LDPC+编码跳频抗干扰通信系统建模与仿真分析(1)

㊀第１６卷第３期解放军理工大学学报(自然科学版)Vol．１６No．３㊀㊀２０１５年６月㊀Journal of PLA Universit y of Science and T echnolo gy (Natural Science Edition )Jun．２０１５LDPC 编码跳频抗干扰通信系统建模与仿真分析杨孔哲,㊀张邦宁,㊀郭道省(解放军理工大学通信工程学院,江苏南京２１０００７)摘㊀要:为进一步提升跳频卫星通信系统的抗干扰能力,将LDPC 信道编码与跳频技术相结合,建立一种基于LDPC 码的跳频抗干扰通信系统模型,基于该模型进行了抗干扰性能仿真分析.首先结合BPSK 调制方式,建立不同码率㊁不同码长的LDPC 码跳频抗干扰通信系统模型;然后利用该模型,对不同码长㊁不同码率的LDPC 码跳频抗干扰通信系统在不同干扰因子的部分频带干扰条件下进行抗干扰性能仿真,并对仿真结果进行对比分析.研究结果表明,LDPC 码跳频抗干扰通信系统模型的仿真结果与理论分析相吻合.通过仿真分析,得到采用不同的编码参数在不同干扰条件下抗干扰性能的量化结果与结论,为基于LDPC 码的跳频抗干扰系统设计和自适应抗干扰措施制定提供了理论基础.关键词:低密度校验;跳频;抗干扰中图分类号:TN９１１．２DOI :１０．７６６６/j ．issn．１００９-３４４３．２０１５０２１０００１Model in g and simulation of LDPC coded FH anti -j amm in g communication s y stemYANG Kon g zhe ,㊀Z HANG Ban g nin g ,㊀GUO Daoxin g(Colle g e of Communications En g ineerin g ,PLA Univ．of Sci．&Tech．,Nan j in g ２１０００７,China )Abstract :To further enhance the anti -j ammin g ca p abilit y of the FH (fre q uenc y ho pp in g )satellite communi -cation s y stem ,combinin g FH s y stem with channel codin g ,a low -densit y p arit y -check (LDPC )coded FH anti -j ammin g communication s y stem was established in this p a p er ,and the simulation of the anti -j ammin gp erformance was carried out．In the first p lace ,an LDPC coded SFH /BPSK (slow fre q uenc y ho pp in g /bina -r y p hase shift -ke y in g )anti -j ammin g communication s y stem was built ,whose code len g ths and code rates were different．Then ,the anti -j ammin g ca p abilit y a g ainst p artial -band j ammin g (PBJ )with different p ar -tial -band j ammin g factors of the s y stem was simulated and com p ared．All these p rove that the p erformance of the LDPC coded SFH /BPSK anti -j ammin g s y stem simulation model is available ,which is in conformit y with the theoretical anal y sis．Throu g h simulation and anal y sis ,the q uantitative results of the anti -j ammin g p erformance were obtained based on different codin g p arameter under different j ammin g conditions．As a conse q uence ,the results will p rovide technical basis for the desi g n of LDPC coded FH anti -j ammin g s y s-tem and the ada p tive anti -j ammin g measures．Ke y words :LDPC ;fre q uenc y ho pp in g ;anti -j ammin g ㊀㊀收稿日期:２０１５-０２-１０作者简介:杨孔哲,硕士生,主要研究卫星通信,y an g kon g zhe＠１６３．com 通信作者:郭道省,教授,博士生导师,主要研究卫星通信抗干扰,r g sc２０１４＠１２６．