累积重复树（ART）码及其在OFDM系统中的性能研究

论文摘要

作为保障通信系统数据传输可靠性的技术,信道编码在通信和编码领域都占有重要地位,已成为无线通信系统中对抗信道噪声和干扰的-项不可或缺的标准技术。随着Turbo码的提出和LDPC码的重新发现,以RA码为代表的类Turbo码逐渐成为信道编码技术新的研究热点。类Turbo码是Turbo码和LDPC码的共同子集,它具有Turbo码编码简单,LDPC码译码简单等优点。类Turbo码同时具有出色的译码性能,是一种接近香农极限（Shannon limit）的好码。本文在深入分析RA码和CT码两种类Turbo码结构特点的基础上,提出了一种新型具有预编码性能的信道编码方案,称作累积重复树（ART）码,论文研究了ART码的基本性能,讨论了其在OFDM系统中的应用等。近年来类Turbo码成为信道编码领域的研究方向之一,论文首先归纳了类Turbo码的特点和基本定义,并分析了并行级联编码（PCC）结构能够产生字错误概率（WER）交织增益的条件,即分量码数目大于2个时产生交织增益,经典Turbo码只有2个分量码,因此没有WER交织增益。分析了类Turbo码的基本性质,重点对RA码和CT码等进行了深入研究,在此基础上,提出了新型信道编码方案,即ART码方案,将并行分量树码结构与串行重复码通过交织器串行连接,并在重复码前置累加器。分析表明,累加器能够带来相应的编码增益,起到预编码作用。研究了ART码的串行译码算法和并行置信传播BP迭代译码算法,通过理论分析和计算机仿真得出了ART码在加性高斯白噪声（AWGN）信道和瑞利（Rayleigh）衰落信道下的性能。仿真结果表明,无论在AWGN信道还是瑞利衰落信道,基于相同条件的ART码性能明显优于RA码和CT码等信道编码方案。对ART码的译码性能进行了分析讨论。由于实际的类Turbo码系统没有可用的最大似然译码（MLD）算法,主要讨论了类Turbo码的MLD性能界问题,包括基于Bhattacharyya系数的联合性能界（UB）和基于均匀交织器理论的严格性能界（TB）等,进而分析了ART码的重量分布（WD）问题,计算了ART码全体码字的输入输出重量枚举IOWE,以此可以对ART码MLD性能进行仿真分析。另外,讨论了ART码的BP迭代译码性能分析方法。研究了ART码的密度进化和优化设计方案。分析了适合ART码的密度进化方法,推导了离散密度进化DDE算法和高斯密度进化GDE算法,并得到了BP迭代算法成功译码的判决门限,根据理论分析和计算得到的判决门限选出了两组性能较好的ART码方案,即ART（3,1）码和ART（2,2）码。研究了ART码与OFDM调制相结合的无线传输方案。分析了基于离散傅立叶变换DFT的经典OFDM系统和基于离散小波变换DWT的改进WOFDM系统的优缺点,采用DWT的OFDM系统不需要循环前缀CP,因此提高了OFDM系统的频谱利用率和数据传输速率。分别给出了ART码基于DFT-OFDM系统和DWT-OFDM系统的信道编译码方案,并通过仿真分析了相关译码性能,仿真结果表明ART码在两种OFDM系统中性能出色。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 无线数字通信系统概述
• 1.2 信道编码理论及其最新进展
• 1.2.1 信道编码技术回顾
• 1.2.2 最新信道编码方案
• 1.3 OFDM系统特点与关键技术
• 1.3.1 OFDM系统特点
• 1.3.2 OFDM系统关键技术
• 1.4 论文研究的主要工作和结构安排
• 第2章 类TURBO码的基本原理
• 2.1 类Turbo码结构
• 2.2 字错误概率（WER）交织增益
• 2.3 因子图（FG）理论
• 2.3.1 因子图（FG）计算
• 2.3.2 Tanner图
• 2.3.3 Tanner-Wiberg图
• 2.4 典型类Turbo码方案
• 2.4.1 RA码与IRA码
• 2.4.2 重复m延迟（RmD）码
• 2.4.3 CT码与ICT码
• 2.5 本章小结
• 第3章 具有预编码结构的累积重复树（ART）码方案
• 3.1 树码构成
• 3.2 预编码性能分析
• 3.3 ART码方案
• 3.3.1 ART码的结构组成
• 3.3.2 交织器设计
• 3.4 译码算法研究
• 3.4.1 串行译码方案
• 3.4.2 并行BP迭代译码方案
• 3.5 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 ART码的译码性能分析
• 4.1 类Turbo码的性能界讨论
• 4.1.1 基于Bhattacharyya系数的联合性能界
• 4.1.1.1 Bhattacharyya距离
• 4.1.1.2 联合性能界（UB）讨论
• 4.1.2 严格性能界（TB）
• 4.2 ART码MLD性能分析
• 4.2.1 基于均匀交织器的性能分析
• 4.2.2 基于特殊交织器的近似
• 4.3 ART码BP迭代译码性能分析
• 4.3.1 外部信息转移图分析
• 4.3.2 SNR进化分析
• 4.3.3 密度进化（DE）分析
• 4.4 分析与讨论
• 4.5 本章小结
• 第5章 密度进化方法研究与ART码的优化设计
• 5.1 密度进化原理与使用条件
• 5.2 ART码密度进化方法
• 5.2.1 ART码密度进化过程
• 5.2.2 实现算法描述
• 5.2.2.1 DDE算法描述
• 5.2.2.2 GDE算法描述
• 5.3 分布对与ART码的优化设计
• 5.3.1 判决门限
• 5.3.2 ART码的优化设计
• 5.4 仿真结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 OFDM系统中的ART码编译码方案
• 6.1 OFDM系统基本原理
• 6.2 ART码在DFT-OFDM系统中的性能
• 6.2.1 基于DFT的OFDM系统模型
• 6.2.2 基于ART码的DFT-COFDM系统结构
• 6.2.3 性能仿真
• 6.3 ART码在DWT-OFDM系统中的性能
• 6.3.1 基于DWT的OFDM模型
• 6.3.2 基于ART码的DWT-COFDM系统结构
• 6.3.3 性能仿真
• 6.4 两类OFDM性能比较与结论
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 附录 缩略语表
• 致谢
• 攻读学位期间发表和录用的学术论文