（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）基于ir_harq系統(tǒng)的ldpc碼改進(jìn)譯碼方式研究.pdf

摘要 摘要 l d p c 碼的i rh a r q 方式 通過在重傳時增加校驗比特或?qū)π畔⒈忍卮蚩?兩種方式降低碼率 從而獲得糾錯能力更強(qiáng)的碼 由于重傳過程只需傳輸部分校 驗比特 相比其他h a r q 方式 l d p c 碼的i rh a r q 方式能夠得到更好的吞吐 量性能 但它同時要求l d p c 碼具有碼率兼容的特性 目前的研究主要集中在如 何構(gòu)造l d p c 碼方面 譯碼解決方案成為被忽視的問題 本文提出了一種基于i rh a r q 系統(tǒng)的l d p c 碼的改進(jìn)譯碼方法 3 盯原理指 出 在以比特的分組中出現(xiàn)錯誤比特的個數(shù)大于3 仃錯誤區(qū)間 的概率 e t 厶 1 1 因此 根據(jù)譯碼前后的誤比特率能夠計算出譯碼前后的錯誤比特 數(shù) 結(jié)果表明 一次譯碼之后 一幀中絕大部分的錯誤比特能夠被正確譯碼 如 何在重傳譯碼過程中利用已糾正比特所提供的有效信息成為提高重傳譯碼性能的 關(guān)鍵所在 本文對改進(jìn)后譯碼方法的具體實現(xiàn)進(jìn)行了研究 改進(jìn)譯碼方法由信道的信噪 比特性確定上次譯碼過程所能提供的信息量 從而確定加權(quán)系數(shù)以實現(xiàn)對上次譯 碼結(jié)果的有效利用 由于絕大多數(shù)錯誤比特在一次譯碼過程中都可以被糾正 在 重傳過程中使用新的初始軟信息相當(dāng)于對信息傳輸過程中的失真進(jìn)行了一定程度 的彌補(bǔ) 同時 l d p c 碼采用軟信息迭代譯碼 信道的信噪比特性是譯碼時必須 的參數(shù) 而加權(quán)系數(shù)與上次譯碼結(jié)果的乘法運(yùn)算和迭代譯碼的計算量相比微不足 道 因此 改進(jìn)譯碼方法在提高重傳譯碼性能 減少迭代次數(shù)的同時 并不會增 加譯碼器額外的復(fù)雜度 本文選用8 0 2 1 6 標(biāo)準(zhǔn)中的 2 3 0 4 1 9 2 0 l d p c 碼和 2 3 0 4 1 7 2 8 l d p c 碼作為糾 錯碼 在a w g n 信道下 采用b p s k 調(diào)制和停等協(xié)議 對新舊譯碼方法的吞吐量 和迭代次數(shù)進(jìn)行了比較 仿真結(jié)果表明 在信噪比相對較低的范圍內(nèi) 新的譯碼 方法可以使吞吐量提高2 2 0 新方法顯示了在低信噪比下的性能優(yōu)越性 而 在信噪比相對較高的范圍內(nèi) 新譯碼方法對吞吐量的提高并不明顯 但迭代次數(shù) 減少了5 2 0 關(guān)鍵字 l d p c 碼 i rh a r q 3 仃原理 b p 迭代譯碼 a b s t r a c t a b s t r a c t as p e c i a lt y p eo fl d p cc o d e s n a m e ds t r u c t u r e dr a t ec o m p a t i b l el d p c r cl d p c c o d ew i t hf l e x i b l ec o d er a t ea n dc o d es i z e si sp r o p o s e d b a s e do nt h e e s s e n t i a lf e a t u r eo ft h i sk i n do fl d p cc o d e i t si n c r e m e n t a lr e d u n d a n c yh y b r i da r o i sa l s op r e s e n t e d i tr e d u c e sc o d er a t eb yp u n c t u r i n gm e s s a g eb i t so re x t e n d i n gc h e c k b i t s a so n l yap a r to fc h e c kb i t sa r er e t r a n s m i t t e dd u r i n gr e t r a n s m i s s i o n t h i ss c h e m e c o u l dp r o v i d eb e t t e rt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c et h a nt h a to fo t h e rh a r qs c h e m e s h o w e v e r t h i ss c h e m er e q u i r e st h a tt h ef e ci sr a t ec o m p a t i b l ec o d e s t h ef o c u so f p e o p l e sr e s e a r c hh a sb e e no nh o wt ob u i l dt h er cc o d e s a n dt h ed e c o d i n gs c h e m ei s t h ea r e at ob ei g n o r e d 1 1 1 i sp a p e rp r o p o s e sa ni m p r o v e dd e c o d i n gm e t h o db a s e do ni rh a r qs c h e m e n l a tu s e sr a t e c o m p a t