LDPC碼的深空通信優(yōu)化范文

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《計(jì)算機(jī)仿真雜志》2014年第六期

1深空通信編碼原理分析

該編碼過(guò)程實(shí)質(zhì)是從上到下逐次通過(guò)校驗(yàn)矩陣的不同行校驗(yàn)限制規(guī)范，對(duì)不同的校驗(yàn)限制規(guī)范進(jìn)行控制，對(duì)于第l個(gè)校驗(yàn)位的求解，應(yīng)進(jìn)行k+l－1次加法操作，總的編程需最終的編碼具有線(xiàn)性復(fù)雜性，只能獲取形如圖2的校驗(yàn)矩陣中的“1”的數(shù)量同相應(yīng)ldpc碼的碼長(zhǎng)具有正比例關(guān)系時(shí)，才能確保編碼的復(fù)雜度是線(xiàn)性的。采用刪除塑造法獲取既能實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性編碼，又包含最小環(huán)長(zhǎng)的LD-PC碼，確保LDPC碼原有的度序列分布，具體的過(guò)程為:1)依據(jù)其它算法塑造符合給定度序列排列以及環(huán)長(zhǎng)要求的LDPC碼的校驗(yàn)矩陣;2)設(shè)置變量row以及col用于描述矩陣中某一個(gè)“1”所處的行以及列的序號(hào)，設(shè)置成0，變量weightrow以及weightcol分別描述第row行以及第col列的重量，分別設(shè)置0以及最大的正整數(shù)MAX;3)搜索矩陣中全部的列，如果當(dāng)前列重低于weightcol，則運(yùn)行步驟⑷，如果當(dāng)前列重等于weightcol，則運(yùn)行步驟⑸，否則停止運(yùn)行;4)將col當(dāng)成當(dāng)前列的列好，將weightcol當(dāng)成第col列的列重，在該列中全部“1”所在的行中搜索重量最大的行，用row描述，將weightrow當(dāng)成第row行的行重，轉(zhuǎn)向步驟⑶繼續(xù)搜索下一列;5)搜索當(dāng)前列中全部的“1”所在的行，如果某一行的行重高于weigthrow，則將row以及col調(diào)整成“1”所在的行與列號(hào)，同時(shí)將weightrow調(diào)整成該“1”所在行的行重，轉(zhuǎn)向步驟3)搜索下一列;6)若全部的列都被搜索完，則采用行列置換能夠?qū)⒌趓ow行變換到矩陣的末行，將第col列變換到矩陣的末列，最終過(guò)濾末列中除最后一行中的“1”之外的“1”;7)將過(guò)濾掉末行以及末列的矩陣當(dāng)成新矩陣，再次運(yùn)行步驟2)－6)直到新的矩陣是空。該種算法采用“步步最優(yōu)”的方案確?？傮w校驗(yàn)矩陣被過(guò)濾的“1”的數(shù)量最小化。上述方法最終能夠完成深空通信中的LDPC碼的快速編碼，為后續(xù)過(guò)濾深空通信信道下LDPC碼的成功譯碼提供可靠的依據(jù)。

2基于WBF的LDPC譯碼算法優(yōu)化深空通信過(guò)程

完成深空通信中LDPC碼的快速編碼后，應(yīng)采用合理的方法對(duì)深空通信中的LDPC碼進(jìn)行譯碼分析。傳統(tǒng)通常采用BP算法進(jìn)行LDPC譯碼分析，該種算法雖然具有一定的譯碼性能，但是具有較高的分析復(fù)雜度，運(yùn)行效率低，會(huì)在臨界處產(chǎn)生較大的誤碼率。而WBF算法可將信道輸出幅度的最小只當(dāng)成加權(quán)因子，進(jìn)而增強(qiáng)LDPC譯碼算法的糾錯(cuò)性能，降低深空通信誤碼率。因此基于WBF算法對(duì)深空通信中LDPC碼的編碼進(jìn)行譯碼分析，提高深空通信的通信準(zhǔn)確率。LDPC碼的譯碼算法運(yùn)行時(shí)，然而當(dāng)?shù)_(dá)到一定次數(shù)后，節(jié)點(diǎn)間不再交換有效信息，糾錯(cuò)性能不再隨著迭代次數(shù)的增加而改善。因此應(yīng)設(shè)置終止規(guī)范來(lái)停止譯碼，停止規(guī)范的目標(biāo)是在各次迭代后分析譯碼算法的結(jié)果是否按照大概率準(zhǔn)確，進(jìn)而分析是否需要進(jìn)一步迭代?；赪BF的LDPC碼譯碼算法實(shí)質(zhì)上是確定發(fā)送的碼字，也就是在每次迭代后都進(jìn)行一次嘗試性譯碼，若譯碼結(jié)果是一個(gè)碼字，符合校驗(yàn)限制關(guān)系cHT=0，則停止迭代，則顯示該碼字。因此基于WBF的LDPC碼譯碼算法通常將“碼字規(guī)范”當(dāng)成迭代終止的規(guī)范要求。優(yōu)秀的LDPC碼通常具有較高的碼間距，不可預(yù)測(cè)錯(cuò)誤產(chǎn)生的概率較低。因而碼字規(guī)范能夠當(dāng)成LDPC譯碼算法終止規(guī)范，并且還能夠用于檢測(cè)譯碼錯(cuò)誤。在深空通信中，應(yīng)將來(lái)自深空探測(cè)器的數(shù)據(jù)流在到達(dá)譯碼算法前采用數(shù)據(jù)緩沖器對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理。通過(guò)上述方法能夠?qū)ι羁胀ㄐ胖械腖DPC進(jìn)行譯碼操作，并提高深空通信的效率，確保深空探測(cè)儀的順利進(jìn)行，增強(qiáng)其運(yùn)行性能。

