极低码率纠错码的研究及其在最低限度通信的应用

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最低限度通信致力于在强噪声、强干扰的恶劣电磁环境中,常规通信方式无法正常工作时,能够启动并保持最低限度的通信能力。需要在一定的误码率要求下,能够抵抗尽量大的噪声和干扰,达到满足信息实时性的通信速度,并具有一定的抗截获概率。对于纠错编码而言,实现最低限度通信需要编译码算法的复杂度低、码字的随机性好、满足误码率要求的信噪比等。极长码具有良好的码字随机性、编码复杂度低,截短极长码更具有灵活的码率,十分适用于最低限度通信。但使用和积算法译码的LDPC码(低密度奇偶校验码)在高码率表现优异,在极低码率却性能较差。截短极长码也是一种LDPC码,采用和积算法译码的性能比通常的LDPC码更差。本文使用B算法译码截短极长码,能取得良好的性能。B算法原本应用于密码学领域,是攻击流密码系统中密钥流生成器的一种快速相关攻击算法,具有随机初始截取位置、分段截取等特点。它吸收了Galleger迭代概率译码算法的思想,因此也适用于信道编码的译码。本文详细研究了将B算法用于截短极长码译码的复杂度和性能,并进一步提出两种改进算法。借鉴位翻转译码算法中WBF算法加权的思想,本文提出一种对B算法加权的WB算法,在复杂度少量增加的同时取得性能较大的提高。在信息位长度k和码率R为( k = 10, R= 0.008)、( k = 10, R= 0.003)和( k = 15, R= 0.003)时,WB算法分别在E sN 0 =- 12.5dB、- 14.6dB和- 15.7dB达到误码率10-5 ,B算法则为- 10.7dB、- 13.5dB和- 14.4dB,相差约1.8dB、1.1dB和1.3dB。根据循环码的特点,本文扩展BP算法使用的校验矩阵,得到适用于二元线性循环码及其截短码的CBP算法。在误码率10-5比较, ( k = 10, R= 10 1023)和( k = 10, R= 0.008)时,归一化BP-based算法均约为- 4dB,CBP算法分为-12.4dB和- 13.1dB。CBP算法的性能略优于WB算法, k = 31, R= 0.008时,两种算法分别在- 14.94dB和- 14.2dB得到10-5的误码率。本文通过大量仿真,研究了不同算法在不同码率、信息位长度、最大迭代次数等条件下的误码率性能。根据CBP算法、WB算法译码截短极长码和扩频码误码率曲线的特点提出一种级联码,同样码率下能极大地改善性能并降低复杂度。例如,CBP算法译码级联码在k = 31, R = 0.003时, E sN 0 =- 20dB就能达到误码率10-5
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