i b l el d p cc o d e sa st h ef e cc o d e s 3 0 p r i n c i p l ei n d i c a t e st h a ti f av a r i a b l exi sn o r m a l l yd i s t r i b u t e d 9 9 7 o ft h eo b s e r v a t i o n sf a l lw i t h i n3s t a n d a r d d e v i a t i o n so ft h em e a n t h a ti s b e t w e e n 一3 0 a n d 3 0 s oi ti sp o s s i b l et og e t t h en u m b e r so fe r r o rb i t sb o t l lb e f o r ea n da f t e l t h ed e c o d i n gp r o c e s sw i t ht h e b i t e r r o r r a t e b e r c o r r e s p o n d i n g l v a n dt h ec o m p u t i n gr e s u l ts h o w st h a tt h e r ea r e a l w a y sp a r t so fb i t sh a sb e e nd e c o d e dc o r r e c t l yd u r i n gad e c o d i n gp r o c e s sd e s p i t eo f w h e t h e rt h ed e c o d i n gi ss u c c e s s f u l h o wt om a k eg o o du s eo ft h ef o r m e rd e c o d i n g r e s u l t si si m p o r t a n tt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fr e t r a n s m i s s i o nd e c o d i n g t h i sp a d e l p r o p o s e si m p l e m e n t a t i o no fm i si m p r o v e dd e c o d i n gm e t h o d i n s t e a d o f 也ei n i t i a lr e l i a b i l i t i e so ft h ef i r s td e c o d i n gp r o c e s s t h ef i n a lr e l i a b i l i t i e sf r o mt h e p r e v i o u sd e c o d i n gp r o c e s sc o u l db es e l e c t e da st h ei n i t i a lr e l i a b i l i t i e so ft h ep r e v i o u s l y r e c e i v e db i t sd u r i n gt h el a t e s td e c o d i n g p r o c e s s a n dt h en e wd e c o d i n gm e t h o d c a l c u l a t e st h ep r i v i l e g ef a c t o rb yt h ep r o p e r t i e so ft h ec h a n n e l t h e nt h ef o r m e r d e c o d i n gr e s u l tc o u l db eu s e de f f e c t i v e l y a sm o s to fe r r o rb i t sh a v eb e e nc o r r e c t e d d u r i n gi a s td e c o d i n gp r o c e s s t h en e wd e c o d i n gm e t h o dg i v e sc o m p e n s a t i o nt ot h e d i s t o r t i o nw h i c ht h ec h a n n e lb r i n g st o m o r e o v e r t h ep r o p o s e ds c h e m ew i l ln o t i n c r e a s et h ec o m p l e x i t yo ft h ed e c o d e r c h o o s i n gb o t ht h e 2 3 0 4 1 9 2 0 a n d 2 3 0 4 1 7 2 8 l d p cc o d e sd e f i n e di nt h e 8 0 2 16s t a n d a r da st h ef e cc o d e s t h i sp a p e l s i m u l a t e st h ep e r f o r m a n c eo fn e wa n d 仃a d i t i o n a ld e c o d i n gm e t h o d su n d e ra w g nc h a n n e lw i t hb p s km o d u l a t i o na n d s t o p a n d w a i ts c h e m e a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tn