基于LDPC碼的鏈路自適應技術(shù)研究.pdf

1、有效性和可靠性是無線移動通信系統(tǒng)中的兩大矛盾，在頻帶資源日益緊缺的現(xiàn)代，如何在保證一定通信可靠性的前提下盡可能的提高系統(tǒng)有效性是通信領域科研工作者們奮斗的目標。 在可靠性方面，信道編碼是提高系統(tǒng)可靠性的有力手段，在眾多的信道編碼方案中，卷積碼、Turbo碼已經(jīng)在各種標準中占據(jù)主導地位，而目前一種性能非常接近Shannon限而可以實現(xiàn)的分組碼編碼方案-LDPC碼成為信道編碼領域內(nèi)新的寵兒，LDPC碼具有很強的糾錯抗干擾能力，當碼長

2、較長時，性能甚至可以優(yōu)于Turbo碼，是目前備受關(guān)注且具有廣泛應用前景的信道編碼方案。對LDPC碼本身的理論研究已經(jīng)從多個方面展開，例如校驗矩陣構(gòu)造、譯碼方法簡化、性能分析等，LDPC碼與其他技術(shù)相結(jié)合也是研究者們關(guān)注的焦點，例如LDPC碼與MIMO、OFDM以及HARO的結(jié)合，其應用也大大促進了對LDPC碼本身的研究，并由此引出了對速率靈活可變的速率兼容LDPC碼的研究。 在有效性方面，鏈路自適應是一種可以有效提高系統(tǒng)頻帶利用

3、率的技術(shù)，“自適應”的概念含義非常廣泛，既包括時域上的功率控制、自適應編碼調(diào)制，頻域上的動態(tài)子載波分配，也包括空間上的天線選擇及天線上的能量分配，當然，以上各項的結(jié)合是“自適應”在空時頻域更加復雜的實現(xiàn)方式，總的來說，其基本思想是根據(jù)信道狀態(tài)的優(yōu)劣動態(tài)的調(diào)整發(fā)射參數(shù)，最大限度的利用信道容量。自適應技術(shù)近年來被廣泛應用于無線通信系統(tǒng)中，因此采用LDPC碼作為分量碼的鏈路自適應系統(tǒng)可以在保證一定傳輸質(zhì)量的前提下更大程度地利用頻帶資源，具有較

4、高的研究價值。 本文首先對低密度校驗碼的構(gòu)造和理論分析進行了研究，主要內(nèi)容涉及速率兼容LDPC碼校驗矩陣的構(gòu)造、外信息傳遞理論及LDPC編碼調(diào)制系統(tǒng)等方面。在此基礎上，將LDPC碼與鏈路自適應技術(shù)相結(jié)合，并擴展到多天線信道情況下，以達到系統(tǒng)有效性與可靠性的同時提高。本文主要工作和創(chuàng)新點如下： 1、提出一種新的刪除方法來構(gòu)造速率兼容LDPC碼。本工作從兩個方面入手： 一方面，詳細研究了LDPC碼的構(gòu)造方法，包括19

5、62年Gallger最初提出LDPC碼的構(gòu)造方法、30年后MacKay重新發(fā)現(xiàn)LDPC碼優(yōu)異性能的構(gòu)造方法以及Hu提出的PEG方法，通過比較，選擇了目前構(gòu)造中等碼長LDPC碼的最佳方法——PEG方法作為本工作的基礎，它不僅性能可以超過MacKay構(gòu)造的LDPC碼，而且可以實現(xiàn)線性編碼。另一方面，深入研究了速率兼容LDPC碼的構(gòu)造方法，包括隨機刪除及最佳刪除，我們發(fā)現(xiàn)對于非規(guī)則LDPC碼來說，刪除度數(shù)低的變量節(jié)點對系統(tǒng)性能的影響最小，而P

6、EG方法構(gòu)造的列重增加校驗矩陣中變量節(jié)點按照度數(shù)高低進行排列，因此我們以PEG算法為基礎構(gòu)造LDPC母碼，提出一種順序刪除方法，該方法易于實現(xiàn)并且能夠產(chǎn)生與隨機刪除性能相似的速率兼容LDPC碼，該刪除方法適用于不同碼長的母碼，并可以產(chǎn)生任意碼率的高速率碼。 2、針對利用外信息轉(zhuǎn)移圖(EXIT圖)優(yōu)化非規(guī)則LDPC碼的度數(shù)分布，提出改進的優(yōu)化算法。EXIT圖是分析LDPC碼譯碼門限及優(yōu)化其度數(shù)分布的有力工具，而且比密度進化與高斯

