基于LDPC碼的鏈路自適應(yīng)技術(shù)研究.pdf

1、有效性和可靠性是無(wú)線移動(dòng)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(lǐng)域科研工作者們奮斗的目標(biāo)。 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(biāo)準(zhǔn)中占據(jù)主導(dǎo)地位，而目前一種性能非常接近Shannon限而可以實(shí)現(xiàn)的分組碼編碼方案-LDPC碼成為信道編碼領(lǐng)域內(nèi)新的寵兒，LDPC碼具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)抗干擾能力，當(dāng)碼長(zhǎng)

2、較長(zhǎng)時(shí)，性能甚至可以?xún)?yōu)于Turbo碼，是目前備受關(guān)注且具有廣泛應(yīng)用前景的信道編碼方案。對(duì)LDPC碼本身的理論研究已經(jīng)從多個(gè)方面展開(kāi)，例如校驗(yàn)矩陣構(gòu)造、譯碼方法簡(jiǎn)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(diǎn)，例如LDPC碼與MIMO、OFDM以及HARO的結(jié)合，其應(yīng)用也大大促進(jìn)了對(duì)LDPC碼本身的研究，并由此引出了對(duì)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(yīng)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(yīng)”的概念含義非常廣泛，既包括時(shí)域上的功率控制、自適應(yīng)編碼調(diào)制，頻域上的動(dòng)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(dāng)然，以上各項(xiàng)的結(jié)合是“自適應(yīng)”在空時(shí)頻域更加復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)方式，總的來(lái)說(shuō)，其基本思想是根據(jù)信道狀態(tài)的優(yōu)劣動(dòng)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(yīng)技術(shù)近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)中，因此采用LDPC碼作為分量碼的鏈路自適應(yīng)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?jī)r(jià)值。 本文首先對(duì)低密度校驗(yàn)碼的構(gòu)造和理論分析進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容涉及速率兼容LDPC碼校驗(yàn)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(chǔ)上，將LDPC碼與鏈路自適應(yīng)技術(shù)相結(jié)合，并擴(kuò)展到多天線信道情況下，以達(dá)到系統(tǒng)有效性與可靠性的同時(shí)提高。本文主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1、提出一種新的刪除方法來(lái)構(gòu)造速率兼容LDPC碼。本工作從兩個(gè)方面入手： 一方面，詳細(xì)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(guò)比較，選擇了目前構(gòu)造中等碼長(zhǎng)LDPC碼的最佳方法——PEG方法作為本工作的基礎(chǔ)，它不僅性能可以超過(guò)MacKay構(gòu)造的LDPC碼，而且可以實(shí)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(jī)刪除及最佳刪除，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于非規(guī)則LDPC碼來(lái)說(shuō)，刪除度數(shù)低的變量節(jié)點(diǎn)對(duì)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(yàn)矩陣中變量節(jié)點(diǎn)按照度數(shù)高低進(jìn)行排列，因此我們以PEG算法為基礎(chǔ)構(gòu)造LDPC母碼，提出一種順序刪除方法，該方法易于實(shí)現(xiàn)并且能夠產(chǎn)生與隨機(jī)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(zhǎng)的母碼，并可以產(chǎn)生任意碼率的高速率碼。 2、針對(duì)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(jìn)的優(yōu)化算法。EXIT圖是分析LDPC碼譯碼門(mén)限及優(yōu)化其度數(shù)分布的有力工具，而且比密度進(jìn)化與高斯

7、近似更加方便簡(jiǎn)潔。我們首先將迭代譯碼進(jìn)行建模，并以重復(fù)碼為例詳細(xì)介紹了EXIT的計(jì)算原理，然后擴(kuò)展到LDPC碼，由于LDPC碼可以看作是一個(gè)重復(fù)碼與奇偶校驗(yàn)碼的串聯(lián)，因此我們將LDPC碼譯碼器分解開(kāi)來(lái)，看作變量節(jié)點(diǎn)譯碼器與校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)譯碼器的串聯(lián)，將LDPC碼的迭代譯碼看作兩個(gè)分量譯碼器之間外部信息的傳遞，通過(guò)將兩個(gè)譯碼器的輸入輸出曲線進(jìn)行比較來(lái)分析LDPC碼的譯碼門(mén)限或者進(jìn)行度數(shù)分布的優(yōu)化。在進(jìn)行度數(shù)分布的優(yōu)化時(shí)，往往固定校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的度數(shù)來(lái)

8、優(yōu)化變量節(jié)點(diǎn)的度數(shù)，我們提出將兩者進(jìn)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(yàn)證了新方案的優(yōu)越性。非規(guī)則碼具有內(nèi)在的不等錯(cuò)誤保護(hù)特性，度數(shù)高的變量節(jié)點(diǎn)性能要優(yōu)于度數(shù)低的變量節(jié)點(diǎn)，由此受到啟發(fā)，除了其內(nèi)在的不等錯(cuò)誤保護(hù)特性，我們提出通過(guò)外在的調(diào)制方法來(lái)加強(qiáng)這種不等錯(cuò)誤保護(hù)。在信息傳輸過(guò)程中，信息比特?cái)y帶的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于校驗(yàn)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(duì)信息比特及校驗(yàn)比特進(jìn)行不同程度的保護(hù)，計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)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(duì)于規(guī)則LDPC碼，不能僅僅依靠LDPC碼的整體EXFT圖來(lái)判斷碼的性能優(yōu)劣，信息比特與校驗(yàn)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(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)，找到LDPC碼與自適應(yīng)編碼調(diào)制相結(jié)合的結(jié)合點(diǎn)，并研究了自適應(yīng)LDPC編碼調(diào)制系統(tǒng)的性能及信道估計(jì)誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響。以lenna圖像作為信源信息，研究了自適應(yīng)LDPC碼在圖像傳輸中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)技術(shù)——HARQ，為了進(jìn)行通信系統(tǒng)各層的聯(lián)合優(yōu)化，我們以HARQ為突破點(diǎn)，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(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)與數(shù)據(jù)鏈路層的混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳技術(shù)相結(jié)合，用自適應(yīng)編碼調(diào)制進(jìn)行粗略的速率選擇，混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化，研究了不同重傳次數(shù)對(duì)系統(tǒng)平均頻帶利用率的影響，并將系統(tǒng)由SISO信道擴(kuò)展到MIMO信道中，同時(shí)采用STBC技術(shù)，研究了各種參數(shù)(包括收發(fā)天線個(gè)數(shù)、信道衰落參數(shù)、信道估計(jì)誤差等)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，對(duì)跨層設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的研究與探討。

12、 5、提出基于LDPC碼的自適應(yīng)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(dòng)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(kuò)展到多天線接收時(shí)的譯碼方法，在此基礎(chǔ)上介紹自適應(yīng)STBC的原理，以最大化接收端信噪比為目標(biāo)，推導(dǎo)出最佳功率分配的方案，計(jì)算出加權(quán)因子的最佳取值，然后將LDPC碼與自適應(yīng)STBC進(jìn)行級(jí)聯(lián)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得到結(jié)果，驗(yàn)證了理論上自適應(yīng)技術(shù)帶來(lái)的增