直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)中Turbo碼外交織器設計與仿真*

肖創(chuàng)創(chuàng)，郭榮海，李際平，吳團鋒，黃 堯，李洪勝

(1.解放軍理工大學通信工程學院，南京 210007;2.南京理工大學電子工程與光電技術學院，南京 210007)

1 引言

我國地質(zhì)、氣象等嚴重自然災害頻發(fā)，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成了巨大損失。此時，迫切需要一種能夠快速機動、遠距離、實時地進行信息傳輸?shù)臋C動通信系統(tǒng)。直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)(Helicopter Satellite Communication System，HSCS)具有實時快速、機動靈活、不受地理條件限制等特點，且不需要地面中繼站和中繼車，就可通過靜止軌道的通信衛(wèi)星將直升機拍攝到的高質(zhì)量的電視信號實時傳輸?shù)降孛嫔?，在救災中作為空中救援平臺得到了大量應用。

Turbo碼一般采用刪余處理提高碼率［1］，好的刪余方案在提高碼率的同時又能夠減小碼字性能的損失。Turbo碼的各個部分組成一個有機的整體，文獻［2］提出一種結合刪余方案和交織器的綜合設計方案，該方案在刪余條件下獲得了優(yōu)異的譯碼性能。

文獻［3］詳細分析了直升機與衛(wèi)星通信過程中直升機旋翼對信號的遮擋規(guī)律，并提出一種結合Turbo碼不等保護特性改善旋翼遮擋下的碼字性能的方案。文獻［4，5］中都采用了分集接收或組幀重發(fā)策略來有效抵抗旋翼遮擋，但信道利用率普遍不高。

為了更好地解決直升機旋翼對信號造成的遮擋問題，本文在詳細研究刪余Turbo碼(Punctured Turbo Code，PTC)的相關技術之后提出了設計優(yōu)異的刪余矩陣的3個準則，并分析比較了利用外交織器分散遮擋碼片之后的碼字和刪余Turbo碼的相似性。然后，通過對Turbo編譯碼結構的改進設計，更加方便地實現(xiàn)了改進的外交織器的設計。改進的外交織器的引入，有效地分散了成片遮擋，而且能夠滿足設計優(yōu)異的刪余Turbo的全部要求。仿真結果表明，該設計方案能夠有效抵抗HSCS中旋翼遮擋帶來的干擾。

2 系統(tǒng)模型

Turbo碼結合外交織器抵抗旋翼遮擋的通信系統(tǒng)框圖如圖1所示。由圖可知，為了抵抗遠距離傳輸?shù)膿p耗，直升機產(chǎn)生的數(shù)據(jù)首先采用1/3碼率Turbo碼進行編碼，在編碼之后級聯(lián)了一個交織器來抵抗旋翼遮擋，本文為了區(qū)別于編碼器內(nèi)部的交織器，這里稱之為外交織器。

圖1 系統(tǒng)工作方框圖Fig.1 The system block diagram

由于受直升機安裝條件限制，收發(fā)天線一般只能安裝在直升機旋翼下方。因此，它存在一個旋翼遮擋問題，即直升機與衛(wèi)星進行通信時，直升機槳葉會對電磁波信號造成阻擋，引起通信信號的中斷。尤其是在地面站向機載站發(fā)送信息時，無法預知機載站的天線遮擋情況，如圖2所示。

圖2 旋翼遮擋示意圖Fig.2 The rotor shield diagram

在實際通信過程中，旋翼掃過天線的頻率約為15～20次/秒，由于信息傳輸速率和碼字長度的不同，每次會遮擋掉碼字的1/10～1/6，對文獻［3］的遮擋模型進一步簡化，公式(1)給出了本文使用的旋翼遮擋數(shù)學模型:

其中，A=(cm，cm+1，…，cm+?δ×l」，l表示 Turbo 碼一個碼字序列的長度，δ為遮擋比例，δ×l為整個碼字序列中被遮擋比特的總個數(shù)，m為該碼字被遮擋的隨機起始位置，取值范圍0～(l－δ×l)，cm表示遮擋的起始位置的碼字比特。仿真實現(xiàn)時，隨機遮擋一段位置是通過對被遮擋的碼字的調(diào)制符號位置乘以上式來實現(xiàn)，改變δ取值可以調(diào)整遮擋占空比。采用BPSK調(diào)制時，則發(fā)送碼字c'k與接收符號rk之間的關系為

式中，nk是均值為0、方差為σ2的高斯噪聲采樣。

由文獻［3］可知，旋翼遮擋級聯(lián)AWGN信道相當于具有突發(fā)錯誤的信道，而且突發(fā)錯誤是周期性持續(xù)地產(chǎn)生。常規(guī)Turbo碼自身編譯碼結構中的交織器對于此類不斷周期性出現(xiàn)的突發(fā)錯誤基本上沒有任何效果;一般的信道交織器雖然是將多個碼字交織打亂，能夠將遮擋碼片分散開，但它并不能很好地解決這一周期性出現(xiàn)的突發(fā)錯誤，而且交織的深度越大，信道交織帶來的系統(tǒng)時延也就越大。

本文在發(fā)送碼字序列之前采用一種針對單個碼字處理的外交織器，它對編碼數(shù)據(jù)進行交織，使碼字序列打亂，將突發(fā)錯誤隨機化。接收端對接收數(shù)據(jù)進行解交織，將突發(fā)錯誤變?yōu)殡S機錯誤，有助于更好地發(fā)揮FEC(Forward Error Correction)的優(yōu)勢，提高傳輸系統(tǒng)可靠性。

3 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)工作在旋翼遮擋環(huán)境下時，遮擋刪除與刪余Turbo碼中刪余矩陣的設計考慮相一致。將直升機旋翼遮擋與刪余Turbo碼相聯(lián)系，通過改進Turbo碼結構，設計出與之匹配的交織器。

3.1 改進的Turbo碼結構

為便于與下面設計的交織器匹配，在基本不改變編譯碼復雜度的情況下，對Turbo碼編碼器結構進行改進，在第二分量編碼器后級聯(lián)一個解交織器，如圖3所示。

圖3 改進的Turbo碼編碼結構Fig.3 Improved Turbo codes coding structure

設長為N的信息序列經(jīng)過碼率為1/3的Turbo編碼器后，碼字C包含3個序列，即系統(tǒng)信息序列、分量編碼器1對應的校驗序列和分量編碼器2輸出后經(jīng)解交織后的校驗序列:

通常，碼字序列C表示為

通過在第二個分量碼后級聯(lián)一個解交織器，使得輸出序列Y'2也具有和輸入信息序列X相同的比特順序，保證(x(1)y1(1)y'2(1))是直接相關的。經(jīng)過這樣處理，簡化了碼字分析，為下一步外交織器的設計帶來方便。

為了保證譯碼的正確性，分量譯碼器2在輸入校驗位之前還需要經(jīng)過一次交織處理，這里不再給出相應的結構框圖。當Turbo碼編譯碼作為一個整體分析時，該處理方法不會造成任何的性能損失。

3.2 外交織器設計

刪余Turbo碼由于碼字中信息位或者校驗位被部分刪除，碼字性能往往都會有所下降。好的刪余矩陣能夠使碼字的性能在刪余前后變化不大，在刪余時往往需要遵循一定的規(guī)則:

(1)每個輸入的信息比特對應的3個編碼比特(1個信息位和2個校驗位)應盡可能地保證最多只有一個比特位被刪除;

(2)刪余矩陣要保證整個刪余過程盡可能地均勻化，而且相鄰和相近的編碼比特被刪除的信息位或校驗位位置不同。

仔細比較刪余和遮擋這兩種情況我們不難發(fā)現(xiàn)，它們最大的不同在于PTC刪除掉的比特信息位置是確切已知的，而遮擋造成的信息缺失卻是不可預知的。雖然如此，但就像刪余矩陣在滿足一定設計準則時能夠克服部分信息缺失一樣，如果我們能夠設計出足夠好的外交織器，使得在遮擋位置不定的情況下，被分散開的遮擋位置也能夠滿足這些刪余準則，這樣就不必考慮遮擋位置的未知性，碼字仍能夠獲得較大的性能改善。因此，我們可以采用對PTC的優(yōu)化設計辦法來分析和解決旋翼遮擋問題。