7、近似更加方便簡潔。我們首先將迭代譯碼進行建模，并以重復碼為例詳細介紹了EXIT的計算原理，然后擴展到LDPC碼，由于LDPC碼可以看作是一個重復碼與奇偶校驗碼的串聯(lián)，因此我們將LDPC碼譯碼器分解開來，看作變量節(jié)點譯碼器與校驗節(jié)點譯碼器的串聯(lián)，將LDPC碼的迭代譯碼看作兩個分量譯碼器之間外部信息的傳遞，通過將兩個譯碼器的輸入輸出曲線進行比較來分析LDPC碼的譯碼門限或者進行度數(shù)分布的優(yōu)化。在進行度數(shù)分布的優(yōu)化時，往往固定校驗節(jié)點的度數(shù)來

8、優(yōu)化變量節(jié)點的度數(shù)，我們提出將兩者進行聯(lián)合優(yōu)化，構(gòu)造出的LDPC碼更加接近信道容量。 3、提出一種新的LDPC編碼調(diào)制方案，并采用EXIT圖從理論上驗證了新方案的優(yōu)越性。非規(guī)則碼具有內(nèi)在的不等錯誤保護特性，度數(shù)高的變量節(jié)點性能要優(yōu)于度數(shù)低的變量節(jié)點，由此受到啟發(fā)，除了其內(nèi)在的不等錯誤保護特性，我們提出通過外在的調(diào)制方法來加強這種不等錯誤保護。在信息傳輸過程中，信息比特攜帶的信息量遠遠大于校驗比特的信息量，因此提出利用不同大小的調(diào)

9、制星座圖對信息比特及校驗比特進行不同程度的保護，計算機仿真結(jié)果表示，與具有相同頻帶利用率的傳統(tǒng)調(diào)制方案相比，新方案的誤碼率性能得到很大提高，并且不僅適用于非規(guī)則LDPC碼還適用于規(guī)則LDPC碼。在實驗的基礎上，我們又利用EXIT圖這一理論工具從信息傳遞的角度分析了新方案的優(yōu)越性，并指出對于規(guī)則LDPC碼，不能僅僅依靠LDPC碼的整體EXFT圖來判斷碼的性能優(yōu)劣，信息比特與校驗比特各自的EXIT曲線也是重要的判斷依據(jù)。 4、提出

10、基于LDPC碼的自適應編碼調(diào)制系統(tǒng)，找到LDPC碼與自適應編碼調(diào)制相結(jié)合的結(jié)合點，并研究了自適應LDPC編碼調(diào)制系統(tǒng)的性能及信道估計誤差對系統(tǒng)性能的影響。以lenna圖像作為信源信息，研究了自適應LDPC碼在圖像傳輸中的應用，在誤碼率與頻帶利用率之間取得了好的折中。以上研究工作只考慮到物理層的一些自適應技術(shù)，而忽略了在數(shù)據(jù)鏈路層中一種隱含的鏈路自適應技術(shù)——HARQ，為了進行通信系統(tǒng)各層的聯(lián)合優(yōu)化，我們以HARQ為突破點，向高層邁出了第

11、一步，提出基于速率兼容LDPC碼的AMC-HARQ系統(tǒng)，將物理層的自適應編碼調(diào)制技術(shù)與數(shù)據(jù)鏈路層的混合自動請求重傳技術(shù)相結(jié)合，用自適應編碼調(diào)制進行粗略的速率選擇，混合自動請求重傳進行精細的調(diào)整來實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化，研究了不同重傳次數(shù)對系統(tǒng)平均頻帶利用率的影響，并將系統(tǒng)由SISO信道擴展到MIMO信道中，同時采用STBC技術(shù)，研究了各種參數(shù)(包括收發(fā)天線個數(shù)、信道衰落參數(shù)、信道估計誤差等)對系統(tǒng)性能的影響，對跨層設計進行了初步的研究與探討。

12、 5、提出基于LDPC碼的自適應STBC系統(tǒng)，編碼調(diào)制方式不變，根據(jù)信道狀況以加權(quán)因子的方式動態(tài)分配各天線上的能量，即功率控制。首先系統(tǒng)的闡述了Alamouti最初提出的STBC編譯碼原理以及擴展到多天線接收時的譯碼方法，在此基礎上介紹自適應STBC的原理，以最大化接收端信噪比為目標，推導出最佳功率分配的方案，計算出加權(quán)因子的最佳取值，然后將LDPC碼與自適應STBC進行級聯(lián)，通過計算機仿真得到結(jié)果，驗證了理論上自適應技術(shù)帶來的增