1.本发明属于无线通信技术领域，涉及一种适用于非相干线性调频系统编码方案的选择方法。
背景技术：2.相对于地面物联网通信，卫星物联网通信的距离相对遥远，从而带来了很大的传输链路损耗，进而会导致接收功率变得非常小。这就需要采用性能优异的编码方案和经典的扩频调制技术，比如直接序列扩频(dsss)和chirp扩频(css)等。相比于dsss技术，css技术具有更强的抗多普勒频移能力，且能够有效抵抗多径衰落。而线性调频(lfm，linear frequency modulation)技术就是一种高阶css技术，已经广泛应用到物联网传输系统中。
3.虽然关于lfm技术的相关研究已经有很多了，但相关文献所采用的编码方案都是其物理层协议中规定的汉明(hamming)码，几乎没有涉及到其他编码方案。在hamming-lfm方案中，由于hamming码的纠错能力非常有限，所以其整体性能就变得差强人意。徐浪等在“基于turbo码和odpd判决法的lora改进方法”一文中将turbo引入到非相干lfm系统中，并利用一种正交二分峰差判决法获得了比hamming-lfm方案更好的性能。然而，除了turbo码之外，还有低密度校验(ldpc)码、低密度生成矩阵(ldgm)码和rs码等编码方案。
4.因此，需要给出一种卫星物联网下非相干lfm系统的编码方案选择方法，从而得到更加合适的编码方案。
技术实现要素：5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明实施例提供了一种基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法，所述非协作式拓扑推断方法包括：
7.步骤1、根据非相干lfm系统的信道转移概率得到所述非相干lfm系统的理想度量；
8.步骤2、根据所述非相干lfm系统的理想度量得到所述非相干lfm系统的信道容量；
9.步骤3、根据所述非相干lfm系统的信道容量得到信噪比eb/n0与es/n0的换算关系，其中，es为符号能量，eb为比特平均能量，n0为噪声单边功率谱密度；
10.步骤4、根据所述信噪比eb/n0、所述信道容量、扩频因子确定系统码率需要满足的要求；
11.步骤5、根据所述系统码率得到最佳码率；
12.步骤6、级联非相干lfm系统，根据最佳码率从hamming码、bch码、rs码、turbo码、ldgm码和ldpc码选出最佳编码方案。
13.在本发明的一个实施例中，所述信道转移概率为：
[0014][0015]
其中，p(rk|dk＝q)为信道转移概率，rk为第k个符号周期内的接收信号序列，rk＝{rk(l),l＝0,1,...,m-1}，rk(l)为第k个符号周期内，基于啁啾速率(即b)采样的第l个啁啾对应的接收信号，m为正交啁啾数，m＝2
sf
，rk(q)为第k个符号周期内传输数据符号为q的dft结果，q＝0,1,...,m-1，dk为传输的十进制符号，i0(
·
)为第一类零阶修正贝塞尔函数，为噪声方差，k＝0,1,...,n-1，n为传输的数据符号长度。
[0016]
在本发明的一个实施例中，所述理想度量为：
[0017]
在本发明的一个实施例中，所述信道容量为：
[0018][0019]
其中，c为信道容量，为求期望操作。
[0020]
在本发明的一个实施例中，所述eb/n0与所述es/n0的换算关系为：
[0021][0022]
其中，c为信道容量。
[0023]
在本发明的一个实施例中，所述系统码率需要满足的要求为：
[0024][0025]
其中，r为系统码率，sf为扩频因子，c(eb/n0)表示比特信噪比下的信道容量。
[0026]
在本发明的一个实施例中，所述步骤5包括：
[0027]
取系统码率r＝c(eb/n0)/sf，得到信噪比eb/n0与系统码率的关系图，在所述关系图中，取最小信噪比对应的系统码率作为最佳码率。
[0028]
在本发明的一个实施例中，所述步骤6包括：
[0029]
将所述最佳码率作为hamming码、bch码、rs码、turbo码、ldgm码和ldpc码的码率，仿真得到hamming码、bch码、rs码、turbo码、ldgm码和ldpc码在相同误码率条件下的信噪比，选择信噪比最低的编码方案作为最佳编码方案。
[0030]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0031]
1、根据编码非相干lfm系统的信道容量与信噪比及编码码率之间的关系，仿真发
