一種基于改進(jìn)Turbo編碼的盤旋無人機(jī)測(cè)控算法

黃 鶴，王小旭，梁 彥，潘 泉，許 哲

（西北工業(yè)大學(xué) 信息與控制研究所，西安 710072）

無人機(jī)測(cè)控技術(shù)是指對(duì)無人機(jī)進(jìn)行遙控、遙測(cè)、跟蹤定位和信息傳輸?shù)募夹g(shù)。這里的遙控是指對(duì)無人機(jī)飛行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)的控制；遙測(cè)是指對(duì)無人機(jī)飛行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量；跟蹤定位是指對(duì)無人機(jī)實(shí)時(shí)連續(xù)的位置測(cè)量；信息傳輸是指無人機(jī)任務(wù)載荷傳感器信息的傳輸。測(cè)控信道[1-2]特征對(duì)數(shù)據(jù)的可靠傳輸有著極大的影響, 而無人機(jī)在不同飛行狀態(tài)下又具有不同的信道特性,進(jìn)而直接影響著數(shù)據(jù)的可靠傳輸。根據(jù)飛行過程中環(huán)境的不同 ,可將無人機(jī)飛行過程劃分為途中飛行狀態(tài)、任務(wù)區(qū)域盤旋狀態(tài)和起飛/降落狀態(tài)。無人機(jī)通信由于受設(shè)備重量和體積限制，其天線孔徑較小，飛行過程中，特別是無人機(jī)在盤旋時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度和電波傳播的夾角是周期性變化的,造成直視分量的入射角和最大多普勒頻偏都呈周期性變化，信道條件可能受到干擾而變得十分惡劣，引起接收信號(hào)的衰落。因此通過改進(jìn)編碼技術(shù)提高微弱信號(hào)的接收能力不僅能夠改善接收效果，還能夠提供減小發(fā)射功率，提高無人機(jī)定位信息傳輸?shù)碾[蔽性。

仿真與實(shí)驗(yàn)表明，Turbo碼不僅具有接近香農(nóng)極限的誤碼率性能，還具有編碼簡單、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，目前主流的Turbo譯碼器已經(jīng)能夠達(dá)到100Mbps的處理能力，為Turbo碼在航空測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于使用級(jí)聯(lián)編碼的通信系統(tǒng)，傳統(tǒng)的RS-Turbo碼，RS-RSC碼，以及MIMO情況下，Turbo-BLAST級(jí)聯(lián)碼或者Turbo-STBC碼等[3-7]。在不考慮MIMO增益的情況下，使用RS-Turbo碼的系統(tǒng)需要提供RS譯碼及Turbo譯碼兩種不同的譯碼算法需求，使得譯碼器的軟硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜化，不適合工作狀態(tài)的無人機(jī)測(cè)控。針對(duì)以上情況，本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的Turbo編碼方法，并應(yīng)用在盤旋狀態(tài)的無人機(jī)測(cè)控過程中，并通過仿真分析改進(jìn)算法的BER性能。

1 改進(jìn)的Turbo編碼器模型

本文設(shè)計(jì)改進(jìn)的二維編碼碼塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，對(duì)于信息位不再以比特流的形式出現(xiàn)，而是以矩陣方式出現(xiàn)，首先對(duì)信息以行為單位進(jìn)行行編碼，得到行校驗(yàn)位，然后以列為單位，對(duì)整個(gè)碼塊進(jìn)行列編碼，得到列校驗(yàn)位以及行校驗(yàn)比特的校驗(yàn)比特。為了簡化說明，我們假設(shè)信息比特流矩陣的行與列數(shù)相等。

圖1 二維turbo編碼碼塊結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of 2 D Turbo code block

由圖1可以看出，假設(shè)使用的一維Turbo編碼器的編碼速率為R，則最后產(chǎn)生的二維Turbo碼的編碼速率為R'=R×R。圖2為在文中設(shè)計(jì)的使用“軟輸入軟輸出”類的MAP譯碼器，對(duì)Turbo碼進(jìn)行譯碼時(shí)，首先使用的外信息(Extrinsic Probability)初始化為，表示每個(gè)比特在初始時(shí)為0或者1是等概的，經(jīng)過一次迭代后，由第一次迭代后的后驗(yàn)條件概率信息：

