段静止卫星信道特点的基础上，建立了信道仿真模型并进行 了基带仿真，研究了不同天气条件下静止卫星通信系统的误比特率性能，基于这一模型通过仿真研究了串行级联Turbo码在静止卫星信道条件下的性能。仿真结果表明 除了中雨、雷雨等恶劣天气状况之外，在通常的天气条件下，串行级联Turbo码可以 提供约10dB左右的编码增益，可有效改善系统性能。关键词：串行级联Turbo码;Ka 频段;

2、静止卫星信道;误比特率中图分类号：V474.2+I文献标识码:A文章编号：1673-5692(200806_618-05A study of the Simulati on of Serially-c on cate nated Turbo Codes Usedin a Ka band Moti onl ess Satellite Communi cati on SystemLIHong? boan710051,Ch ina(College of Science,Air Force En舀 neefing University,XiAbstract: On the basis of an al

3、yz ing the characteristics of Ka-ba nd moti onl ess satellite cha nn el,we con-struct a cha nnel model and employ a simulatio n to study the performa nee of moti onl ess satellite com mun i-cati on system in differe nt atmosphere con diti on s.The n the serially con cate nated Turbo code is applied

4、to the system model for the study of its error correcti on performa nce.The simulatio n results show that the srially- con cate nated Turbo code can effectively improve the system performa nee by achiev ing a cod ing gain as high aslOdB in com mon atmosphere con diti ons in stead of moderate rain an

5、d thun derstorm.Key words:seriallycon cate nated Turbo codes;Kba nd;moti onl ess satellite cha nn el;bit-error-ratio0引言近年来，随着对卫星通信需求的增加和新技术的应用，以及现有卫星频率资源的 不足，世界各国都将目光投向了更高频率的Ka频段卫星通信系统的开发与研究，如许多的低轨道卫星（LEO系统将使用20/30GHZ链路，新一代的跟踪及数据中继卫星 （TDRS将使用Ka频段进行实验,美国宇航局（NASA打算利用高于30GHz的频率进 行深空通信等。Ka频段的卫星通信具有显著的优势

6、：可以提供更大的带宽，通信容 量大;波束宽度窄，功率密收稿日期:2008-05-05修订日期:2008-07-06度高，隐蔽性强;工作频率高，采用了 高增益点波束卫星天线，增加了下行链路的通量密度，可大大节省星上功率并允许更 多的频率复用等。但Ka频段的卫星通信也存在一大缺点，即该频段对大气损伤非常 敏感,测量数据表明，在大于0.1%的时间内对于30GHz的上行频率雨衰可超过40dB, 而对于20GHz的下行频率雨衰也将超过20dB。由于Ka频段无线信道受大气损伤影响较大，因此卫星信道中采用纠错能力强的 信道编码方式非常重要，Turbo码作为一种性能优异的编码方式，可以达到近Shannon 限

7、，因而已广泛应用于现代通信系统特别是卫星通信与深空通信中。2008年第6期李宏博：串行级联Turbo码在Ka频段卫星通信中的仿真研究619对于Ka频段的卫星通信信道特性的研究已有很多成果，研究工作主要借助于理 论分析与计算机仿真。本文主要根据文献1所提出的静止卫星信道模型，用仿真软 件（MATLAB实现了对于静止卫星信道中二进制相移键控 （BPSK调制系统的基带仿 真，同时研究了采用串行级联Turbo码作为信道编码时系统的误码性能并给出了仿 真结果。Ka频段静止卫星信道特性Ka频段静止卫星通信主要受到大气层、雨衰、大气吸收、云雾衰落和对流层 闪烁等因素的影响，简述如下:（1大气层对于静止卫星通

8、信的影响是一个不可忽略的 因素，当工作频率高于10GHz时，这种影响（雨、水蒸气、云雾、氧气和闪烁显得尤 其突出，会引起信号的额外衰落，即信号幅度、相位、极化和下行波束入射角度的变 化，从而导致信号传输质量的下降和误码率的上升；（2雨衰足削弱Ka波段卫星通信 的一个主要因素；（3大气衰减会改变电波的传输性能，特别是气体和水蒸气的吸收作 用会引起信号幅度的衰减，而电波传输路径上的湍流和温度剧变会引起幅度及相位 的闪烁和去极化效应；（4在Ka频段,在传播路径上的云雾同样会使信号受到衰落，衰落量的大小与液 体水的含量及温度有关，云雾衰减与雨滴衰减相比要小得多；（5对流层闪烁会引起信 号幅度和相位的快