现了不同扩频因子下该系统在码率接近于0.5时达到了相应的信噪比门限。由此可知，可以通过本发明的选择方法选择最合适的编码方案对非相干lfm系统进行编码，以此能够更有效的进行编码。
[0032]
2、仿真结果表明，在码率等于或接近0.5下，与hamming-lfm方案相比，turbo-lfm和ldpc-lfm方案均获得了5db以上的性能增益。通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
[0033]
图1为本发明实施例提供的一种基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法的流程示意图；
[0034]
图2为本发明实施例提供的一种编码非相干lfm系统模型示意图；
[0035]
图3为本发明实施例提供的一种编码非相干lfm系统中信噪比与编码码率之间的关系图；
[0036]
图4为本发明实施例提供的一种五种编码非相干lfm系统的性能比较图。
具体实施方式
[0037]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0038]
实施例一
[0039]
请参见图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法的流程示意图，图2为本发明实施例提供的一种编码非相干lfm系统模型示意图，本发明提供一种基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法，该基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法包括步骤1-步骤5，其中：
[0040]
步骤1、根据非相干lfm系统的信道转移概率得到非相干lfm系统的理想度量。
[0041]
具体地，对于非相干lfm系统，其信道转移概率可以表示为：
[0042][0043]
其中，p(rk|dk＝q)为信道转移概率，rk为第k个符号周期内的接收信号序列，rk＝{rk(l),l＝0,1,...,m-1}，rk(l)为第k个符号周期内，基于啁啾速率(即b)采样的第l个啁啾对应的接收信号，m为正交啁啾数，m＝2
sf
，rk(q)为第k个符号周期内传输数据符号为q的dft结果，q＝0,1,...,m-1，dk为传输的十进制符号，i0(
·
)为第一类零阶修正贝塞尔函数，为噪声方差，k＝0,1,...,n-1，n为传输的数据符号长度。
[0044]
对于非相干lfm系统，根据非相干lfm系统的信道转移概率，可得理想度量，理想度量即为：
[0045]
步骤2、根据非相干lfm系统的理想度量得到非相干lfm系统的信道容量。
[0046]
具体地，对于非相干lfm系统，利用理想度量得到其信道容量c，信道容量c为：
[0047][0048]
其中，为求期望操作。
[0049]
步骤3、根据非相干lfm系统的信道容量得到信噪比eb/n0与es/n0的换算关系。
[0050]
具体地，利用信道容量c，可以得到信噪比eb/n0与es/n0之间的换算关系，即：
[0051][0052]
其中，es为符号能量，eb为比特平均能量，n0为噪声单边功率谱密度。
[0053]
步骤4、根据信噪比eb/n0、信道容量、扩频因子确定系统码率需要满足的要求，系统码率r要满足：
[0054][0055]
其中，c(eb/n0)表示比特信噪比下的信道容量。
[0056]
步骤5、根据系统码率得到最佳码率。
[0057]
在一个具体实施例中，步骤5可以具体可以包括：
[0058]
取系统码率r＝c(eb/n0)/sf，得到最小信噪比eb/n0与系统码率的关系图，在关系图中，取最小信噪比对应的系统码率作为最佳码率，例如如图3所示。
[0059]
具体地，取系统码率r＝c(eb/n0)/sf，假设传输带宽为b。考虑不同的扩频因子sf，利用蒙特卡洛(monte-carlo)仿真，得到信噪比与系统码率的关系图，信噪比为横坐标，系统码率r为纵坐标，之后将信噪比与系统码率的关系图中最小信噪比对应的系统码率r作为最佳码率。
[0060]
步骤6、级联非相干lfm系统，根据最佳码率从hamming码、bch码、rs码、turbo码、ldgm码和ldpc码选出最佳编码方案。
[0061]
在一个具体实施例中，步骤6可以具体可以包括：
[0062]
将最佳码率作为hamming码、bch码、rs码、turbo码、ldgm码和ldpc码的码率，仿真得到hamming码、bch码、rs码、turbo码、ldgm码和ldpc码在相同误码率条件下的信噪比，选择信噪比最低的编码方案作为最佳编码方案。