com㊀㊀随着迭代译码方法的出现和发展,低密度校验(low -densit y p arit y -check ,LDPC )码逐渐成为信道编码研究的热点,应用也日益广泛.LDPC 码具有性能接近理论极限㊁误码平层低㊁译码器实现简单等优点,在码长足够长时性能更加优异.跳频技术是目前通信抗干扰领域应用范围最广的一种通信方式,但受系统参数限制,仅提高跳频带宽或者跳速的方法,对系统抗干扰能力提高有限,必须考虑采用先进的波形设计方法进一步提高跳频系统的抗干扰能力.结合交织㊁信道编码与高效调制技术等波形设计方法,可在跳频处理增益的基础上进一步提高系统的抗干扰性能[１]７７-８０.随着对LDPC码编译码方法研究的日益增多,基于LDPC码的跳频抗干扰系统研究逐渐受到重视[２].文献[３,４]分别研究了LDPC编码快跳频结合频率调制抗多音干扰的能力和抗部分频带干扰的能力.文献[５]研究了LDPC编码FFH-SS 系统采用多种分集技术在部分频带干扰下的性能.文献[６]研究了LDPC码差分跳频系统抗部分频带干扰的能力,证明了利用LDPC码增强系统抗干扰能力的优势.文献[７]研究了非二进制LDPC编码跳频结合相位调制抗部分频带干扰的能力,证明了Q-LDPC码较RS码的优越性.除此以外,文献[８]研究了Ra y lei g h衰落信道中跳频结合频率调制无编码系统在不同跳速的情况下抗多音干扰和部分频带干扰的能力.文献[９,１０]研究了LDPC编码跳频结合频率调制系统在Ra y lei g h衰落信道㊁Rician衰落信道条件下抗多音干扰的性能.文献[１１]研究了LDPC编码跳频结合频率调制系统抗跟踪式干扰的能力.上述文献对LDPC码在不同条件下的编译码算法进行了设计和性能分析,表明LDPC编码用于跳频通信系统的优越性,并从分集技术和最佳接收机设计等方面优化LDPC编码跳频系统性能.但是现有的研究成果对结合相位调制的慢跳频系统的抗干扰性能研究还比较少,没有针对具有不同码长㊁不同码率等编码参数的LDPC码在各种部分频带干扰条件下的性能分析,没有给出系统的分析结论和相应的量化结果.本文采用LDPC码结合BPSK调制技术建立基于不同码率㊁码长LDPC码的SFH/BPSK跳频抗干扰通信模型.基于该模型,仿真分析不同码长㊁码率LDPC码的跳频抗干扰通信在不同干扰因子部分频带干扰条件下的抗干扰性能,得到采用不同的编码参数在不同干扰条件下抗干扰性能的量化结果,为基于LDPC码的跳频抗干扰系统设计和自适应抗干扰措施制定提供理论基础.１㊀SFH/BPSK抗干扰通信系统图１给出了基于LDPC码的慢跳频抗干扰通信系统模型.在发送端,对二进制信号依次进行LDPC 编码㊁BPSK调制和跳频调制,在A WGN信道中分别加入部分频带干扰和加性白高斯噪声;在接收端首先进行解跳,然后采用联合迭代的解调译码算法,对仿真结果进行分析.图１㊀系统模型Fi g．１㊀Dia g ram of the s y stem model１．１㊀LDPC码型设计LDPC码可以分为规则和非规则两类.相对非规则LDPC码,规则准循环LDPC码的译码器硬件实现复杂度低,但编码器硬件实现复杂度相对较高.非规则重复累计码[１２](irre g ular re p eat accu-mulate,IRA)是一种具有特殊结构的非规则LDPC 码,其纠错性能比规则LDPC码更好,且编码器硬件实现复杂度较低[１３].由于星上硬件资源有限,码型设计时,在保证一定性能的情况下,尽量降低硬件实现复杂度,故建模时设计并使用非规则重复累计码(IRA)[１４].LDPC码的码长为N,其中信息比特数为K,码率R c＝K/N.根据实际情况,针对不同干扰因子和信干比的部分频带干扰,提供了不同码率和码长的LDPC码[１５],包括３种码率(１/４,１/２,３/４)和２种码长(２５６０,５１２０).在仿真中用到了以下４种LDPC码型: (１)码率为１/４,码长为２５６０;(２)码率为１/２,码长为２５６０;(２)码率为１/２,码长为５１２０;(２)码率为３/４,码长为５１２０.１．２㊀跳频模块设计若跳频系统的符号速率大于跳频速率,即每跳信号包含多个符号,则称之为慢跳频(SFH);若跳频系统的跳频速率大于符号速率,即多跳用于承载１个符号的信息,则称之为快跳频(FFH).跳频图案如图２所示.SFH与FFH的区别主要表现在跳频驻留时间,前者在一个跳频驻留时间内发送多个符号,后者用多个跳频时间发送１个符号.建模时,跳频调制采用慢跳频,跳频速率为１００００跳/秒㊁１２跳/时隙,跳频带宽为１.５GHz.４０２㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀解放军理工大学学报(自然科学版)第１６卷㊀图２㊀跳频图案Fi g ．２㊀Fre q uenc y ho pp in g p attern１．３㊀联合迭代解调译码文献[１６]提供了一种基于PSK 信号与LDPC 码联合迭代解调译码的传输方法,解决慢跳频通信等通信系统相位同步实现困难或代价过大的问题.本文借鉴其联合迭代解调译码的方法,设计了基于LDPC 编码SFH /BPSK 跳频系统的联合迭代解调译码算法.联合迭代解调译码流程如图３所示.图３㊀联合迭代解调译码流程Fi g ．