无线通信系统中的LDPC码、Turbo码和空时编码的研究

论文摘要

多输入多输出（MIMO，Multiple-Input-Multiple-Output）链路系统能够显著地改善系统性能和提供信道容量，第四代无线通信中需要对因特网和各种多媒体服务提供高速率的数据传输和高质量的通信，因此如何在MIMO系统下利用高效的信号处理和信道编码技术来提供高速率高质量的数据传输越来越受到人们的关注。近年来，能有效抵抗信道衰落和提高信道容量的空时编码技术和高效的信道编码技术（如LDPC码，Turbo码）得到了迅速发展，成为无线通信领域编码理论的研究热点。本文研究了这些技术中的部分理论，主要体现在基于LDPC码的酉空时调制（Unitary Space-Time Modulation，USTM）方案和基于LDPC码的差分酉空时调制（Differential USTM，DUSTM）方案的两种级联的MIMO系统的迭代译码算法的研究，并利用高斯近似的密度进化理论对LDPCC-USTM的性能进行分析和LDPC码的优化设计以及快速Turbo码译码算法的研究。本文的主要及研究成果如下： 1、首先系统地阐述和分析了LDPC码基于图表示的定义和基于迭代思想的和积译码算法（又称为置信传播算法），给出了在概率差测度和对数似然比测度上的和积译码算法中变量节点和校验节点的消息更新公式，同时还研究了GF（q）（q＞2）的LDPC码的和积译码算法。并给出了基于GF（2p）（p≥1）规则和非规则LDPC码在高斯噪声信道下的仿真性能曲线图，分析讨论了不同码集的LDPC码性能差异的原因。 2、提出将高效的LDPC码与酉空时调制（USTM，Unitary Space-Time Modulation）技术相结合的级联方案的MIMO系统，并利用和积译码算法对系统进行译码。MIMO系统中采用酉空时调制可以在无CSI情况下能进行有效译码，将LDPC码与其级联可以而将LDPC码作为信道编码，系统将获得可观的编码增益。本文还将基于GF（2）的LDPC码与USTM的级联方案扩展到基于GF（q）（q＞2）的非二进制LDPC码。按符号对应一个酉空时信号来进行编码，和积译码过程中采用前向后向的算法来对校验节点的信息更新。仿真结果表明提出的方案具有优异的性能，二进制LPDC码编码的USTM方案比未编码有近23dB的编码增益，而由于非二进制LDPC码具有比二进制好的距离特性，非二进制LDPC码所级联的方案比二进制LDPC码要好近2dB的编码增益。同时本文还将提出的方案与Turbo码与USTM的级联方案进行了比较，发现在选择相同的酉空时信号集下提出的方案有近5dB的编码增益，由于LDPC码的并行译码特性，提出的方案比Turbo码具有更低的复杂度。 3、提出基于LDPC码编码的差分酉空时调制（DUSTM，Differential USTM）的MIMO系统。提出的系统中主要考虑了GF（q）（q＞2）的LDPC码与DUSTM的级联方案。根据差分酉空时调制本身具有延时单元的网格结构，对LDPCC-DUSTM方案分别研究了独立最大似然解

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contents
• 第一章 绪论
• 1.1 数字通信与信道编码
• 1.2 两类逼近Shannon限的码：Turbo码与LDPC码
• 1.2.1.Turbo码的提出与研究现状
• 1.2.2.LDPC码的发展历程与研究现状
• 1.3 空时编码的提出及研究现状
• 1.3.1 空时编码的提出
• 1.3.2.空时编码的研究现状
• 1.4 本文主要工作及安排
• 第二章 LDPC码及其和积译码算法
• 2.1 概述
• 2.2 LDPC码的定义
• 2.2.1.LDPC码的矩阵定义
• 2.2.2.LDPC码的二分图定义
• 2.2.3 非规则的LDPC码
• 2.2.4.非二进制LDPC码
• 2.3 概率域的LDPC码和积译码算法
• 2.3.1 二进制LDPC码的和积译码算法
• 2.3.2.非二进制LDPC码的和积译码算法
• 2.4 对数域的LDPC码和积译码算法
• 2.4.1.LLR测度的二进制LDPC码和积译码算法
• 2.4.2.LLR测度的非二进制LDPC码和积译码算法
• 2.5 仿真结果和性能分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于LDPC码的酉空时调制的MIMO系统
• 3.1 概述
• 3.2 MIMO系统模型
• 3.2.1.无CSI的MIMO系统模型
• 3.2.2.无SCI的MIMO系统的一些结论
• 3.3 酉空时调制（USTM）
• 3.3.1 酉空时调制的编码
• 3.3.2.酉空时调制的译码
• 3.4 二进制LDPC码编码的USTM系统及译码算法
• 3.4.1.LDPCC-USTM编码结构
• 3.4.2.LDPCC-USTM系统的迭代译码算法
• 3.4.3.仿真结果与性能分析
• 3.5 非二进制LDPC码编码的USTM系统及译码算法
• 3.5.1.非二进制LDPCC-USTM方案的编码
• 3.5.2 非二进制LDPCC-USTM系统的迭代译码算法
• 3.5.3.仿真结果与性能分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于LDPC码的差分酉空时码调制的MIMO系统
• 4.1 概述
• 4.2 差分酉空时调制（DUSTM）
• 4.2.1.DUSTM的编码
• 4.2.2.DUSTM的译码
• 4.3 LDPCC-DUSTM编码及独立的迭代译码算法
• 4.3.1.非二进制LDPCC-DUSTM编码结构
• 4.3.2 非二进制LDPCC-DUSTM编码结构的独立迭代译码算法
• 4.3.3.仿真结果与性能分析
• 4.4 LDPCC-DUSTM编码的联合迭代译码算法
• 4.4.1.LDPCC-DUSTM最大似然解调
• 4.4.2 LDPC码的和积译码算法
• 4.4.3 仿真结果与性能分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 一种快速的Turbo码译码算法
• 5.1 概述
• 5.2 Turbo码结构和译码分析
• 5.2.1.Turbo码编译码结构
• 5.2.2.Turbo码MAP迭代译码算法
• 5.3 改进后的译码算法
• 5.4 数值仿真和性能分析
• 5.5 本章小结
• 全文总结
• 附录A
• A.1 几种常用的信道模型
• A.1.1 加性高斯白噪声（AWGN）信道
• A.1.2 瑞利衰落信道
• A.2 MIMO衰落信道容量
• A.3 信号模型
• A.4 矩阵分析基础知识
• A.5 伽罗瓦域
• 图表目录
• List of Figures and Tables
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文情况
• 致谢