[0063]
具体地，选取最佳码率码率，考虑hamming码、bch码、rs码、turbo码、ldgm码和ldpc
码在内的六种编码方案，利用monte-carlo仿真比较这六种编码方案级联非相干lfm系统的性能，从而选出最佳的编码方案。
[0064]
为了进一步说明本发明的有益效果，下面通过仿真实验进行对比说明。
[0065]
仿真1：
[0066]
1.1仿真条件
[0067]
考虑调制方式为lfm调制，扩频因子sf分别为5、7、9和11，对应的正交啁啾数m分别为32、128、512和2048，传输带宽b＝125khz。
[0068]
1.2仿真结果及分析
[0069]
图3给出了编码非相干lfm系统中信噪比与编码码率之间的关系图。
[0070]
图3中以圆形标记的曲线表示在扩频因子sf＝5下，编码非相干lfm系统中信噪比与编码码率之间的关系曲线。
[0071]
图3中以菱形标记的曲线表示在扩频因子sf＝7下，编码非相干lfm系统中信噪比与编码码率之间的关系曲线。
[0072]
图3中以三角形标记的曲线表示在扩频因子sf＝9下，编码非相干lfm系统中信噪比与编码码率之间的关系曲线。
[0073]
图3中以方形标记的曲线表示在扩频因子sf＝11下，编码非相干lfm系统中信噪比与编码码率之间的关系曲线。
[0074]
由图3可以看出，对于编码非相干lfm系统，这四种扩频因子下系统码率r与信噪比eb/n0之间的关系呈“c”型。显然当系统码率r≈0.5时，这四种扩频因子所对应的信噪比eb/n0都达到了最低。
[0075]
仿真2：
[0076]
2.1仿真条件
[0077]
考虑hamming码、bch码、rs码、turbo码、ldgm码和ldpc码在内的六种编码方案。在仿真中，采用(7,4)hamming码、(511,250)和(1023,513)bch码、(127,64)rs码、(768,384)turbo码和ldpc码以及(800,400)ldgm码。这些码的码率等于0.5或接近于0.5。lfm调制的扩频因子设置为sf＝13。对于hamming码、bch码和rs码级联lfm调制方案，所采用的解调方法为硬判决非相干解调方法，而对于turbo码、ldpc码和ldgm码级联lfm调制方案，所采用的解调方法均为软判决非相干解调方法。
[0078]
2.2仿真结果及分析
[0079]
当ber＝10-5时，目标信噪比不大于-26db即snr≤-26db。图4给出了这六种编码非相干lfm方案的误码性能。
[0080]
图4中以圆形标记的曲线表示在采用(7,4)hamming码下，编码非相干lfm方案的误码性能曲线。
[0081]
图4中以倒三角形标记的曲线表示在采用(511,250)bch码下，编码非相干lfm方案的误码性能曲线。
[0082]
图4中以三角形标记的曲线表示在采用(1023,513)bch码下，编码非相干lfm方案的误码性能曲线。
[0083]
图4中以五角星形标记的曲线表示在采用(127,64)rs码下，编码非相干lfm方案的误码性能曲线。
[0084]
图4中以菱形标记的曲线表示在采用(768,384)turbo码下，编码非相干lfm方案的误码性能曲线。
[0085]
图4中以方形标记的曲线表示在采用(768,384)ldpc码下，编码非相干lfm方案的误码性能曲线。
[0086]
图4中以圆点形标记的曲线表示在采用(800,400)ldgm码下，编码非相干lfm方案的误码性能曲线。
[0087]
由图4可以看出，除了hamming码级联lfm调制方案所需的实际信噪比远大于目标信噪比外，其它的编码级联lfm调制方案所需的实际信噪比都低于目标信噪比。具体来说，在ber＝10-5下，turbo码与ldpc码级联lfm方案所需的实际信噪比均约为-27.4db，且要优于ldgm码、rs码和bch码级联lfm调制方案0.7db到1db之间。同时考虑到联合解调与译码迭代的可能性以及硬件实现需求，可以从turbo码和ldpc码之间进行选择。
[0088]
1、根据编码非相干lfm系统的信道容量与信噪比及编码码率之间的关系，仿真发现了不同扩频因子下该系统在码率接近于0.5时达到了相应的信噪比门限。
[0089]
2、仿真结果表明，在码率等于或接近0.5下，与hamming-lfm方案相比，turbo-lfm和ldpc-lfm方案均获得了5db以上的性能增益。
[0090]