３㊀The flow chart of j oint iterative demodulation deco -din g步骤如下:(１)相位旋转:设L 为相位离散化数量,l ＝０,１, ,L －１,将接收信号的相位依次旋转２πl /L ,得到L 组具有不同相位旋转量的信号;(２)确定权重:根据交织后的译码外信息e n 和相位旋转后的信号实部确定各组信号的权重,找到权重最大和权重最小的分组;(３)解调:将权重最大分组信号的实部乘以修正因子α,得到解调值;(４)解交织:将解调值逐行记入一个M ˑN 的矩阵,然后逐列输出解交织后的解调值;(５)译码:采用修正最小和译码算法[１７]对解调值进行译码.得到译码过程中各个比特对应的软判决值γs ㊁硬判决信息以及译码得到的外信息e s ;(６)交织:将译码得到的外信息e s 逐行记入一个N ˑM 的矩阵,得到交织后的译码外信息e n ,然后逐列输出,返回到步骤(２),直到达到预定迭代次数后,将译码得到的硬判决信息输出,其中预定迭代次数为３０次.２㊀抗部分频带干扰性能分析对于跳频系统,最大干扰威胁是部分频带干扰.文献[１８]给出了多种结合不同调制技术的跳频模型,分析了各个模型在部分频带干扰下的性能.本次建模主要讨论FH /BPSK 模型,以下是非编码系统在部分频带干扰条件下的性能分析.设干扰功率为J ,样式为宽带噪声,带宽等于W j ,W j 与跳频带宽W FH 的比值ρ定义为ρ＝W j /W FH .㊀㊀部分频带干扰的功率谱密度为N ᶄj ＝JρW ss ＝N J ρ.(１)式中:N J为有效干扰功率谱密度;W ss 为全频率带宽.非干扰部分的平均误符号率为P S ０＝２Q ２E b N ０æèçöø÷－Q ２２E b N ０æèçöø÷.㊀㊀干扰部分平均误符号率为P S J ＝２Q ２E b N ０＋N ᶄJ æèçöø÷－Q ２２E bN ０＋N ᶄJ æèçöø÷.(２)式中:E b 为每比特能量;N ０为噪声的功率谱密度;Q (㊃)函数为Q (x )＝１２πʏɕxe －t ２２d t .所有符号的错误概率可表示为P S ＝ρP S J ＋１－ρ()P S ０.㊀㊀由式(１)(２)可知,FH /BPSK 无编码系统在部分频带干扰下的平均误码率为P S J＝２Q ２E b N ０æèçöø÷－１＋２ρE b N J æèçöø÷－１éëêêùûçç－１/２æèçöø÷－Q ２２E b N ０æèçöø÷－１＋２ρE b N J æèçöø÷－１éëêêùûçç－１/２æèçöø÷.㊀㊀FH /BPSK 无编码系统在部分频带干扰下的平均误比特率为５０２㊀第３期㊀㊀㊀㊀杨孔哲,等:LDPC 编码跳频抗干扰通信系统建模与仿真分析P b ＝ρQ ２E b N ０æèçöø÷－１＋２ρE b N J æèçöø÷－１éëêêùûçç－１/２æèçöø÷＋１－ρ()Q ２E b N ０æèçöø÷.对于非编码的FH /BPSK 抗干扰通信系统,可以得到在部分频带干扰条件下性能的理论分析结果.但对于基于LDPC 码跳频系统,在部分频带干扰条件下的性能还没有办法通过理论分析得到闭合的表达式,只能通过建模仿真进行抗干扰性能分析.可以肯定的是,编码系统在部分频带干扰条件下的性能变化趋势应该与非编码系统的性能变化趋势相符.３㊀仿真结果与分析为检验模型的抗干扰能力,对LDPC 编码SFH /BPSK 系统在AWGN 信道中的抗干扰性能进行仿真.设AWGN 信道中信噪比为２０dB .４个LDPC 码码型的相关参数分别为:码型１,码长２５６０㊁码率１/４,每时隙传输６４０b ,等效速率５３３kb /s ;码型２,码长２５６０㊁码率１/２,每时隙传输１２８０b ,等效速率１０６７kb /s ;码型３,码长５１２０㊁码率１/２,每时隙传输２５６０b ,等效速率２１３３kb /s ;码型４,码长５１２０㊁码率３/４,每时隙传输３８４０b ,等效速率３２００kb /s .图４给出了系统在不同干扰因子部分频带干扰下的性能.从图４可以看出,码率较码长对LDPC 码的编码增益影响更大.码率越低,性能越好.这一点与理论相符,但码长对系统的抗干扰性能的影响不是特别明显.图５给出了基于不同码率㊁码长的LDPC 码的跳频系统在不同干扰因子和不同信干比条件下抗部分频带干扰的性能.图４㊀系统在部分频带干扰下的性能Fi g ．４㊀The p erformance of the s y stem under p artial -bandj ammin g从图５可以看出,当干信比超过系统的干扰容限时,干扰效果随部分频带因子ρ的增大而增强,与理论相符;当干信比小于系统的干扰容限时,最坏干扰样式的干扰因子ρ＜１,此时干扰方可以适当的干扰功率换取最强的干扰效果.如图５(b )中,系统选用码长５１２０㊁码率１/２的LDPC 码,若信干比为３dB ,干扰方将ρ控制在０.５左右时,干扰性能最好,可使系统的误比特率达到１０－３.LDPC 编码SFH /BPSK 系统的干扰容限很大程度上取决于对应LDPC 码的编码增益.在实际应用中可根据具体需求和实际情况选择拥有最适合码长和码率的LDPC 码.６０２㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀解放军理工大学学报(自然科学版)第１６卷㊀图５㊀系统在不同干扰因子和不同信干比条件下的抗干扰性能Fi g．