針對(duì)譯碼器的新的先驗(yàn)信息進(jìn)行下一次迭代，其中，k為第k個(gè)調(diào)制符號(hào)，l為調(diào)制符號(hào)中的第l個(gè)比特，K為比例因子。而對(duì)于二維Turbo碼譯碼，首先對(duì)碼塊矩陣各列進(jìn)行Turbo迭代，之后再將各列的后驗(yàn)條件概率信息作為行Turbo迭代譯碼的先驗(yàn)概率進(jìn)行矩陣各行的Turbo譯碼迭代。由于在行譯碼之前的先驗(yàn)信息的概率不相等，可知在經(jīng)過較少迭代次數(shù)之后即可達(dá)到邊際值。即在經(jīng)過二維編碼之后，理論上可以降低譯碼迭代次數(shù)，提高二維編碼結(jié)構(gòu)的吞吐率。

圖2 二維turbo碼譯碼器Fig.2 2D Turbo code decoder

2 系統(tǒng)模型及仿真

2.1 無人機(jī)測(cè)控信道模型

由于航空信道模型與一般的移動(dòng)信道模型不盡相同，參考文獻(xiàn)[1]給出了一種實(shí)用的無人機(jī)通信信道統(tǒng)計(jì)模型的生成方法以及參數(shù)設(shè)置。基于統(tǒng)計(jì)模型研究無人機(jī)測(cè)控信道特性可以發(fā)現(xiàn)，與陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)不同，前者存在較強(qiáng)的直視信號(hào)(LOS)分量和一定的高斯白噪聲分量。

設(shè)在各個(gè)子信道上對(duì)應(yīng)的信噪比為r= [r1,r2,r3...rn]，其中ri表示第i個(gè)信道上對(duì)應(yīng)的信噪比。則各個(gè)子帶對(duì)應(yīng)的整個(gè)寬帶信噪比為：

2.2 基于改進(jìn)Turbo編碼無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)

由于無人機(jī)測(cè)控信道業(yè)務(wù)量相對(duì)較小，通常12.8 kbps即能滿足要求，如果采用改進(jìn)的二維Turbo碼對(duì)測(cè)控信道數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，則需約164 kbps信息速率，假設(shè)無人機(jī)子信道為64 kbps，則需大約3個(gè)子信道即可滿足要求，對(duì)帶寬要求增加不大。而任務(wù)信道由于需要傳輸?shù)膱D像、傳感器等信息所需的任務(wù)數(shù)據(jù)一般較大，從24 kbps到6 Mbps不等。如果采用上限6 Mbps，經(jīng)過二維編碼后的帶寬需增加 30M 左右，考慮到目前無人機(jī)通信帶寬的限制大約在 20M，二維Turbo編碼目前更適用于測(cè)控信道。而由于Turbo譯碼器目前的處理速度已經(jīng)達(dá)到100 Mbps，在帶寬允許的情況下，二維Turbo碼也能夠應(yīng)用于任務(wù)信道中。

在測(cè)控信道中，UAV系統(tǒng)對(duì)由基站發(fā)送信息進(jìn)行接收，經(jīng)信道估計(jì)后，對(duì)信道進(jìn)行辨識(shí)。假設(shè)基站對(duì)UAV下行信道包含2K個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)S。信道上的有用功率為：

在完成信道估計(jì)后，接下來需要進(jìn)行解調(diào)制，使用解調(diào)制后的軟信息送入 Turbo譯碼器中進(jìn)行 Turbo譯碼，最終得到信息比特。

2.3 系統(tǒng)仿真與性能分析

理想AWGN信道時(shí)改進(jìn)的二維Turbo編碼的通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)Turbo編碼系統(tǒng)的BER性能曲線的對(duì)比如圖3所示。