9、速起伏，它通常发生在低仰角（5010。并处在湿热气候条件下的 卫星通信系统中；（6去极化效应是由于雨滴和冰粒多径传播引起的电磁波极化特性 的改变，引起干扰和频道间串音。目前建立的静止卫星信道概率模型是基于Ka频段卫星通信系统的可行性通常低于99.7%的要求,由文献1可知,Ka频段静止卫星通信信道总衰落可以看成是非 频率选择性衰落，即整个信道可以看成由带内 平坦”的衰落与加性高斯白噪声 (AWGN组成，而且这一平坦衰减随时间变化非常缓慢，它只与天气情况有关。2Ka频段静止卫星信道统计模型隔内可以看作一个常数，这样就可以将这种乘性衰落描述为r(t= 口 exp(jths(tO t T(1式中，丁为

10、调制码元宽度；口和咖分别表示等效低通信道的包络和相位，二者均为 实随机变量。关于a和咖的概率分布特性，前人利用Olympus等多个卫星进行了传 播特性测量实验，积累数据表明,Ka频段静止卫星通信信道特性主要由天气条件决定 信号包络和相位的概率分布均为高斯分布，其概率密度函数分别表示如下。p(r=南唧【一焙】(i!pc加击e印【一 乒】(3式中,P(r为信号包络的概率密度函数；p(咖为信号相位的概率密度函数；盯应和盯帕分别是信号包络和相位的方差；而m和m 分别为相应的均值。Ka频段固定卫星通信信道在各种天气条件下信号包络和相位 的概率分布参数1.2，见表1和表2。表1静止卫星通信信道包络模型表2

11、静止卫星通信信道相位模型由文献1可知对于Ka频段静止卫星信道而言,由大气引起的时变衰落可以归结为一个乘性复因此，可以建立勋频段静止卫 星信道的统计模衰落过程，而由于静止卫星信道衰落随时间变化非型，如图l所示。在此模型中，用c(t =口 exp(jth表常缓慢，因此信道乘性衰落过程至少在一个符号间示 信道乘性干扰矢量,z(t表示加性白高斯噪声。620中扁鼋;钶学q|完限譬袄2008年第6期qf=钮 exp(j epz(O图1Ka频段静止卫星信道统计模型3串行级联Turbo码概述Turbo码最初提出时采用并行级联卷积码(PC-CC的结构,随后出现了串行级联 卷积码(SCCC及混合级联卷积码(HCC

12、C的结构。Turbo码通过级联结构实现了以短 码构造长码，通过引入随机交织器实现了近似随机编码，通过迭代译码算法逼近最大 似然译码，从而具有较强的纠错能力 H J。3.1串行级联Turbo码编码器结构及编码原理串行级联Turbo码编码器主要由两个分量编码器通过一个随机交织器串行级联构成，其基本编码结构如图2所示。图2SCCC编码器结构图2中，信息序列u。在经过外码编码器编码后，将得到的输出码字序列C:经 过比特交织后形成序列c磊。，进人内码编码器，得到的输出码字序列C:经过调制后送入信道传输。显然，如果外码编码器和内码编码器的编码速率分别为R。和R,则SCCC的码率为R=尺。xR,。交织器的作

13、用将码元置乱，便于将可能发生的突发错误转化为随机错误，同时使得编码后的码字具有近似随机分布的特陛。3.2串行级联Turbo码译码器结构及译码原理与图2编码器相对应的SCCC译码器结构如图3所示【4J,其译码过程如下 漱 输入输出(SISO内译码器利用匹配滤波器输出接收信息的码字符号概率对数似然比 值A(c;1作为输入，而信息符号概率对数似然比值以(“的初始值为0;内码译码器根 据SISO译码算法计算得到更新的码字符号概率对数似然比值A(c;o和更新的信息符号概率对数似然比值 A( II ；0。由于SCCC内码编码器的信息比特就是外码编码 器的编码输出，因此SCCC的内码译码器将信息符号概率对数

14、似然比值A(u;o经过解交织后作为外码译码器码字编码符号概率对数似然比值A(c;,输入。基于同样的原因,SISO外码译码器输出的码字符号概率对数似然比值A(c;0经过交织器后作为SISO内码译码器的信息符号概率对数似然比值以(u;,输入，完成一次迭代译码。重复 上述过程，即实现迭代译码。最后根据 SISO外码译码器输出的A(M;D经过硬判决 得到译码输出u。其中SISO外码译码器的输入信息符号的概率对数似然比值A(M;,恒为O。篓妻譬尘耄巴复：雹譬2鹜氅孝氅雪螫茎雹未季妻根据上述结论，建立仿真模型 如图4所示:二进凳篓量篓篓苎，冀了笔法:。要篓，量奎霎苎概率制信；羞主篡;星篷萎葛兰薑篇琵蕃茹，