５㊀The p erformance of the s y stem with different j am-min g factor and SJR ４㊀结论本文建立了一种基于LDPC编码的SFH/ BPSK跳频通信系统模型,设计了不同码率㊁不同码长的LDPC码跳频抗干扰通信系统,通过仿真分析了在不同干扰因子的部分频带干扰条件下的抗干扰性能,得出以下结论:(１)LDPC编码跳频系统较非编码系统具有更大的编码增益,显著改善了跳频系统在部分频带干扰条件下的性能.(２)针对不同干扰因子与信干比的部分频带干扰,通过选择不同码率和码长的LDPC码能够实现最优的抗干扰性能,为自适应抗干扰体制设计提供了依据.(３)通过仿真可以看出,LDPC码的码率对性能有较大影响,相比之下,码长的改变对抗干扰性能的影响不大.参考文献:[１]㊀姚富强．通信抗干扰工程与实践[M]．北京:电子工业出版社,２００８．[２]㊀戴精科,徐东辉,何恒,等．LDPC编码FFH/MFSK系统的性能分析[J]．信息安全与通信保密,２０１４(９):１６７-１６９．DAI Jin g ke,XU Don g hui,HE Hen g,et al．Performanceanal y sis of LDPC coded FFH/MFSK s y stem[J]．Infor-mation Securit y and Communications Privac y,２０１４(９):１６７-１６９．(in Chinese)．[３]㊀JENG Jider,HUANG Jenhou,WANG Chun g hsuan．Performance of low-densit y p arit y-check coded FFH/BFSK s y stems under band multitone j ammin g[C]//Proceedin g s of the２００７International Conference onWireless Communications and Mobile Com p utin g,Honolulu,Hawaii:IEEE Conference Publications,２００７:４３４-４３８．[４]㊀JENG Lider,LEE Shunshen g,WANG Chun g hsua,et al．Low-densit y p arit y-check codes for FFH/BFSKs y stems with p artial-band noise interference[C]//IWCMC ０６．Vancouver:IEEE Conference Publica-tions,２００６:１２１３-１２１７．[５]㊀WU Xiaofu,ZHAO Chunmin g,YOU Xiaohu,et al．Robust diversit y-combin g receivers for LDPC codedFFH-SS with p artial-band interference[J]．IEEE Com-munications Letters,２００７,１１(７):６１３-６１５．[６]㊀朱毅超,甘良才,熊俊俏．低密度奇偶校验码差分跳频系统的抗干扰性能[J]．电波科学学报,２０１１,２６(３):７０２㊀第３期㊀㊀㊀㊀杨孔哲,等:LDPC编码跳频抗干扰通信系统建模与仿真分析４５８-４６５．ZHU Yichao,GAN Lian g cai,XIONG Jun q iao．Anti-j ammin g p erformance of low-densit y p arit y-check co-ded differential fre q uenc y ho pp in g s y tems[J]．ChineseJournal of Radio Science,２０１１,２６(３):４５８-４６５．(inChinese)．[７]㊀LIU Celun,BU Xian gy uan,WANG Hon gj ian．Nonbi-nar y LDPC coded FH s y stems over p artial-band j am-min g channels[C]//Wireless Communications,Net-workin g and Mobile Com p utin g,２００９．WiCom＇０９．５thInternational Conference on,Bei j in g:IEEE ConferencePublications,２００９:１-４．[８]㊀ZHANG Jilian g,CHAN T K,HUNG L K．Maximum-likelihood FFH/MFSK receiver over ra y lei g h-fadin gchannels with com p osite effects of MTJ and PBNJ[J]．IEEE Transactions on Communications,２０１１,５９(３):６７５-６７９．[９]㊀DAI Jin g ke,XU Don g hui,JING Ya q ue．The p erform-ance of LDPC coded FFH/BFSK s y stem over Ra y lei g hfadin g channel under multitone j ammin g[C]//Com p u-tin g,Communication and Networkin g Technolo g ies(ICCCNT),２０１４International Conference on．