一种时分半双工卫星通信系统的制作方法

本发明涉及卫星通信领域，特别是指一种时分半双工卫星通信系统。

背景技术

在卫星通信系统中，如何找到强有力的差错控制编码以逼近香农容量限是过去几十年编码学家一直追求的目标。到目前为止，已有多种差错控制编码方案已经广泛应用于卫星通信系统当中，比如bch(bose,chaudhariandhocquenghem)码,rs(reed-solomon)码，卷积码和低密度校验码(lowdensityparitycheck，ldpc)。

ldpc码是一种随机编码，已经被证实是一种最有前景的近香农限信道编码方案。但是，当常规的ldpc码应用于实际的通信环境中，编解码复杂度是不能忽略的问题，因为通常他们需要二次方的编码复杂度。低密度生成矩阵(lowdensitygeneratormatrix，ldgm)码，作为一种特殊的ldpc码，拥有更低的线性编码复杂度，同时可以用低复杂度的bp算法解码。尽管有这些优势，但一直以来ldgm码却被认为不是一种特别强力的编码，原因是ldgm吗的校验矩阵包括了太多度为1的列，这导致了不可接受的高错误平层，这种现象不会随着码长的增加而有所改变。

最近，arikan提出了一个最新的概念，称为信道极化来构造一种名为极化码的信道编码方案，该方案可以达到对称二元离散无记忆信道(binary-inputdiscretememorylesschannels，b-dmc)的信道容量。与ldpc码相比，极化码具有ldpc码所不具备的优势，如同时具有低编解码复杂度，不受错误平层的影响。但是，与渐进理论性能相比，有限码长的极化码在实际应用当中却没有表现出突出的性能。因此大量的研究工作着眼于改进极化码的解码器，提高其ber性能。

将极化码作为外码与ldpc码进行级联的想法是在现有技术中研究的，该方案本发明称为polar-ldpc(plp)码。在光网络中应用plp码，可以获得比一些传统的方案相比更好的性能。但是plp码的构造方法是通过仿真实验的方法获得的，这是经验的方法而非理论的方法。另外plp码中的极化码所观测的信道被假设成是一个虚拟的二元删除信道(binaryerasurechannel，bec)，该bec信道的容量被设置成与极化码码率一致，而极化码的编码设计就是基于此信道，并利用现有技术中的启发式的构造方法实现的。因此，外极化码的设计不是最优设计。

对于中继卫星系统的研究可以被认为是单中继系统的特例。由于信道容量理论可达，基于极化码的中继系统已经得到了广泛的研究，这些应用基于不同的协作策略，针对各种信道条件来设计极化码方案，如解码转发decodeandforward(df)和压缩转发compressandforward(cf)，但是，大部分的研究工作都是着眼于渐进性能的理论分析，所获得的中短码长的ber性能一般都很差。众所周知，ldpc码由于具有逼近香农限的性能，因此也是一种中继系统的强大信道编码方案之一，但是其编码构造的复杂度仍然很高，原因是需要编码的联合优化设计，另外当ber降到10^-7-10^-8时，开始出现错误平层。因此，设计实际的信道编码方案，以满足卫星通信的严格的要求，如低实现复杂度，逼近香农限性能，无错误平层等，仍然是一个具有挑战性的问题。

亟待出现一种可解决上述问题的新型通信方式。

技术实现要素：

本发明公开的一种时分半双工卫星通信系统，解决了现有技术中卫星通信错误平层及编码构造复杂的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种时分半双工卫星通信系统，用于发送卫星s、中继卫星r和信宿卫星d之间的通信，包括：基于plg码的自适应中继转发协议。

