Page 19 - 网络电信2023年2月刊

极化码在水下光通信系统中的应用研究
邢 莉 娟 李 卓 王 庆 港
西安电子科技大学
摘要：为了验证不同水质条件对水下光通信的影响，采用蒙特卡罗模拟算法模拟了水下光信道的离
散冲激响应。在此基础上结合具有抗衰落优点的正交频分复用技术搭建了水下光通信系统，针对收发端
已知信道状态信息前提下，采用１６正交幅度调制方式，结合蒙特卡罗构造算法完成极化码的构造，译
码端使用基于循环冗余校验辅助的串行抵消译码算法，设计并实现了基于正交频分复用技术的水下光通
信系统中的极化码编译码方案。通过实验验证了不同水质条件下码长等参数对极化码性能的影响，证明
了在高信噪比时，极化码相比同等码长的低密度奇偶校验码在不同水质下具有０．２ｄＢ～０．６ｄＢ
左右的性能增益；随着水质环境越差，其渐进性能优势表现得越明显，且不会出现误码平层的问题。极
化码的编码结构更加清晰简单，译码复杂度与低密度奇偶校验码相差不大，且在译码中不需要多次迭
代。因此相比于其他编码方案，极化码具有较低的编译码复杂度，在水下光通信场景中具有很强的竞争
力和应用潜力。
关键词：水下光通信；极化码；蒙特卡罗模拟算法；正交频分复用；１６正交幅度调制
一、引 言
近年来,随着对海洋的勘测、开发和利用逐渐被重视,水下
高效通信变得极其重要。而光学技术的使用解决了声通信或者
电磁波等非光学通信系统中信号传输速率较低的问题[1],同时
400nm~550nm 波长范围内的蓝绿激光光谱已经被证实在海水中
具有低衰减的特性,能够满足在水下进行大数据传输以及信号传
输可靠性的要求,同时也为水下光通信系统的研究与发展奠定了
坚实的理论基础。
由于水下粒子会使激光产生多重散射,从而使信号产生严重
的多径效应和随机衰落,同时水质条件的不同也会对水下光通信
的性能产生很大影响。近年来,随着信号处理等理论技术的不断
提升和计算机性能的逐步增强,近香农限信道编译码、多载波调
制技术等先进的信号处理技术得以引入到光通信领域,其中,信
道编码技术是解决强干扰和强衰落性的关键技术之一。目前,水
下光通信中使用的编码方案主要有 RS码、低密度奇偶校验(Low
DensityParityCheck,LDPC)码和 Turbo码等。ARIKAN 在2008年提
出的极化码[2]在近年来受到了极大的关注,在2016年的3GPP会议
中表现出优越的性能,已经成为了5G 方案中系统增强型移动带宽
场景中控制信道的编译码方案[3]。由于极化码是基于信道特性
构造的一种信道编码方案,因此在复杂场景中利用极化码作为信
道编码方案能够表现出优越的渐进性能,同时其还具有其他编译
码方案所不具备的低复杂度。虽然目前极化码属于信道编码领
域的研究热点,但是在水下光通信等实际场景中的应用还非常少。
网络电信 二零二三年一、二月
笔者首先利用了蒙特卡罗(MonteCarlo,MC)模拟算法追踪
了光子的运动轨迹,并得到了3种不同水质条件下水下光通信所
需的离散冲激响应。为了满足高速率的数据传输要求,建立了
基于极化码的正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMulti
plexing,OFDM)水下光通信系统,针对收发端已知的信道状态信
息前提下,采用16正交幅度调制(16QuadratureAmplitudeModulat
ion,16QAM)方式,结合蒙特卡罗构造算法完成了极化码的构造,
并使用了基于循环冗余校验(CyclicRedundancyCheck,CRC)辅助
的串行抵消(CRC-AidedSuccessiveCancellationList,CA-SCL)译码
算法完成了基于 OFDM 的水下光通信中的极化码方案的编译
码流程。最后对比了相同码长条件下的 LDPC码在不同信噪比
(SignalNoiseRatio,SNR)条件下的性能,以此来证明极化码在不同
水质条件的水下光通信中的性能优势,且在水质环境越差的条件
下能够表现出更优越的渐进性能,另外还通过改变码长和译码宽
度验证了不同参数对极化码在该信道下的影响。
二、极化码编译码原理
2.1 极化码编码原理
极化码编码的基本思想就是通过构造选取合适的子信道作
为信息位进行数据的传输。首先定义一个二元离散无记忆信道
W:X →Y,其中X和Y 分别表示输入和输出信号,则信道的转移概
率可记为W(y|x),其中x ∈ X,y∈Y。假设码长为 N =2n ,n≥0,使用
uN1 表示输入序列,则编码输出序列xN1 可由uN1 通过下式生成:
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