將編碼輸出數(shù)據(jù)按式(7)分成奇數(shù)組B1和偶數(shù)組B2，其中k為奇數(shù)，k'為偶數(shù)。B1和B2兩組數(shù)據(jù)內(nèi)每一行按照前三列的模式進行擴展 ，最后B1和B1按行輸出并串行連接起來組成交織后的輸出序列D，如式(8)所示:

在根據(jù)交織器的定義式，所設計改進的外交織器稱為I，它可以看成從集合C到集合D的一個映射過程，即

當遮擋比例小于1/6時，所設計的交織器I可以滿足:

(1)每個比特組中最多只有1位被刪除，即(x(k)，y1(k)，y'2(k))中最多1 位被刪除;

(2)前后相鄰比特組保留，即如果(x(k)，y1(k)，y'2(k))中有1 比特被刪除，則(x(k－1)，y1(k－1)，y'2(k－1))和(x(k+1)，y1(k+1)，y'2(k+1))中的比特信息均不被刪除;

(3)遮擋部分任意連續(xù)3個比特中包含1個信息位、1個第一校驗位和1個第二校驗位。

因此，所設計的交織器滿足刪余Turbo碼的刪余規(guī)則，使得信號經(jīng)過遮擋后可以被最大可能地恢復。

4 性能仿真

下面對不同碼長、不同遮擋比例下，未采用外交織器與采用外交織器時的系統(tǒng)性能進行計算機仿真比較。系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設定Table 1 Simulation parameters

圖4和圖5分別給出了不同遮擋比例、不同外交織長度條件下的4種外交織器BER性能比較曲線，由圖可以看出，未采用外交器的BER隨信噪比變化很小而且一直保持在10－2這個數(shù)量級，使得碼字不能有效地抵抗旋翼遮擋。相比較而言，其他3種交織器的采用在一定程度上提高了碼字抵抗旋翼遮擋的能力，其中改進的外交織器性能最好，其次是S距離交織器，普通分組交織器性能最差。

圖4 碼長1536，不同遮擋比例時外交織器BER性能曲線Fig.4 Outer inter leavers' performance comparison under different shade when code length is 1536

圖5 碼長3072，不同遮擋比例時外交織器的BER性能曲線Fig.5 Outer interleavers' performance comparison under different shade when code length is 3072

分別對比圖4和圖5可以看出，在遮擋比例為1/6、誤碼率大于等于10－4時，改進的外交織器比S距離交織器約有0.1～0.5 dB增益，比分組交織器更是有1 dB以上增益;在遮擋比例為1/10時，改進的外交織器與S距離交織器性能相比也有類似結論。同時也可以看出，在遮擋比例相同的條件下，碼字長度越長，改進的交織器與其他交織器相比，對碼字性能的改進也就越大。

5 結論

為了減小旋翼遮擋對HSCS系統(tǒng)譯碼造成的影響，本文使用了外交織器，并在對編譯碼結構改進的基礎上聯(lián)合設計了一種改進的外交織器，它有效地分散了碼字中的成片旋翼遮擋，使得離散化之后的碼字能夠很好地滿足刪余Turbo的設計要求，提高了碼字性能。對未采用外交織器和分別采用分組交織、S距離隨機交織和改進的外交織器進行了仿真比較，結果表明，外交織器的引入確實提高了系統(tǒng)BER性能，而且和采用其他外交織器相比，改進的外交織器提高了譯碼性能，在一定程度上解決旋翼遮擋對碼字造成的干擾，提高了直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性，更為今后該方面課題的研究提供了借鑒。

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