所述中继转发协议包括：

(a)、发送卫星s节点信息处理:定义卫星通信系统中s和d间的信道和s与r之间的信道表示为wsd和wsr；令asd和asr是极化码根据信道wsd和wsr所生成的信息比特集合，其中wsd是wsr的退化信道，则有将信道wsr的所有的比特索引集合[n1]@{1,k,n1}分成三个独立的子集：

asr\asd表示是信道wsr的信息比特集合，也是wsd的固定比特集合；

asd表示同时是信道wsr和wsd信息比特集合；

f＝[n1]\asr同时是wsr和wsd固定比特集合；

令为s的信息向量，其中u是长度为n1的信源输入，m分为两个独立的子向量，分别表示为和

在时隙i，发送卫星s发送所有的信息比特m和固定比特0，生成码长为n1的极化码码字广播发送到中继卫星r和信宿卫星d，信道wsr的码率为

对于信道wsd，传输m2的码率为

在时隙ii，发送卫星s与中继卫星r协作，发送m1的部分信息比特传输到d，s节点的plg码的极化码的编码器和ldgm的编码器按顺序生成码长为n2的码字该码字由码长为n3极化码码字v和长度为(n2-n3)的ldgm码的校验比特p所组成；

plg码的码率为

(b)、中继卫星r节点信息处理:在时隙ii,中继卫星r发送信宿卫星d能够可靠恢复m的有用帮助信息；在收到yr后，r基于固定比特0的信息，可以对m解码；

arp协议的中继检测器仅仅检测是否中继需要重传否；

(c)、信宿卫星d节点信息处理：在整个传输时隙的尾声，信宿卫星d收到了两个时隙的码长分别为n1和n2码字，并按顺序对他们解码；信宿卫星d首先用plg码解码器对接收到的信号解码得到n2编码比特；

根据利用极化码解码器，将所估计得到的有用信息和校验比特作为先验信息恢复出通过合并解码信息，重构出

(b)中根据arp协议，如果检测出错误，m的估计值由于是不准确的就被舍弃，r保持静默；如果中继卫星r解码正确的话，中继卫星r只需选择m的部分估计值，表示为通过极化码编码器将编码成中继卫星r通过ldgm编码器对重新编码，生成码长为n2-n3的ldgm码校验比特

(c)中信宿卫星d在解码时候能够收到关于m1的先验信息，对时隙i收到的信道直接解码。

所述plg码包括极化码和ldgm码：

所述极化码、ldgm码串行级联，以极化码为外码和以ldgm码为内码的plg码；

或所述极化码、ldgm码并行级联；包括一组以极化码为外码、以ldgm码为内码的plg码和一组以极化码为内码、以ldgm码为外码的plg码。

所述plg码的编码方法包括：

a、信息比特u＝[u1,...,uk]被(n1,k)极化码编码；

b、所输出的码字被(n,n1)ldgm码编码后，输出码字其中是ldgm码的校验比特；整个级联码的码率是k/n；

c、在经过bpsk调制之后(binary-phaseshift-keying，bpsk)，信号通过awgn信道(additivegaussiannoise，awgn)，其双边功率谱密度为σ²＝n0/2；

d、在接收端，接收信号为y＝[y1,...,yn]，解调之后在ldgm解码器中解码，然后极化码解码器利用ldgm解码器输出的llr软信息(loglikelihoodratios，llrs)作为初始化信息，作为bp解码器的输入处理。

所述plg码的解码方法包括：

a、初始化：在接收端，接收信号y的llr值计算如下

然后该值可用于初始化

l(qij)＝l(vi)＝l(ci),1≤i≤n1

l(rji)＝l(sj)＝l(ci),n1+1≤i≤n

其中l(qij)和l(rji)表示比特节点vi和校验节点sj的初始化信息；

b、ldgm码解码：从sj到vi的消息传递更新值l(rji)计算如下

其中，tanh(x/2)＝(e^x-1)/(e^x+1)，vj表示vi连接sj的集合；相应的，从vi到sj的消息传递更新值l(qij)为

其中，si为sj连接vi的集合。然后，更新第i个系统比特节点的全部llr信息，故可得

c、极化码解码：ldgm解码器的输出软信息可以作为极化码解码器的输入作为初始化信息

其中，1≤l≤n1+1，1≤i≤n1。另外，从信源发出的信息r1,i初始化为

消息传递更新的等式关系可以计算如下:

其中，且对于任意两个实数x和y，有f(x,y)＝ln((1+xy)/(x+y))；函数f(x,y)的计算方法可以近似成f(x,y)≈sign(x)sign(y)min(|x|,|y|)；

d、最终决策：发送的消息的估计值最终由判决法则决定，如下

迭代停止准则:如果成立，则解码器所输出的就是u的有效估计值，则停止后续的迭代；否则，返回级联码解码器执行下一次迭代，直到迭代次数达到所设置的最大值为止。

所述极化码和ldgm码采用bp解码方法；所述bp解码方法包括分析因子图的停止距离和最小停止距离；所述码长为n的极化码和ldgm码的停止距离为

通过高斯逼近法对极化码和ldgm码进行错误概率分析，所述高斯逼近法具体的是：

(a)、设定plg编码方案，平均错误概率为

其中，为第i个极化比特信道的错误概率，a为极化码的信息比特索引集合；

(b)、假设发送长度为n的全0码字，则由所计算出的y均是高斯随机变量；根据ga，ldgm码的bp解码器在第t次迭代的第i个变量节点的输出均值为

其中，μ0,i是观测y所得到的第i个信道消息的初始均值，是在第t-1次迭代时，来自第j个校验节点的输入消息的均值，dv是变量节点的度，均值计算如下

其中，dc是校验节点的度，且对于μ≥0，函数φ(μ)定义如下

(c)、ldgm解码器迭代完成后，所获得的最终的均值被传递至所级联的极化码解码器中实现初始化操作，其中tldgm是ldgm码解码器的最大迭代次数，更新每个变量节点的llr值，如下

其中，和分别是第t次迭代，变量节点的左右llr值；

对于基于ga法的极化码来说，由式

所计算出的值也被认为是高斯随机变量，关系为和其中d[·]和e[·]分别是方差和均值；确保了只需通过追踪均值和即可，从而大幅降低复杂度；则有

在递归计算的最后，令

所以，每个极化比特信道的错误概率可表示为

其中，tpolar是极化码解码器的最大迭代次数；

(d)、最终的平均错误概率可由式计算。

本发明所公开的一中时分半双工卫星通信系统，并提出了针对此系统的plg码系统以及一种自适应中继协议(arp)来控制系统中各个卫星的信息处理，满足卫星通信的严格要求，实现复杂度低，逼近香农限性能，无错误平层。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：polar-ldgm码系统框图；

图2：不同编码方案的性能对比图；

图3：不同码长的polar-ldgm码性能增益对比图；

图4：时分半双工卫星通信系统框图；

图5：时隙i和时隙ii，信源卫星s处的码字设计方法；

图6：中继卫星的信息处理方案；

图7：信宿卫星解码器的信息处理方案；

图8：信噪比为(eb/n0)sr＝8dband(eb/n0)rd＝8db时，不同中继编码系统的ber性能对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图四时分半双工卫星通信系统框图所示，本发明公开的一种时分半双工卫星通信系统，用于发送卫星s、中继卫星r和信宿卫星d之间的通信，包括：基于plg码的自适应中继转发协议。中继卫星r的作用是利用无线信道的广播特性帮助转发发送卫星s的消息到信宿卫星d。假设所有的卫星都配置一个天线，仅能收或发送消息，并且中继卫星r是时分半双工工作模式。具体来说，在时隙i，s对m编码，然后广播码字在r和d接收的消息分别表示为yr和在时隙ii，r根据yr所解码出的估计值生成码字xr后，转发到d。与此同时，s也发送一码字相应地，d处合并信号为最后，信源消息的估计值可以根据解码。

所述中继转发协议包括：

(a)、发送卫星s节点信息处理:定义卫星通信系统中s和d间的信道和s与r之间的信道表示为wsd和wsr；令asd和asr是极化码根据信道wsd和wsr所生成的信息比特集合，其中wsd是wsr的退化信道，则有将信道wsr的所有的比特索引集合[n1]@{1,k,n1}分成三个独立的子集：

asr\asd表示是信道wsr的信息比特集合，也是wsd的固定比特集合；

asd表示同时是信道wsr和wsd信息比特集合；

f＝[n1]\asr同时是wsr和wsd固定比特集合；

令为s的信息向量，其中u是长度为n1的信源输入，m分为两个独立的子向量，分别表示为和

如图五时隙i和时隙ii，信源卫星s处的码字设计方法所示，在时隙i，发送卫星s发送所有的信息比特m和固定比特0，生成码长为n1的极化码码字广播发送到中继卫星r和信宿卫星d，信道wsr的码率为