e a r l y2 2 0 e n h a n c eo f t h r o u g h p u te f f i c i e n c yc o u l db eg o tw h i l e 舳i sc o m p a r a t i v e l yl o w e rw i t ht h en e w d e c o d i n gm e t h o d a n dd u r i n gt h ea r e aw h e r e 田v ri sc o m p a r a t i v e l yh i 曲 t h ee n h a n c e o ft h r o u g h p u te 盛c i e n c yi sn o ta p p a r e n t h o w e v e r t h ed e c r e a s eo fi t e r a t i v et i m e s r e a c h e st o5 2 0 a n dt h a tm e a n st h es a m et r e n do fs y s t e md e c o d i n gt i m e d e l a y k e y w o r d s l d p cc o d e i r h a r q 3 0 p r i n c i p l e b pd e c o d i n ga l g o r i t h m i i 圖目錄 圖2 1 圖2 2 圖2 3 圖2 4 圖3 1 圖3 2 圖3 3 圖3 4 圖3 5 圖3 6 圖3 7 圖3 8 圖3 9 圖4 1 圖4 2 圖4 3 圖5 1 圖5 2 圖5 3 圖5 4 圖5 5 圖5 6 圖5 7 圖5 8 圖5 9 圖5 1 0 圖5 1 l 圖5 1 2 圖5 1 3 圖5 1 4 圖5 1 5 圖5 1 6 圖5 1 7 圖5 1 8 圖6 1 圖6 2 圖6 3 圖目錄 二元線性 l k n 卷積碼編碼器 6 1 0 2 4 l d p c 碼雙向圖 8 并行級聯(lián)l d p c 碼編碼原理圖 9 碼字符號的聯(lián)合后驗概率分布雙向圖 1 4 s a w 停等協(xié)議原理圖 1 9 g b n 回退 步協(xié)議原理圖 2 0 s r 選擇重傳協(xié)議原理圖 2 0 三種h a r q 方式在a w g n 信道下的吞吐量 2 7 三種h a r q 方式在r a y l e i g h 信道下的吞吐量 2 7 三種h a r q 方式在a w g n 信道下的殘余f e r 2 8 三種h a r q 方式在r a y l e i g h 信道下的殘余f e r 2 8 t y p ei i ih a r q 最大重傳次數(shù)不同時在a w g n 信道下的吞吐量 2 9 t y p ei i ih a r q 最大重傳次數(shù)不同時在r a y l e i g h 信道下的吞吐量 2 9 碼長為1 4 0 0 碼率為0 7 1 4 3 的l d p c 碼的性能 3 3 信息比特穿孔的i rh a r q 方式原理圖 3 5 擴(kuò)展方式 直接增加校驗位 的i rh a r q 方式原理圖 3 6 各次重傳時基校驗矩陣圖示 4 4 碼率為5 6 的 2 3 0 4 1 9 2 0 l d p c 碼比特錯誤性能圖 4 8 碼率為5 6 的 2 3 0 4 1 9 2 0 l d p c 碼塊錯誤性能圖 4 8 碼率為5 6 的 2 3 0 4 1 9 2 0 碼兩種譯碼方法吞吐量比較 4 9 碼率為5 6 的 2 3 0 4 1 9 2 0 碼兩種譯碼方法迭代次數(shù)比較 5 0 碼率為5 6 的 2 3 0 4 1 9 2 0 碼采用傳統(tǒng)譯碼方法的收斂性 5 0 碼率為5 6 的 2 3 0 4 1 9 2 0 l d p c 碼采用改進(jìn)后譯碼方法的收斂性 5 1 碼率為3 4 的 2 3 0 4 1 7 2 8 a 碼的比特錯誤性能圖 5 2 碼率為3 4 的 2 3 0 4 1 7 2 8 a 碼的塊錯誤性能圖 5 3 碼率為3 4 的 2 3 0 4 1 7 2 8 a 碼采用兩種譯碼方法吞吐量比較 5 3 碼率為3 4 的 2 3 0 4 1 7 2 8 a 碼采用兩種譯碼方法迭代次數(shù)比較 5 4 碼率3 4 的 2 3 0 4 1 7 2 8 b 碼比特錯誤性能 5 5 碼率3 4 的 2 3 0 4 17 2 8 b 碼塊錯誤性能 5 5 碼率3 4 的 2 3 0 4 1 7 2 8 b 碼兩種譯碼方法吞吐量比較 5 6 碼率3 4 的 2 3 0 4 1 7 2 8 1 3 碼兩種譯碼方法迭代次數(shù)比較 5 6 各次重傳時校驗矩陣圖示 5 8 擴(kuò)展方式下兩種譯碼方法吞吐量比較 6 0 擴(kuò)展方式下兩種譯碼方法迭代次數(shù)比較 6 0 4 q a m 調(diào)制星座圖 6 5 1 6 q a m 調(diào)制星座圖 6 6 6 4 q a m 調(diào)制星座圖 6 9 v 圖目錄 圖6 4 圖6 5 圖6 6 圖6 7 圖6 8 圖6 9 圖6 10 圖6 1 1 圖6 1 2 圖6 1 3 自適應(yīng)調(diào)制編碼系統(tǒng)模型 7 0 q p s k 調(diào)制方式下兩種譯碼方法吞吐量比較 7 1 q p s k 調(diào)制下方式兩種譯碼方法迭代次數(shù)比較 7 1 1 6 q a m 調(diào)制方式下兩種譯碼方法吞吐量比較 7 2 1 6 q a m 調(diào)制方式下兩種譯碼方法迭代次數(shù)比較 7 2 6 4 q a m 調(diào)制方式下兩種譯碼方法吞吐量比較 