圖3 二維Turbo碼與一維Turbo碼性能比較Fig.3 Turbo code & 2D Turbo code performance comparison

從圖3中可以看出，對(duì)于二維Turbo編碼系統(tǒng)，在進(jìn)入0 dB以上傳統(tǒng)意義上的“低信噪比”區(qū)域時(shí)，其BER性能很快既能到達(dá)10-4量級(jí)，相比較傳統(tǒng)的一維Turbo碼，其性能有大約2～3個(gè)dB的提升。由圖3中還可以看到，對(duì)于2維Turbo編碼，可以在保證譯碼BER到達(dá)錯(cuò)誤平層時(shí)大大減少譯碼迭代的次數(shù)，由大量仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得到一般迭代次數(shù)為2即可保證譯碼準(zhǔn)確性。通過聚類分析，在大于0 dB處具有誤比特率對(duì)平均信噪比變化的拐點(diǎn)，得到信噪比分布與最優(yōu)迭代次數(shù)關(guān)系如表1所示。由表1中我們可以看出，二維Turbo碼最大譯碼迭代次數(shù)僅為4次，相比較一維Turbo碼的通常迭代次數(shù)8次而言減小了至少一半。

對(duì)采用改進(jìn)算法的無人機(jī)測(cè)控信道進(jìn)行仿真，仿真條件為：采用64k帶寬的子信道和16QAM調(diào)制，信息速率為256 kbps，Turbo編碼采用碼率為1/3的約束長度為 3，生成多項(xiàng)式為(5,7)8的 RSC碼進(jìn)行二維Turbo編碼，交織器采用長度為128的偽隨機(jī)交織器。取無人機(jī)信道模型為小尺度衰落信道 WSSUS模型（Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering，廣義靜態(tài)非相關(guān)散射），并在起/降、盤旋、途中飛行三種狀態(tài)下分析系統(tǒng)性能。UAV速度設(shè)置為 50 m/s。其BER性能曲線如圖4所示，從圖中可以看出，隨著飛行狀態(tài)的不同在Los分量的提高的情況下，無人跡的系統(tǒng)性能也隨之提高。

圖4 盤旋UAV典型信道狀況下2-D Turbo碼性能Fig. 4 Performance of 2D turbo code in typical UAV channel

表1 信噪比與最優(yōu)迭代次數(shù)關(guān)系表Tab.1 Relationship between SNR and optimal iteration times

由于二維Turbo編碼的編碼效率相對(duì)傳統(tǒng)的Turbo碼有所降低，因此考慮在高SNR時(shí)將二維Turbo碼進(jìn)行刪余處理。圖 5所示為刪余后二維 Turbo碼在AWGN信道的性能，可以看出，將二維Turbo碼中“校驗(yàn)位的校驗(yàn)”刪余后其性能有所退化，此時(shí)其碼率為1/5，當(dāng)將二維Turbo碼的行校驗(yàn)和列校驗(yàn)位也進(jìn)行刪余使得碼率等于傳統(tǒng)Turbo碼速率的1/3時(shí)，其性能也退化至與傳統(tǒng)Turbo相當(dāng)?shù)乃健?/p>

表2 反饋編碼方案及運(yùn)算量Tab.2 Feedback encoding scheme and calculation

圖5 刪余二維turbo碼與一維turbo碼性能比較Fig.5 Punctured 2D turbo code and turbo code performance comparison

根據(jù)10-4誤差限，定義一個(gè)最優(yōu)的二維Turbo編碼方式及迭代次數(shù)關(guān)系，如圖2所示。由于在0 dB信噪比以下二維Turbo碼性能提升很少，可以提高編碼效率犧牲性能；在0～8 dB時(shí)可以使用二維Turbo碼提升系統(tǒng)性能；在信噪比高于8 dB時(shí)可以采用1/3碼率的刪余Turbo碼以提升系統(tǒng)效率。

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于改進(jìn)Turbo編碼的盤旋無人機(jī)測(cè)控算法，對(duì)其在典型無人機(jī)測(cè)控信道及不同迭代次數(shù)情況下的性能進(jìn)行了仿真。改進(jìn)Turbo編碼與傳統(tǒng)一維Turbo編碼系統(tǒng)性能相比，該算法不增加系統(tǒng)譯碼算法設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，僅僅只需要在編碼上進(jìn)行的改動(dòng)，具有很大的靈活性，同時(shí)可以在更低的SNR時(shí)獲得較好的BER性能，具有更好的糾錯(cuò)能力，并能夠在較少的譯碼迭代次數(shù)時(shí)就到達(dá)錯(cuò)誤平層，非常有利于無人機(jī)定位信息傳輸。仿真結(jié)果表明，該算法可以實(shí)現(xiàn)的盤旋狀態(tài)下的無人機(jī)測(cè)控

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