低密度校验码在无线通信中的关键技术研究

论文摘要

从上个世纪90年代中期,低密度校验（Low-Density Parity-Check, LDPC）码重新获得人们的重视以来,LDPC码由于其优异的性能、线性解码复杂度等优点成为了业界的研究热点之一。与此同时,新一代无线移动通信系统需要在频率选择性衰落信道下提供很高的数据传输速率,并且要能够支持多个用户同时进行通信,从而需要提供强纠错能力的纠错码用以提高系统对抗信道噪声和衰落的性能。因此,在无线通信中的纠错码技术得到了人们的广泛关注。目前,新一代无线移动通信系统的关键技术包括:正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）、多天线（Multi-Input Multi-Output, MIMO）、自适应编码调制、多用户检测等。本文研究了LDPC码在无线通信中如何与这些关键技术相融合以进一步改善系统的性能。本文首先研究了采用删余LDPC码的比特交织编码调制（Bit-Interleaved Coded Modulation, BICM）技术,从系统的角度提出了采用删余LDPC码作为成员码的BICM系统方案。其中,删余模式的选择分别采用:通过优化算法确定的LDPC码的优化删余分布,和随机删余两种方案。本文对于系统在采用这两种删余方案时的性能进行了分析。由于实际的物理环境和信道的时变性,使得MIMO信道可能出现空时相关性。为了消除空时相关性对于级联LDPC码与空时分组码系统所造成的性能损失,本文提出一种新的空时解码器设计方案。该方案首先对于预处理信号进行干扰抑制,然后将LDPC码解码硬判决的调制符号作为发射符号的估计值,采用干扰消除算法以去除由于信道的时变特性所产生符号间串扰的影响。新解码器也由于LDPC码提供的分集而弥补了由于发射天线阵列和接收天线阵列的空间相关性所导致的性能损失。因此,新解码器对于信道的时变特性和天线阵列的空间相关性具有较强的鲁棒性。MIMO OFDMA是一种非常有竞争力的宽带无线多用户方案。本文针对频率选择性衰落信道提出了一种采用LDPC码的MIMO OFDMA系统方案。为了能够通过子载波在用户之间进行自适应分配以获得多用户分集从而进一步改善系统性能,本文对于该系统,在满足最大发射功率、用户误码率等约束条件下,以系统的数据传输速率最大为目标函数,推导出系统自适应子载波的分配准则。在此基础上,以及保证用户服务质量（Quality of Service, QoS）要求的前提下,提出一种新的子载波分配方案。对于该方案,首先按照得到的子载波分配准则在用户之间对于子载波进行初步分配,然后按照用户之间的公平性原则和代价最小原则提出了子载波在用户之间调整算法。新子载波分配方案不但能够满足用户的QoS要求,而且在子载波的分配过程中兼顾到了用户之间的公平性、系统资源的利用效率以及如何降低由于保证用户QoS而导致的性能损失。针对规则LDPC码,本文提出了两步比特翻转迭代解码算法。由于最终的翻转比特是通过两次筛选得到的,因此有效地降低了误翻的概率。同时,在第一步的翻转比特的初选过程中,本文综合码字比特的对数似然比和纠错伴随式,提出了新的翻转比特选择标准。仿真结果表明,新解码算法有着良好的性能,在解码运算复杂度和纠错性能之间提供了一个折中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 数字通信系统
• 1.3 LDPC 码
• 1.3.1 信道编码理论
• 1.3.2 LDPC 码的提出与发展
• 1.3.3 LDPC 码的定义与Tanner 图
• 1.3.4 LDPC 码的编码算法
• 1.3.5 LDPC 码的消息传递解码算法
• 1.3.6 LDPC 码的研究现状
• 1.4 无线通信中的关键技术
• 1.4.1 自适应编码调制
• 1.4.2 MIMO 技术
• 1.4.3 多载波调制
• 1.5 LDPC 码与无线通信系统的研究
• 1.6 本文研究内容及安排
• 2 采用删余LDPC 码的比特交织编码调制技术
• 2.1 引言
• 2.2 系统模型
• 2.3 系统的具体实现方案
• 2.3.1 LDPC 码次数分布对的优化
• 2.3.2 删余模式选择算法
• 2.3.3 成员码码率的选择准则
• 2.3.4 码字比特与调制符号的映射规则
• 2.3.5 成员LDPC 码删余模式的优化
• 2.4 性能分析
• 2.5 本章小结
• 3 在空时相关MIMO 信道中基于LDPC 码的空时解码方案
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型
• 3.3 基于LDPC 码的空时解码方案
• 3.3.1 传统空时解码方案在相关信道中的性能分析
• 3.3.2 新解码器的设计
• 3.4 仿真结果与分析
• 3.5 本章小结
• 4 采用LDPC 码的MIMO OFDMA 系统子载波分配
• 4.1 引言
• 4.2 系统模型
• 4.2.1 利用用户扩展分离码消除MUI
• 4.2.2 采用Turbo 原理优化系统的性能
• 4.2.3 仿真结果与分析
• 4.3 系统子载波分配
• 4.3.1 系统子载波的分配准则
• 4.3.2 保证QoS 的子载波分配方案
• 4.3.3 仿真结果和分析
• 4.4 本章小结
• 5 规则LDPC 码的两步比特翻转解码算法
• 5.1 引言
• 5.2 比特翻转解码算法的设计
• 5.2.1 系统模型和基本定义
• 5.2.2 解码算法的描述
• 5.3 仿真结果和分析
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文与主要科研成果
• 附录2 英文缩写对照表
• 附录3 数学符号说明