7 3 6 4 q a m 調(diào)制方式下兩種譯碼方式迭代次數(shù)比較 7 3 2 3 0 4 1 9 2 0 碼三種調(diào)制模式下的碼塊性能 7 4 自適應(yīng)調(diào)制下兩種譯碼方法吞吐量比較 7 5 自適應(yīng)調(diào)制下兩種譯碼方法迭代次數(shù)比較 7 5 v i 表目錄 表2 1 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表6 1 表目錄 10 2 4 l d p c 碼校驗矩陣 8 5 6 碼率的碼校驗矩陣l i b 訛第1 1 2 列 4 2 5 6 碼率的碼校驗矩陣l l b 第1 3 2 4 列 4 3 3 4 碼率的碼a 校驗矩陣l i b 第1 1 2 列 4 3 3 4 碼率的碼a 校驗矩陣1 t l o 第1 3 2 4 列 4 3 3 4 碼率的碼b 校驗矩陣l i b 川 第1 1 2 列 4 3 3 4 碼率的碼b 校驗矩陣l i b 州 第1 3 2 4 列 4 4 調(diào)制編碼模式 一7 0 v 縮略語 英文縮寫 l d p c b p f e c a r q h a r q s a w g b n s r w g n b e r b l e r l l r a m c b p s k q a m 縮略語 英文全稱 l o w d e n s i t ypa r i t y c h e c k b e l i e fp r o p a g a t i o n f o r w a r de r r o rc o n t r o l a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t s t o pa n d t g ob a c kn s e l e c t i v er e p e a t a d d i t i v e 洲t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b l o c ke r r o rr a t e l o g a r i t h mo f l i k e l i h o o dr a t i o a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 中文釋義 低密度奇偶校驗 置信傳播 前向糾錯 自動請求重傳 混合自動請求重傳 停等 回退n 選擇重傳 加性白高斯噪聲 誤比特率 塊差錯率 對數(shù)似然比 自適應(yīng)調(diào)制與解調(diào) 二進(jìn)制相移鍵控 正交幅度調(diào)制 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果 據(jù)我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料 與我 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意 簽名 遺鱗雄 日期 沙 8 年b 月p 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文 的規(guī)定 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或 掃描等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 日期 加 g 年6 月f d 日 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 隨著無線通信的快速發(fā)展 對無線通信業(yè)務(wù)的需求從單一的低速話音業(yè)務(wù)轉(zhuǎn) 向各種多媒體業(yè)務(wù) 而各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方案都要求系統(tǒng)具有低殘留差錯率和高 吞吐量的特性 在有擾信道中提高信息傳輸質(zhì)量的常用方法是增加接收端的信噪 比或采用抗干擾技術(shù) 1 9 4 8 年香農(nóng)在他的著名論文 通信的數(shù)學(xué)理論 中指出 1 在有擾信道中 當(dāng)信息傳輸速率低于信道容量時 通過某種編譯碼方法隨著碼長 的增加能使誤碼率任意小 香農(nóng)指出 采用糾錯碼 2 是提高信息傳輸可靠性的一種重要手段 1 9 9 3 年 c b e n r o u a g l a v i e u x 和e t h i t i m a j s h i m a 提出了一種新的信道編碼方案 m l r b o 碼 3 j 由于t u r b o 碼很好地應(yīng)用了香農(nóng)信道編碼定理中的隨機(jī)性編 譯碼條件 從而獲得了幾乎接近香農(nóng)理論極限的譯碼性能 在深入研究t u r b o 碼原理的過程 中 1 9 9 6 年m a c k a y s p i e l m a n 和w i b e r g 幾乎同時發(fā)現(xiàn) g a l l a g e r 早在1 9 6 2 年提 出的低密度奇偶校驗 l o w d e n s i t yp a r i t y c h e c k l d p c 碉 a j t 4 胴具有比t u r b o 碼更低 的線性譯碼復(fù)雜度 并被證明在采用基于置信傳播b p b e l i e fp r o p a g a t i o n 迭代譯 碼算法的條件下具有逼近s h a n n o n 限的良好性能 使用在傳輸信息中加入校驗信息的前向糾錯 f o r w a r de r r o rc o n t r o l f e c 方式 可以很好地提高信息傳輸?shù)目煽啃?