对于信道wsd，传输m2的码率为

在时隙ii，发送卫星s与中继卫星r协作，发送m1的部分信息比特传输到d，s节点的plg码的极化码的编码器和ldgm的编码器按顺序生成码长为n2的码字该码字由码长为n3极化码码字v和长度为(n2-n3)的ldgm码的校验比特p所组成；

plg码的码率为

如图六中继卫星的信息处理方案所示，(b)、中继卫星r节点信息处理:在时隙ii,中继卫星r发送信宿卫星d能够可靠恢复m的有用帮助信息；在收到yr后，r基于固定比特0的信息，可以对m解码；根据arp协议，如果检测出错误，m的估计值由于是不准确的就被舍弃，r保持静默；如果中继卫星r解码正确的话，中继卫星r只需选择m的部分估计值，表示为通过极化码编码器将编码成中继卫星r通过ldgm编码器对重新编码，生成码长为n2-n3的ldgm码校验比特

arp协议的中继检测器仅仅检测是否中继需要重传否；

如图七信宿卫星解码器的信息处理方案所示，(c)、信宿卫星d节点信息处理：在整个传输时隙的尾声，信宿卫星d收到了两个时隙的码长分别为n1和n2码字，并按顺序对他们解码；信宿卫星d首先用plg码解码器对接收到的信号解码得到n2编码比特；

根据利用极化码解码器，将所估计得到的有用信息和校验比特作为先验信息恢复出通过合并解码信息，重构出

信宿卫星d在解码时候能够收到关于m1的先验信息，对时隙i收到的信道直接解码。

所述plg码包括极化码和ldgm码：

所述极化码、ldgm码串行级联，以极化码为外码和以ldgm码为内码的plg码；

或所述极化码、ldgm码并行级联；包括一组以极化码为外码、以ldgm码为内码的plg码和一组以极化码为内码、以ldgm码为外码的plg码。

所述plg码的编码方法包括：

a、信息比特u＝[u1,...,uk]被(n1,k)极化码编码；

b、所输出的码字被(n,n1)ldgm码编码后，输出码字其中是ldgm码的校验比特；整个级联码的码率是k/n；

c、在经过bpsk调制之后(binary-phaseshift-keying，bpsk)，信号通过awgn信道(additivegaussiannoise，awgn)，其双边功率谱密度为σ²＝n0/2；

d、在接收端，接收信号为y＝[y1,...,yn]，解调之后在ldgm解码器中解码，然后极化码解码器利用ldgm解码器输出的llr软信息(loglikelihoodratios，llrs)作为初始化信息，作为bp解码器的输入处理。

所述plg码的解码方法包括：

a、初始化：在接收端，接收信号y的llr值计算如下

然后该值可用于初始化

l(qij)＝l(vi)＝l(ci),1≤i≤n1

l(rji)＝l(sj)＝l(ci),n1+1≤i≤n

其中l(qij)和l(rji)表示比特节点vi和校验节点sj的初始化信息；

b、ldgm码解码：从sj到vi的消息传递更新值l(rji)计算如下

其中，tanh(x/2)＝(e^x-1)/(e^x+1)，vj表示vi连接sj的集合；相应的，从vi到sj的消息传递更新值l(qij)为

其中，si为sj连接vi的集合。然后，更新第i个系统比特节点的全部llr信息，故可得

c、极化码解码：ldgm解码器的输出软信息可以作为极化码解码器的输入作为初始化信息

其中，1≤l≤n1+1，1≤i≤n1。另外，从信源发出的信息r1,i初始化为

消息传递更新的等式关系可以计算如下:

其中，且对于任意两个实数x和y，有f(x,y)＝ln((1+xy)/(x+y))；函数f(x,y)的计算方法可以近似成f(x,y)≈sign(x)sign(y)min(|x|,|y|)；

d、最终决策：发送的消息的估计值最终由判决法则决定，如下

迭代停止准则:如果成立，则解码器所输出的就是u的有效估计值，则停止后续的迭代；否则，返回级联码解码器执行下一次迭代，直到迭代次数达到所设置的最大值为止。

所述极化码和ldgm码采用bp解码方法；所述bp解码方法包括分析因子图的停止距离和最小停止距离；所述码长为n的极化码和ldgm码的停止距离为

通过高斯逼近法对极化码和ldgm码进行错误概率分析，所述高斯逼近法具体的是：

(a)、设定plg编码方案，平均错误概率为

其中，为第i个极化比特信道的错误概率，a为极化码的信息比特索引集合；

(b)、假设发送长度为n的全0码字，则由所计算出的y均是高斯随机变量；根据ga，ldgm码的bp解码器在第t次迭代的第i个变量节点的输出均值为

其中，μ0,i是观测y所得到的第i个信道消息的初始均值，是在第t-1次迭代时，来自第j个校验节点的输入消息的均值，dv是变量节点的度，均值计算如下

其中，dc是校验节点的度，且对于μ≥0，函数φ(μ)定义如下

(c)、ldgm解码器迭代完成后，所获得的最终的均值被传递至所级联的极化码解码器中实现初始化操作，其中tldgm是ldgm码解码器的最大迭代次数，更新每个变量节点的llr值，如下

其中，和分别是第t次迭代，变量节点的左右llr值；

对于基于ga法的极化码来说，由式

所计算出的值也被认为是高斯随机变量，关系为和其中d[·]和e[·]分别是方差和均值；确保了只需通过追踪均值和即可，从而大幅降低复杂度；则有

在递归计算的最后，令

所以，每个极化比特信道的错误概率可表示为

其中，tpolar是极化码解码器的最大迭代次数；

(d)、最终的平均错误概率可由式计算，从而完成证明。

仿真结果来分析所提出的基于plg码的卫星通信系统的ber性能。(eb/n0)sr,(eb/n0)rd和(eb/n0)sd分别表示s到r，r到d，s到d链路的snr。这样后续我们所用到的仿真参数说明如下表所示：

仿真参数

如图八信噪比为(eb/n0)sr＝8dband(eb/n0)rd＝8db时，不同中继编码系统的ber性能对比图所示，比较了基于plg码的方案，与基于极化码和ldpc码中继系统方案的ber性能，仿真结果表明，plg码方案明显优于单独使用极化码方案。此外，plg码的纠错能力可以达到非常低的ber(即10^-10，或更低)，也没有发现错误平层，满足了卫星通信系统最小ber的需求。对于图中的ldpc码方案，几乎无法达到如此低的ber，因为出现了错误平层。通过利用arp协议也与传统的没有使用检测器的方案进行了比较。结果表明，使用arp可以获得更好的ber性能，证实了定理3的结论，这是由于传统方法没有使用检测器，r无法确保对帮助信息可靠解码。而转发的信息会进一步恶化r到d链路的传输，这将影响信宿对信源消息的解码。然而，当使用了arp协议，因为r能够更加可靠地传输帮助信息，故当rd链路较好时，d更有能力去对时隙i中收到的信息可靠解码。

新的plg码方案，该方案具有较低的编解码复杂度。通过级联，高码率的极化码可以消除影响ldgm码的错误平层问题，同时确保了较好的收敛性能。本发明提出的基于ga方法的plg码构造方案，能够从理论上分析方案的错误概率。仿真比较表明，plg码是一种具有前景的编码技术，原因是具有逼近信道容量限的性能和无错误平层。此外，本发明所公开一种基于plg码的高速卫星通信系统和相应的apr协议，通过选择性地转发信息从r到d卫星。arp协议中，在每一个卫星节点的信息处理过程。经过证明，所提出的方案，基于解码差错检测器的判决，能够改善系统的差错概率。最后，本发明与已有现代编码方法进行比较，表明plg码方案可以作为下一代卫星通信系统的颇具前景的替代方案。

本发明所公开的一中时分半双工卫星通信系统，并提出了针对此系统的plg码系统以及一种自适应中继协议(arp)来控制系统中各个卫星的信息处理，满足卫星通信的严格要求，实现复杂度低，逼近香农限性能，无错误平层。

当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。