3仿真結(jié)果分析

為了分析本文方法的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。本文在深空通信中融入加性高斯白噪聲信道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，歸一化信噪比用Eb/No=A2/2Rσ2表示，其中Eb用于描述單位比特平均能量，No用于描述噪聲功率譜密度，A表示傳播信號(hào)幅度，R表示碼率，σ2表示噪聲方差。算法的運(yùn)行時(shí)間是復(fù)雜度的衡量指標(biāo)之一，復(fù)雜度越高，算法的運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)。假設(shè)傳統(tǒng)BP算法以及本文算法的平均運(yùn)行時(shí)間分別是t1和t2，用Ratio=(t1－t2)/t1×100%描述本文算法相對(duì)于傳統(tǒng)算法下深空通信平均運(yùn)行時(shí)間的降低比例。

3．1不同最大迭代次數(shù)情況下的仿真結(jié)果圖2描述了不同最大迭代次數(shù)對(duì)本文算法下深空通信誤碼率的干擾，傳統(tǒng)算法的最大迭代次數(shù)是20，本文算法的最大迭代次數(shù)分別是10、20、30，40分析圖2可得，本文算法下的深空通信誤碼率隨著信噪比的增加而降低，并且最大迭代次數(shù)逐漸增加時(shí)，本文算法下深空通信的誤碼率明顯降低。當(dāng)本文算法和傳統(tǒng)算法的最大迭代次數(shù)相同時(shí)，本文算法下的深空通信誤碼性能優(yōu)于傳統(tǒng)算法，并且隨著最大迭代次數(shù)的增加，本文算法下的深空通信誤碼性能具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。本文算法的最大迭代次數(shù)是傳統(tǒng)算法的2倍時(shí)，本文算法下的深空通信誤碼率是傳統(tǒng)算法的1/4，分析圖3可得，隨著信噪比的增加，兩種算法在不同最大迭代次數(shù)下的深空通信平均運(yùn)行時(shí)間不斷降低，并且本文算法的下降幅度高于傳統(tǒng)算法，當(dāng)兩種算法的最大迭代次數(shù)都為20時(shí)，本文算法下的深空通信平均運(yùn)行時(shí)間比傳統(tǒng)算法減少了65%，本文算法極大提高了算法的迭代收斂效率，減少了深空通信譯碼算法的運(yùn)行時(shí)間，優(yōu)化了深空通信的通信效率。

3．2不同碼長(zhǎng)情況下的仿真結(jié)果圖4描述了不同碼長(zhǎng)對(duì)本文算法下深空通信誤碼率的干擾。實(shí)驗(yàn)采用的碼長(zhǎng)分別是512，576，1024。分析圖4可得，不同碼長(zhǎng)條件下，本文算法下深空通信的誤碼率隨著深空通信中信噪比的增加而降低，當(dāng)信噪比低于1dB時(shí)，碼長(zhǎng)同誤碼率間的關(guān)聯(lián)性較弱，而信噪比高于1dB時(shí)，碼長(zhǎng)越大，誤碼率越小，并且相同的碼長(zhǎng)條件下，本文算法下深空通信的誤碼率低于傳統(tǒng)算法。

3．3不同碼率情況下的仿真結(jié)果圖5表示不同碼率對(duì)本文算法下深空通信誤碼率的干擾，碼率分別選擇1/2，2/3，3/4，分析圖5可得，當(dāng)深空通信的信噪比小于1dB時(shí)，本文算法下深空通信的碼率同誤碼率間的關(guān)聯(lián)性較弱，當(dāng)深空通信的信噪比高于1dB時(shí)，碼率越小，誤碼率越低，并且碼率相同情況下，本文算法下深空通信的誤碼率高于傳統(tǒng)算法。圖6描述了不同碼率對(duì)本文算法以及傳統(tǒng)算法下深空通信平均運(yùn)行時(shí)間的干擾，分析圖6可得，隨著深空通信信噪比的增加，本文算法相對(duì)于傳統(tǒng)算法的深空通信平均運(yùn)行時(shí)間減少的比例越大，說(shuō)明本文算法降低了深空通信過(guò)程中LDPC碼的運(yùn)算時(shí)間，提高了深空通信的效率，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

4結(jié)論

本文一種基于刪除塑造法以及WBF算法的LDPC碼空通信優(yōu)化方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論:1)本文算法采用刪除塑造法獲取既能實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性編碼，通過(guò)WBF算法實(shí)現(xiàn)LDPC碼的譯碼，提高算法的糾錯(cuò)性能，誤碼率降低了12.4%。2)當(dāng)最大迭代次數(shù)都為20時(shí)，本文算法下的深空通信平均運(yùn)行時(shí)間比傳統(tǒng)算法減少了65%。3)隨著碼長(zhǎng)(512，576，1024)的增加，本文算法下深空通信的誤碼率隨著深空通信中信噪比的增加而降低，性能卓越，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

作者：胡丹單位：貴州大學(xué)通信系