此外 傳統(tǒng)的差錯控制方式中還包括自動請 求重傳 a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a r q 方式 即在信息碼元中加入部分檢測信息 接收端檢測信息以確定傳輸碼元是否出錯 一旦出錯則要求發(fā)端重發(fā) 直到正確 傳輸為止 f e c 方案有恒定的通過量和時延 但它不必要的開銷卻減少了通過量 而a r q 雖然在誤碼率不是很高的時候可以得到理想的通過量 但它要產(chǎn)生可變 時延 不宜于提供實時服務(wù) 如果適當(dāng)結(jié)合兩種差錯控制方式 則f e c 和a r q 的缺點都能被有效克服 這種結(jié)合f e c 和a r q 的差錯控制方式稱為混合 a r q h y b r i da r q h a r q 方式 目前 l d p c 碼與h a r q 的結(jié)合有兩類方案 一是l d p c 碼與t y p ei ih a r q 技術(shù)結(jié)合 這種方案要求一幀中的全部比特都被重發(fā) 信道利用率不高 吞吐量 1 電子科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 較低 二是l d p c 碼與t y p ei i ih a r q 方式結(jié)合 即l d p c 碼的遞增冗余 h a r q i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c yh a r q i rh a r q 技術(shù) 主要通過擴(kuò)展和穿孔兩種 方式實現(xiàn) 擴(kuò)展方式是在前次譯碼不成功時 通過再發(fā)送更多的校驗比特和前次 發(fā)送的碼比特一起得到糾錯能力更強(qiáng)的碼率更低的碼 穿孔方式是通過減少信息 比特得到碼率更低的碼 由于重傳過程中只傳輸部分校驗比特信息 i rh a r q 可以保證很好的吞吐量特性 由于l d p c 碼的i rh a r q 技術(shù)要求l d p c 碼具有碼率兼容的特性 目前的 研究主要集中在如何構(gòu)造l d p c 碼方面 譯碼解決方案成為被忽視的問題 這個 問題不僅僅在l d p c 碼的i rh a r q 技術(shù)中被忽視 在其它糾錯碼 如t u r b o 碼 卷積碼 的i rh a r q 技術(shù)中也被忽視 糾錯碼碼與h a r q 的結(jié)合的i rh a r q 技 術(shù)由于每次傳送的都是部分比特 保留了原來傳輸?shù)谋忍?這個特點在譯碼中應(yīng) 該加以利用 即有效地利用前次傳輸比特的譯碼結(jié)果作為當(dāng)前譯碼的參考 在我們查閱的文獻(xiàn)中沒有關(guān)于各種糾錯碼的i rh a r q 技術(shù)譯碼解決方案 目前 關(guān)于l d p c 碼的專利國外共9 4 個 關(guān)于l d p c 碼一i rh a r q 的專利國外 共2 個 國內(nèi)關(guān)于l d p c 碼的專利有1 6 個 關(guān)于h a r q 的專利共8 個 專利 6 提出針對通信中信道的不同質(zhì)量采用不同的編碼方式 在初次傳送時用編 譯復(fù) 雜度相對較低的碼 譯碼不成功再重新用強(qiáng)有力的l d p c 碼進(jìn)行編碼傳送 以此 來實現(xiàn)h a r q 方式 專利 7 提出采用隨機(jī)l d p c 碼的穿孔方式實現(xiàn)h a r q 它 的實現(xiàn)方式和文獻(xiàn) 8 提出的思想是一致的 專利 9 提出一種基于不規(guī)則l d p c 碼 的h a r q 方式 在譯碼失敗后 優(yōu)先發(fā)送可靠度大的比特 重傳后采用傳統(tǒng)的等 增益合并和最大比合并 以上專利均沒有涉及重傳后譯碼的改進(jìn)技術(shù) 3 仃原理指出 在n 比特的分組中出現(xiàn)錯誤比特的個數(shù)大于3 盯錯誤區(qū)間 的 概率p t 厶 1 1 因此 由譯碼前后的誤比特率能夠計算出譯碼前后的錯誤比 特數(shù) 結(jié)果顯示 一次譯碼之后 一幀中約9 0 的錯誤比特能夠被正確譯碼 如 何在重傳譯碼過程中利用已糾正部分比特的信息成為提高重傳譯碼性能的關(guān)鍵問 題 本論文提出基于i rh a r q 方式下的一種l d p c 碼的改進(jìn)譯碼方法 改進(jìn)譯 碼方法由信道的信噪比特性來確定上次譯碼所能提供的信息量 并由此信息量確 定加權(quán)系數(shù)從而實現(xiàn)對前次譯碼結(jié)果的有效利用 由手l d p c 碼的迭代譯碼是軟 判決譯碼 信道的信噪比特性是譯碼時必須的參數(shù) 不需要額外提供 而加權(quán)系 2 第一章引言 數(shù)與上次譯碼結(jié)果的乘法運(yùn)算和迭代譯碼的計算量相比微不足道 所以改進(jìn)后的 譯碼方法在提高重傳譯碼性能 減少譯碼迭代次數(shù)的同時 并不增加譯碼器額外 的復(fù)雜度 1 2 論文結(jié)構(gòu)安排及主要成果 論文的結(jié)構(gòu)安排如下 第二章中首先對糾錯碼進(jìn)行簡單介紹 并給出l d p c 碼的定義和結(jié)構(gòu)特點 接著討論l d p c 碼的碼構(gòu)成方法 其中并行級聯(lián)l d p c 碼和半隨機(jī)l d p c 碼作為 碼率兼容碼 在第五章的仿真中還將進(jìn)一步討論 最后詳細(xì)說明l