基于高效纠错码的无线光通信系统性能分析

 随着科学的进步和生活水平的提高，人们对于通信的需求量以及通信质量的要求也日益增长。由于对通信质量的高要求，人们希望找到一些提高通信质量的方法，而纠错码作为信道编码是提高通信质量特别是无线通信质量的有效方法之一[1-2]。提高信息传输的可靠性和有效性，始终是通信工作所追求的目标。采用高效的调制编码技术可以有效地提高无线光通信系统的抗干扰能力。

目前适用于无线光通信中的调制方式主要有开关键控(OOK)调制、脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)以及数字脉冲间隔调制(DPIM)等。除了选择合适的调制方式外，还应采用信道编码技术来提高无线光通信系统的链路性能。常用的信道纠错编码有线性分组码、循环码、卷积码和网格编码等[3-4]。BCH码是一种获得广泛应用能够纠正多个错码的循环码，RS码则是一种具有很强纠错能力的多进制BCH码。

本文介绍了弱湍流信道条件下光强闪烁的对数正态分布模型，结合大气信道特点，推导了自由空间光通信未编码系统和RS编码系统在OOK、PPM、DPPM和DPIM方式下的平均误码率公式，并用数值仿真的方法分析了它们的平均误码率性能。仿真结果表明，PPM调制可获得最好的误码率性能，采用RS编码可以有效地提高系统的抗干扰能力。

1 大气信道及系统模型

无线光通信一般采用强度调制/直接检测(Intensity Modulation/Direct Detection，IM/DD)系统。光经过强度调制后，在大气信道中传输时主要受大气湍流和大气衰减效应两方面的影响。相对于大气衰减，湍流对信号的影响更具随机性。根据湍流程度以及运动状态的不同，大气信道可分为弱湍流和强湍流信道。对于室外的可见光通信系统，考虑孔径平均效应，可认为大气湍流为弱湍流。在弱湍流信道条件下，大气闪烁造成光信号的光强服从对数正态分布，其概率密度函数为[5-6]：

 

 

式中I为接收光强，单位面积上等价为光功率;I0为I的均值;

 

 

1为大气闪烁指数，在弱湍流条件下一般取

 

 

1<1。

2 RS码在无线光通信信道中的性能

在AGWN背景下，当判决器输入端得到的信号x(t)在有脉冲时为

 

 

，没有脉冲时为n(t)。假设P0/1代表判决器将“1”误判为“0”的概率，P1/0代表将“0”误判为“1”的概率，那么[7-8]：

 

 

输入端信号的峰值功率;b为判决门限。则系统总的误码率率为：

Pe=P0/1 P1+P1/0 P0(4)

式中，P1、P0分别为等概率发送“1”和“0”时对应的有脉冲时隙和无脉冲时隙的概率，且P0+P1=1。则最佳判决门限为：

 

 

根据式(2)~(9)以及在最佳判决门限的条件下得各调制方式在接收到的光强度x的条件下系统误码率为：

 

 

考虑在弱湍流信道条件下，发射机和接收机前端带宽足够宽，无多径传播，认为系统只受弱湍流信道闪烁效应和加性高斯白噪声的影响，则各调制方式下系统误码率计算公式为：

 

 

式中，x为接收光强，f(x)为光强x条件下的概率密度函数，Pe(ber|x)为光强x条件下系统误码率表达式。可以得到基于OOK调制方式下系统平均误码率为：

 

 

式中x为接收光强，单位面积上等价为光功率;x0为x的均值;?滓x为大气闪烁指数，在弱湍流条件下一般取?滓x<1。同理，可推导出分别在PPM、DPPM以及DPIM调制方式下的系统平均误码率表达式。

在最佳判决门限下，当调制阶数为3、闪烁指数?滓x=0.3时，各调制方式的系统误码率曲线如图1所示。由此可见，当调制阶数M一定时，OOK的误码率最大，PPM的误码率最小，DPPM与DPIM的差错性能趋于一致，且明显优于OOK调制。

在参量为(n，k)的RS码中，输入信号分成k·m bit一组，每组包括k个符号，每个符号由m bit组成;传输过程中，假设错误是随机分布且彼此独立的，在n个符号的码子中，不正确的符号数大于t的概率存在上限Pwe，这可以用二项式分布得到：

 

 

其中，P(i，n)是n个符号中有i个错误的概率，Ps是传输信道的符号错误概率。通常所需的是一个信息符号出错的概率Psc，为了正确计算Psc且计算简单化，这里仅计算符号错误概率的上限。假设错误在译码后的码子中均匀分布，那么给定符号出现错误的概率是(i+t)/n，则可以推出译码后符号错误概率为：

 

 

式中Ps=1-(1-Pe)m，Pe是未编码时的比特差错概率。则对于RS编码系统而言，在OOK调制方式下的系统误码率计算公式为：

 

 

其中，Ps，ook=1-(1-Pe，ook)m。同理可以推导出不同调制方式下的系统误码率与信噪比的表达式。

 

图2所示为采用PPM调制，未编码系统与RS编码系统的误码率曲线图。图中可以看出，采用RS编码方案可以比未编码系统带来信噪比增益，且随着输入信号信噪比的增大，系统误码率逐渐降低，当系统误码率为10-5时，RS(7，3)码可以提供约3 dB的编码增益。由此可见，采用RS编码方案可以有效地提高通行链路的性能。

图3分析了基于RS(7，3)码、调制阶数M=3时，各调制方式未编码系统与RS编码系统的误码率曲线图。仿真结果表明，采用RS编码的PPM调制方式可以获得最好的系统差错性能;当系统误码率为10-4时，各调制方式下的系统编码增益均提高了3~4 dB。

3 结论

本文分析了弱湍流信道条件下光强闪烁的对数正态分布模型，结合大气信道特点，推导了自由空间光通信未编码系统和RS编码系统在OOK、PPM、DPPM和DPIM方式下的平均误码率公式，并用数值仿真的方法分析了它们的平均误码率性能。仿真结果表明，PPM调制可获得最好的误码率性能，采用适当的差错编码技术可以有效地提高系统的抗干扰能力，改善系统的光通信质量。