協(xié)作傳輸系統(tǒng)中Polar碼編譯碼方法研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對高速無線數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的需求也越來越大。但是由于無線頻譜資源的日趨緊張，無線通信系統(tǒng)想要支持高速數(shù)據(jù)傳輸就必須充分而高效地利用有限的頻譜資源，這是未來無線通信技術(shù)亟待解決的關(guān)鍵問題。近年來的研究表明，協(xié)作通信已經(jīng)成為解決高速數(shù)據(jù)傳輸和大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋的關(guān)鍵技術(shù)。協(xié)作傳輸無線數(shù)據(jù)不僅能夠獲得空間分集增益，同時還能提高頻譜利用率以及系統(tǒng)容量。而中繼信道模型作為協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分更是得到了廣泛的研究。分布

2、式信道編碼技術(shù)是為適應(yīng)協(xié)作通信技術(shù)要求而產(chǎn)生的信道編譯碼技術(shù)。好的分布式信道編碼方案不僅實(shí)現(xiàn)簡單，而且可以在充分利用空間分集增益的基礎(chǔ)上獲得額外的編碼增益，還能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可靠性能。由此可見，具有性能優(yōu)異、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低的分布式信道編碼技術(shù)是協(xié)作通信系統(tǒng)中需要深入研究的一個核心問題。
　　基于信道極化現(xiàn)象，Polar碼(Polar Codes)被證明是一種可以達(dá)到端到端二元輸入離散無記憶信道(Binary-input Disc

3、rete Memoryless Channel, B-DMC)對稱信道容量的信道編碼方案。Polar碼作為一種結(jié)構(gòu)化的信道編碼技術(shù)，具有編碼復(fù)雜度和譯碼復(fù)雜度都較低，且譯碼性能不存在錯誤平層的優(yōu)異特性。因此，研究協(xié)作中繼系統(tǒng)中具有低復(fù)雜度的Polar碼編譯碼方法以及基于 Polar碼的高效協(xié)作傳輸協(xié)議以達(dá)到中繼系統(tǒng)容量具有重要的理論和實(shí)用價值。
　　本文將 Polar碼作為一種強(qiáng)有力的信道編碼技術(shù)，不僅分析了級聯(lián) Polar碼的實(shí)

4、際性能，還分別從理論和實(shí)際應(yīng)用兩個方面深入對在中繼系統(tǒng)中應(yīng)用 Polar碼的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。論文的主要貢獻(xiàn)如下：
　　第一，針對Polar碼比特錯誤率(Bit Error Rate, BER)性能收斂速度較慢以及低密度生成矩陣(Low-Density Generator Matrix, LDGM)碼存在高錯誤平層的問題，本文利用級聯(lián)編碼的思想，提出了一種將 Polar碼作為外碼，LDGM碼作為內(nèi)碼的串行級聯(lián)Polar-LDGM

5、(Serially-Concatenated Polar-LDGM, SCPL)碼方案。首先通過對Polar碼和LDGM碼錯誤平層性能的理論分析，得出了將高碼率的Polar碼作為外碼不僅可以保證SCPL碼性能的收斂速度，同時由于其優(yōu)異的錯誤平層特性，通過合理地設(shè)計(jì)也可使 SCPL碼不存在錯誤平層的重要結(jié)論。然后給出 SCPL碼的編碼方法以及基于 Tanner圖的消息迭代譯碼算法。最后通過合理地選擇 SCPL碼編碼設(shè)計(jì)參數(shù)（即內(nèi)外碼速率組

6、合以及內(nèi)碼碼重），驗(yàn)證了不同參數(shù)下BER性能的差異。與低密度奇偶校驗(yàn)(Low-Density Parity-Check, LDPC)碼和級聯(lián)Polar-LDPC碼相比，外碼碼長為N1、內(nèi)碼碼長為N的SCPL碼編碼復(fù)雜度僅為 O(N1logN1)+O(N)。仿真結(jié)果表明，SCPL碼具有逼近香農(nóng)限的性能，并且直到BER降到10-10也沒有出現(xiàn)錯誤平層。
　　第二，針對退化半雙工單中繼信道模型，根據(jù)信道極化現(xiàn)象，提出了一種基于Polar

7、碼的協(xié)作部分消息中繼轉(zhuǎn)發(fā)(Cooperative Partial Message Relaying, CPMR)傳輸協(xié)議。理論分析表明，在該模型中采用CPMR方案可以獲得漸進(jìn)達(dá)到中繼信道容量限的性能，并且推導(dǎo)出在連續(xù)取消(Successive Cancellation, SC)譯碼算法下平均分組錯誤概率的上界。針對CPMR方案在退化半雙工單中繼系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，首先分析了中繼系統(tǒng)容量限，闡釋了影響系統(tǒng)容量限的關(guān)鍵參數(shù)——時隙分配因子和中

8、繼節(jié)點(diǎn)與信源節(jié)點(diǎn)之間的距離。然后設(shè)計(jì)了一種基于Polar碼的聯(lián)合軟信息并行迭代干擾消除(Joint Iterative Soft Parallel Interference Cancellation, JISPIC)接收器。最后對有限碼長CPMR方案的可行性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。與單中繼系統(tǒng)中傳統(tǒng) LDPC碼方案相比，本文提出的方案繼承了Polar碼所具有的更低編譯碼復(fù)雜度的優(yōu)點(diǎn)，并且獲得了可以與LDPC碼相媲美的性能。
　　第三，針對

9、多中繼系統(tǒng)中非構(gòu)造性的隨機(jī)編碼方法編譯碼復(fù)雜度較高的問題，本文將單中繼系統(tǒng)中基于低復(fù)雜度 Polar碼的CPMR傳輸協(xié)議擴(kuò)展到多中繼系統(tǒng)中，中繼節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)下一個中繼節(jié)點(diǎn)或信宿節(jié)點(diǎn)需要的可靠消息靈活地轉(zhuǎn)發(fā)譯碼后的部分消息。根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)的部分消息與部分消息信息比特索引集合之間的對應(yīng)關(guān)系，圍繞兩種具有正交接收部件的退化多中繼網(wǎng)絡(luò)(Multiple-relay Network with Orthogonal Receiver Comp