d p c 碼的迭代 譯碼原理和過程 第三章首先介紹自動重傳的三種協(xié)議 并提出衡量協(xié)議性能的評估標(biāo)準(zhǔn) 接 下來介紹三種類型的混合自動重傳h a r q 協(xié)議 并以t u r b o 碼對三種方式進(jìn)行性 能評估 論證t y p ei i ih a r q 比較另外兩種協(xié)議的優(yōu)越性 第四章首先提出譯碼改進(jìn)算法的理論依據(jù) 并介紹i rh a r q 的兩種實現(xiàn)方 式的原理方案 最后結(jié)合兩種方式介紹改進(jìn)譯碼方式的算法過程 第五章采用第二章中介紹的并行級聯(lián)l d p c 碼和半隨機(jī)l d p c 碼作為校驗 碼 在信息比特打孔和直接擴(kuò)展校驗位兩種i r 的實現(xiàn)方式下 在同樣的 harq 仿真條件下對改進(jìn)前后的兩種譯碼方法進(jìn)行仿真和對比 最后對仿真結(jié)果作出評 估和分析 第六章研究改進(jìn)后的譯碼方式在多階調(diào)制和自適應(yīng)調(diào)制中的應(yīng)用 第七章對全文進(jìn)行總結(jié) 并指出繼續(xù)進(jìn)行的相關(guān)研究工作和未來可能的研究 方向 3 電子科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 第二章l d p c 碼概述 由于通信信道固有的噪聲和衰落特性 信號在經(jīng)過信道傳輸?shù)竭_(dá)通信接收端 的過程中不可避免地會受到干擾而導(dǎo)致信號失真 通常需要采用差錯控制技術(shù)來 檢測和糾j 下由信道失真引起的信息傳輸錯誤 傳統(tǒng)的差錯控制技術(shù)一般分為f e c 和a r q 兩類 f e c 方式是發(fā)信端采用某 種在解碼時能糾正一定程度傳輸差錯的較復(fù)雜的編碼方法 使接收端在收到信碼 中不僅能發(fā)現(xiàn)錯碼 還能夠糾正錯碼 采用前向糾錯方式時 不需要反饋信道 也無需反復(fù)重發(fā)而延誤傳輸時間 對實時傳輸有利 但是糾錯設(shè)備比較復(fù)雜 本章將簡單介紹各種糾錯編碼方式 并詳細(xì)介紹l d p c 碼的編碼和譯碼方案 2 1 糾錯碼簡介 糾錯碼 2 的發(fā)展源自二十世紀(jì)四十年代末兩個幾乎同期進(jìn)行但相互獨立的工 程性研究工作 一是為解決噪聲中的可靠通信問題而進(jìn)行的研究 其創(chuàng)新性的代 表成果是香農(nóng)的具有存在性和概率性的無差錯編碼傳輸原理 因其蘊(yùn)含的隨機(jī)編 碼思想而促進(jìn)了數(shù)字通信的信號設(shè)計與編碼的工程技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用 二是為解決 消息存儲中少量比特差錯問題而進(jìn)行的研究 其創(chuàng)新性的代表成果是漢明 h a m m i n g 的具有構(gòu)造性和組合性的檢糾錯碼 因其蘊(yùn)含的組合學(xué)特性而由此促 使了 糾錯碼 這樣一個建立在代數(shù)與近世代數(shù) 組合數(shù)學(xué) 數(shù)論 計算數(shù)學(xué)等 數(shù)學(xué)門類基礎(chǔ)上的新的數(shù)學(xué)分支的誕生和發(fā)展 一個糾錯碼被稱為好碼通常是指當(dāng)碼長增大時最小碼距與碼長之比趨于常數(shù) 值 即在碼長增大時系統(tǒng)可糾正的差錯數(shù)同比例增長 從而可能以非零的碼率或 傳信率實現(xiàn)無差錯信息傳輸 在此意義上 糾錯碼的發(fā)展主線就是不斷以多種途 徑尋求好碼的構(gòu)造和與之相對應(yīng)的最佳譯碼方法 糾錯碼的研究和發(fā)展可以大致分為四個基本領(lǐng)域 1 碼限 碼或某一類碼的整體性能特性 2 碼構(gòu)造 具體碼或某一類碼的構(gòu)造和實現(xiàn) 3 譯碼 具體碼或某一類碼的譯碼及其相應(yīng)的糾檢錯性能 4 第二章l d p c 碼概述 4 碼的應(yīng)用 糾錯碼的多種研究途徑可表現(xiàn)為對糾錯碼的四個基本分類 1 分組碼與卷積碼 按消息分組與碼字分組的對應(yīng)關(guān)系是一對一還是多對 一分類 2 線性碼與非線性碼 按碼字集合是否線性空間分類 3 域碼與非域碼 按碼元集合是否代數(shù)域分類 4 漢明空間碼與非漢明空間碼 按碼是否漢明距離空間子集分類 2 1 1 線性分組碼 一個 刀 后 分組碼 是將信息按后個碼元劃為一段 通過編碼器變成長為 1 個 碼元的一組 將之作為h 忌 線性分組碼的一個碼字 二進(jìn)制的線性分組碼共有2 t 個碼字 2 個刀維數(shù)組組成g f 2 j 2 1 約 z 維線性5 三f z j 如果2 個碼字集合構(gòu)成了 一個k 維線性子空間 則稱它是一個f l 后1 線性分組碼 線性分組碼的編碼過程可以看作一個矢量和一個矩陣相乘的結(jié)果 c m g 2 一1 其中 g 是由k 個以維矢量 g o g g 構(gòu)成的矩陣 m 是信息序列 m o 鉑 一 c 是編碼得到的咒維編碼輸出 c o q 巳一l 矩陣g 稱為編碼生成矩陣 形式為 g g o 島 g k l 若 以 尼 線性分組碼屬于行維線性空間v 的一個子集 則在 z 維線性空間k 中 必存在一個維數(shù)為咒一七的對偶空間 樅 這個對偶空間中存在一個 以 刀一尼 線性 分組碼 它的生成矩陣可以是由一組基矢量 h h l h 樅一 構(gòu)成的矩陣記做 5 q 一 扣篡 電子科技人學(xué)碩士學(xué)位論文 i i h o