Hefei:IEEE Conference Publications,２０１４:１-５．[１０]DAI Jin g ke,HE Hen g,XU Don g hui,et al．The p er-formance of LDPC coded FFH/BFSK s y stem over Ri-cian fadin g channel under multitone j ammin g[C]//In-formation and Communications Technolo g ies(ICT２０１４),２０１４International Conference,Nan j in g:IET,２０１４:１-６．[１１]DAI Jin g ke,GUO Wen p u,XU Don g hui．The p erform-ance of LDPC coded fre q uenc y ho pp in g s y stem underfollower j ammin g[C]//Information and Communica-tions Technolo g ies(ICT２０１４),２０１４InternationalConference．Nan j in g:IET,２０１４:１-６．[１２]胡军锋,张海林,白洁,等．短长度非规则重复累积码的构造[J]．吉林大学学报:工学版,２０１０,４０(１):２５５-２５９．HU Junfen g,ZHANG Hailin,BAI Jin,et al．Construc-tion of short-len g th irre g ular re p eat-accumulate code[J]．Journal of Jilin Universit y(En g ineerin g and Tech-nolo gy Edition),２０１０,４０(１):２５５-２５９．(in Chinese)．[１３]TONG S,ZHANG S,BAI B M,et al．Fast encodable and decodable irre g ular re p eat accumulate codes fromcirculant p ermutation matrices[J]．Electron Lett,２００７,４３(５):４８-４９．[１４]龚超．慢跳频卫星通信高效传输技术研究[D]．南京:解放军理工大大学,２０１２．[１５]张博,林伟,刘春元,等．突发错误信道下的多元LDPC 码设计与性能分析[J]．通信学报,２０１３,(７):９８-１０４．ZHANG Bo,LIN Wei,LIU Chun y uan,et al．On thedesi g nand p erformance of nonbinar y LDPC codes onburst errorchannels[J]．Journal on Communications,２０１３,(７):９８-１０４．(in Chinese)．[１６]刘爱军,张邦宁,龚超,等．基于PSK信号与LDPC码联合迭代解调译码的信息传输方法:中国,２０１４１００７７４７３．１[P],２０１４-０６-２５．[１７]倪俊枫,甘小莺,张海滨,等．改进的分层修正最小和LDPC译码算法及译码器设计[J]．系统工程与电子技术,２００８,３０(１２):２５３１-２５３５．NI Junfen g,GAN Xiao y in g,ZHANG Haibin,et al．Im-p roved la y ered modified minimal sum LDCP decodin gal g orithm and LDPC decoder desi g n[J]．S y stems En g i-neerin g and Electronics,２００８,３０(１２):２５３１-２５３５．(inChinese)．[１８]SIMON M K,OMURA J K,SCH OLTZ R A,et al．S p read s p ectrum communication volume II[M]．Mar y-land:Com p uter Science Press,１９８５．(责任编辑:汤雪峰)８０２㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀解放军理工大学学报(自然科学版)第１６卷㊀LDPC 编码跳频抗干扰通信系统建模与仿真分析作者：杨孔哲， 张邦宁， 郭道省， YANG Kongzhe， Z HANG Bangning， GUO Daoxing作者单位：解放军理工大学 通信工程学院,江苏 南京,210007刊名：解放军理工大学学报（自然科学版）英文刊名：Journal of PLA University of Science and Technology (Natural Science Edition)年，卷(期)：2015(3)引用本文格式：杨孔哲.张邦宁.郭道省.YANG Kongzhe.Z HANG Bangning.GUO Daoxing LDPC 编码跳频抗干扰通信系统建模与仿真分析[期刊论文]-解放军理工大学学报（自然科学版） 2015(3)。