在发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0091]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征数据点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特征数据点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0092]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
技术特征：1.一种基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法，其特征在于，所述非协作式拓扑推断方法包括：步骤1、根据非相干lfm系统的信道转移概率得到所述非相干lfm系统的理想度量；步骤2、根据所述非相干lfm系统的理想度量得到所述非相干lfm系统的信道容量；步骤3、根据所述非相干lfm系统的信道容量得到信噪比e
b
/n0与e
s
/n0的换算关系，其中，e
s
为符号能量，e
b
为比特平均能量，n0为噪声单边功率谱密度；步骤4、根据所述信噪比e
b
/n0、所述信道容量、扩频因子确定系统码率需要满足的要求；步骤5、根据所述系统码率得到最佳码率；步骤6、根据所述最佳码率从hamming码、bch码、rs码、turbo码、ldgm码和ldpc码选出级联非相干lfm系统的最佳编码方案。2.根据权利要求1所述的基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法，其特征在于，所述信道转移概率为：其中，p(r
k
|d
k
＝q)为信道转移概率，r
k
为第k个符号周期内的接收信号序列，r
k
＝{r
k
(l),l＝0,1,...,m-1}，r
k
(l)为第k个符号周期内，基于啁啾速率采样的第l个啁啾对应的接收信号，m为正交啁啾数，m＝2
sf
，r
k
(q)为第k个符号周期内传输数据符号为q的dft结果，q＝0,1,...,m-1，d
k
为传输的十进制符号，i0(
·
)为第一类零阶修正贝塞尔函数，为噪声方差，k＝0,1,...,n-1，n为传输的数据符号长度。3.根据权利要求2所述的基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法，其特征在于，所述理想度量为：4.根据权利要求3所述的基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法，其特征在于，所述信道容量为：其中，c为信道容量，为求期望操作。5.根据权利要求1所述的基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法，其特征在于，所述e
b
/n0与所述e
s
/n0的换算关系为：
其中，c为信道容量。6.根据权利要求1所述的基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法，其特征在于，所述系统码率需要满足的要求为：其中，r为系统码率，sf为扩频因子，c(e
b
/n0)表示比特信噪比下的信道容量。7.根据权利要求6所述的基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法，其特征在于，所述步骤5包括：取系统码率r＝c(e
b
/n0)/sf，得到信噪比e
b
/n0与系统码率的关系图，在所述关系图中，取最小信噪比对应的系统码率作为最佳码率。8.根据权利要求1所述的基于节点位置未知的非协作式拓扑推断方法，其特征在于，所述步骤6包括：将所述最佳码率作为hamming码、bch码、rs码、turbo码、ldgm码和ldpc码的码率，仿真得到hamming码、bch码、rs码、turbo码、ldgm码和ldpc码在相同误码率条件下的信噪比，选择信噪比最低的编码方案作为最佳编码方案。
技术总结本发明涉及一种适用于非相干线性调频系统编码方案的选择方法，包括根据非相干LFM系统的信道转移概率得到非相干LFM系统的理想度量；根据理想度量得到非相干LFM系统的信道容量；根据信道容量得到信噪比E
技术研发人员：白宝明 夏家宝 路清雅 罗进 余忠洋 魏肖 张景
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司电子科学研究院
技术研发日：2022.05.10
技术公布日：2022/11/1