h l h 一i i h i o h i i h i 一l 吃一 o吃一 1 1 吃一川 l 由對偶空間的定義 有g(shù) i t r o 或i i g7 o 因此對于f z k 1 分組碼中的任意一個碼字c 均有 c l i 7 0 7 2 2 其中 矩陣i i 為線性分組碼h k 1 的一致校驗矩陣 0 為全零矩陣 0 為零向量 h 矩陣被用來在接收端對式 2 2 進(jìn)行檢查 由此判斷接收到的矢量是否是一 個碼字 若乘積不為零矢量 則c 必然不是碼字集合c 中的一個碼字 2 1 2 卷積碼 卷積碼是由伊萊亞顛 e l i a s t 1 0 1 于1 9 5 5 首先提出來的 它充分利用了各碼組之 間的相關(guān)性 本組的信息元不但決定本組的校驗元 而且也參與決定以后若干組 的校驗元 同時在譯碼過程中 不僅從該時刻所收到的碼組中提取譯碼信息 而 且還利用以前或以后若干時刻收到的碼組來提取有關(guān)信息 消息輸 圖2 1 二元線性 刀 k 卷積碼編碼器 卷積碼由發(fā)送的信息序列通過一個線性的 有限狀態(tài)的移位寄存器產(chǎn)生 通 常 該移位寄存器由n 級 每級k 比特 和刀個線性的代數(shù)函數(shù)生成器組成 如圖 6 第二章l d p c 碼概述 2 一l 所示 二進(jìn)制數(shù)據(jù)移位輸入到編碼器 沿著移存器每次移動k 比特位 每一個 k 比特長的輸入序列對應(yīng)一個n 比特長的輸出序列 由圖2 1 可知 n 個輸出比特 不但與當(dāng)前的k 個輸入比特有關(guān) 而且與以前的f 一1 k 個輸入信息比特有關(guān) 整 個編碼過程可以看成是輸入信息序列與由移位寄存器和模2 和連接方式所決定的 另一種序列的卷積 參數(shù) 稱為卷積碼的約束長度 常把卷積碼記作 k n 1 它的編碼效率為足 k n 2 2l d p c 碼簡介 l d p c 碼是近年來信道糾錯編碼技術(shù)取得的最重要成果 它是一類可以用非 常稀疏的校驗矩陣或二分圖定義的線性分組糾錯碼 最初由g a l l a g e r 4 5 于1 9 6 2 年提出 亦稱g a u a g e r 碼 隨著計算機(jī)能力的增強(qiáng)和相關(guān)理論的發(fā)展 在三十多 年的沉寂之后 1 9 9 6 年l d p c 碼被m a c k a y 等 再發(fā)現(xiàn) 1 1 j 并被證明在采用基 于置信傳播b p 迭代譯碼算法的條件下具有逼近s h a n n o n 限的良好性能 其中 1 2 碼率的不規(guī)則l d p c 碼距離s h a n n o n 限僅為0 0 0 4 5 d b 1 1 h 1 5 j 是目前距s h a n n o n 限最近的糾錯碼 l d p c 碼的特點是 在許多場合下性能優(yōu)于t u r b o 碼 具有較大靈活性和較 低的差錯平底特性 描述簡單 對嚴(yán)格的理論分析具有可驗證性 譯碼復(fù)雜度低 于t u r b o 碼 l6 1 且可實現(xiàn)完全的并行操作 便于硬件實現(xiàn) 吞吐量大 極具高速 譯碼潛力 因此l d p c 碼能以最小的冗余代價改善整個系統(tǒng)的傳輸性能 設(shè)計優(yōu)良的l d p c 編 譯碼方案結(jié)合h a r q 差錯控制方式和自適應(yīng)調(diào)制的鏈 路自適應(yīng)技術(shù)成為目前具有廣泛應(yīng)用前景的一項技術(shù) 2 2 1l d p c 碼的定義 l d p c 碼由它的校驗矩陣定義 設(shè)碼長為 信息位為k 則碼校驗矩陣h 是 一個f n k x n 的矩陣 二元l d p c 碼的校驗矩陣h 要滿足以下四個條件 1 h 矩陣的每行有p 個 1 2 h 矩陣的每列有y 個 1 3 矩陣的任意兩行 或兩n f f i j 共同的 1 的個數(shù)不超過1 4 與碼長和h 矩陣中的行數(shù)相比較 p 和y 很少 l d p c 碼的校驗矩陣是稀 疏矩陣 該l d p c 碼一般表述為 y p 7 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 l d p c 碼的校驗矩陣對應(yīng)可用一個雙向圖表示 如圖2 2 所示 圖的下邊有 個節(jié)點 每個節(jié)點表示碼字的信息位 稱為信息節(jié)點 對應(yīng)于校驗矩陣各列 圖 的上邊有 一k 個節(jié)點 每個節(jié)點表示碼字的一個校驗集 稱為校驗節(jié)點 對應(yīng) 于校驗矩陣各行 與校驗矩陣中 1 元素相對應(yīng)的左右兩節(jié)點之間存在連接邊 邊兩端的節(jié)點稱為相鄰節(jié)點 每個節(jié)點相連的邊數(shù)稱為該節(jié)點的度數(shù) d e 鏟e e 每個信息節(jié)點與y 個校驗節(jié)點相連 稱該變量節(jié)點的度數(shù)為y 每個校驗節(jié)點與p 個信息節(jié)點相連 稱該校驗節(jié)點的度數(shù)為p 這種雙向圖中節(jié)點度數(shù)相同的l d p c 碼稱為規(guī)則l d p c 碼 雙向圖中節(jié)點度數(shù)不相同的l d p c 碼稱為不規(guī)則l d p c 碼 表2 1 1 0 2 4 l d p c 碼校驗矩陣 五恐毛 黽訖而黽焉五o z l llll0ooo0o 乞 10ool1loo0 z 3 0lo0l0 0 1l 0 z a 0ol00lol0l z 5 o00l0ololl 校驗節(jié)點 z 2z 3z 4z 5 x lx 2x 3 x 4x sx 6x