15、基轰赢蒜/：11曼,A2苎羹妻。璺=耋比前一鲞戛墨笔j:,:14-r磊崩主篆在善蔷荔X磊蓑。禧釜爵茹藿赢声污日i -/能更好。限于篇幅,本文对。六阡r译码算法不作 、 、 k 1A .Aiz-toM t elN b-H: * I ItEfrtM AN lUII 員 2 目廿蛊!|4 wnW3*VAML帯乂飞拆 r, i EUK it* r V 酬耳 直髯M 1 e I M t*MJEMfl|V I uaitfl fl AMh t盯邛q l衍讯” Al*!-IU4 (!“电 A Jl a 雹丸*彎“网7 彈倉. 赵曲41暉畔1上.噜H医卓鼻 !_曲审 T*:O 51015202530信噪l:L/

16、dB图9SCCC编码对于系统性能的改善情况（黑云、雷雨、小雪天气左右;雷雨天气对于系统性能影响最大，串行级联Turbo码在误比特率为1010。3时，可以提供2dB的编码增益,当误比特率下降到10。3以下时,系统性能迅速恶化，编码所提供的信噪比增益甚至会变成负值。对此结果作分析如下:研究表明，包络衰落足影响卫星信道的决定性因素。从表1可知，雷雨、中雨两种天气情况下卫星信道包络参数对应的方差远远大于其他天气情况，而方差大说明整个包络衰落过程围绕其均值的波动性大，而这样的衰落过程更易引起信号突发 错误，众所周知Turbo码的优势在于具有极强的纠正随机错误的能力，当信道条件恶 劣突发错误较多时，性能会

17、恶化甚至出现越纠越错”的现象，这也就是雷雨、中雨两 种天气情况下系统性能下降的主要原因。6结语本文在分析l(a频段静止卫星信道特点的基础上，建立了信道仿真模型并进行了基带仿真，得出了不同天气条件下静止卫星通信系统的误比特率性能 ，基于这一模型研究了 串行级联Turbo码在静止卫星信道条件下的性能，给出并分析了仿真结果。参考文 献：1王爱华，罗伟雄.1(a频段卫星通信信道建模以及系统性能仿真J.通信学报,2001,22(9:61-69.2WENZHENLI,CHOI LOOKLAW.Ka.Ba nd Land MobileSatellite Channel Model In corporati

18、ngWeather EffectsJ.IEEE Commu nicatio ns Letters,2001,5:194-196.3 姚如贵.无人机高速数据传输中Turbo.OFDM技术研究D.西安:西北工业大学,2004.4 刘东华.Turbo码原理与应用技术M.北京:电子工业出版社,2004.5 童新海，甘仲民，杨鲁根.在卫星移动信道中不同条件下Turbo码的纠错性能研究J.电视技术,2001(2:64.67.，串行级联由上面两幅仿真图可以看出，除中雨及雷雨两作者简介种天气之外Turbo码可以提供较大的编。卜目恻川622I, 5.2系纟码增益，较好地改善系统的误比特率指标：当误比特率为io。

19、时,在晴天、冰霜、小雪、小雨四种天气情况下，系统可以提供9 10dB的编码增益，在黑云天气时可以提供5.5dB的编码增益。在中雨天气时，达到同样的误码率指标时编码增益仅为2dB左右,在误比特率为10一 Io。3时，编码增益为4dB李宏博（1979 男，陕西扶风人，讲师，硕士，主要从事通信电路新技术研究。川睚r球焉, 1456OO OOOO串行级联Turbo码在Ka频段卫星通信中的仿真研究 作者：作者单位：刊名：英 文刊名:年,卷（期:引用次数:李宏博丄I Hong-bo空军工程大学理学院，西安,710051 中国电子科学研究院学报 JOURNAL OF CHINA ACADEWY OF ELECTRONICS AND INFORMATION TECHNOLOGY 2008,3（6 0 次参考文献（5 条 1.王爱华罗伟雄 Ka频段卫星通信信道建模及系统性能仿真期刊论文卜通信学报2001（92.WENZHEN LI.CHOI LOOK LAW Ka-Ba nd Land Mobile Satellite Cha nnel Model Incorporating Weather Effects 2001 3姚如贵无人机高速数据传输中 Turbo-OFDM技 术研究学位论文2004 4.刘东华Turbo码原理与应用技术2004