x8x 9x 1 0 信息節(jié)點 圖2 2 1 0 2 4 l d p c 碼雙向圖 例如 1 0 2 4 規(guī)則l d p c 碼的校驗矩陣和雙向圖如表2 1 圖2 2 所示 信 息節(jié)點的度數(shù)為2 校驗節(jié)點的度數(shù)為4 8 第二章l d p c 碼概述 2 2 2l d p c 碼的結(jié)構(gòu)編碼 一個l d p c 碼可完全由其校驗矩陣確定 因而矩陣的結(jié)構(gòu)對碼的性能有決定 性的影響 g a l l a g e r 和m a c k a y 提出的構(gòu)造方法都是通過隨機(jī)方法構(gòu)造校驗矩陣 而隨機(jī)方法構(gòu)造的校驗矩陣沒有一定的結(jié)構(gòu)規(guī)律 具有高編碼復(fù)雜度 而正是這 種高編碼復(fù)雜度成為l d p c 碼應(yīng)用的 瓶頸 問題 為解決此問題 相繼有學(xué)者 提出用不同的代數(shù)方法構(gòu)造結(jié)構(gòu)l d p c 碼 以實現(xiàn)以下幾個目的 增大圖中的環(huán) 優(yōu)化不規(guī)則碼的節(jié)點分布 減小編碼復(fù)雜度 2 2 2 1 準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)l d p c 碼 令l d p c 碼的校驗矩陣h 為 e 1 h lh 2 h 2 3 其中子矩陣h 為循環(huán)矩陣 h 可由有限幾何方法 17 1 組合方法 1 8 和序列設(shè) 訓(xùn)1 9 1 等方法得到 這樣構(gòu)造的代數(shù)結(jié)構(gòu)l d p c 碼具有循環(huán)或準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu) 編碼非 常簡單 譯碼性能也很好 代數(shù)結(jié)構(gòu)l d p c 碼的缺點是碼參數(shù) 碼長和碼率 的選 擇沒有隨機(jī)碼靈活 通過矩陣行 列分解技術(shù)等能夠部分解決這個問題 2 2 2 2 并行級聯(lián)l d p c 碼 輸入信息d d i卜 叫子l d p c 碼編碼器l 卜 與 輸 i卜 叫子l d p c 碼編碼器2 卜 竺 出 叫子l d p c 碼編碼器s 卜 圖2 3 并行級聯(lián)l d p c 碼編碼原理圖 并行級聯(lián)l d p c p a r r a l l e lc o n c a t e n a t e dl d p cc o d e s p c l d p c 碼是 類特殊 的l d p c 碼 它是碼率對應(yīng)為 足 足 b 碼長對應(yīng)為 m 2 m 信息位 均為k 的s 個規(guī)則或不規(guī)則l d p c 碼并行級聯(lián)而成 其編碼原理如圖2 3 所示 9 電子科技人學(xué)碩 學(xué)位論文 圖2 3 中第f 個子l d p c 碼校驗矩陣為 h n 7 則相應(yīng)的 k p c l d p c 碼 的校驗矩陣為 h jh h o h j o h o o o h o o i i f o o o o o h 2 4 瓦甲 o 為釜零矩陴 p c l d p c 俏明碼率r 倆足卜瓦 頁1 i 1 1 馬 一1 r s 1 2 5 一 一j il 尺 r馬r 若以d 表示信息向量 p l p 2 p s 表示校驗向量 p c l d p c 碼的碼字表示為 c dp p p s 則有 h jh dp l o 2 6 l h jh i o i l d p p t o 2 7 l i i o h 計 1 h h o o o h oh o o h j o o h o h oo o h c t 0 2 8 p cl d p c 碼是碼率兼容碼 是速率可變的一組嵌套碼 編 譯碼時具有碼率 兼容性 不同碼率的一組碼可以使用相同的編碼器 在信道條件好時可使用碼率 較高的碼 在信道條件差時則可使用碼率較低的碼 碼率的變化不會額外增加系 統(tǒng)的復(fù)雜度 顯示了良好的優(yōu)越性能 可用于鏈路自適應(yīng)的信道編碼 2 2 2 3 半隨機(jī)l d p c 碼 將碼長為刀 信息位為k 的l d p c 碼校驗矩陣h 分解為兩個子矩陣 1 0 第二二章l d p c 碼概述 h h dh 2 9 其中 h d 是一個 z k x k 的矩陣 稱為信息位矩陣 采用隨機(jī)方法構(gòu)造 h 4 h 4 i j h j h d 十一i i j h o 卜i j 碡 h j f 工 h d 卜i 1 2 h d h i 2 h d i j h d j h 4 一1 3 h d n k j h j l j 1 五d i h j j h d n k i j h d 斤 七上 2 1 0 h p 是一個0 一尼 擰一k 的矩陣 稱為校驗位矩陣 是雙對角線形式的三角 子矩陣 具有如下形式 h p 1 oo 11o 0oo o 0 o 例如 一個8 x 8 的h p 矩陣是 h p oo 00 oo 1o 11 2 1 1 相應(yīng)地 將h 矩陣所對應(yīng)的碼矢量c 分解為對應(yīng)的校驗位向量c p 信息位向量 一 即有c c 4c p 奇偶校驗矩陣h 與碼向量c 之間有如下關(guān)系 h c r h j h p s h d c d h p c 2 1 2 給定任意一個信息位向量c d 可利用構(gòu)造出的校驗位矩陣h p 信息位矩陣 q h d砧 b 斗 礦 似 柑 0 o o o o o 1 l 0 0 0 o o 1 1 o o o o o l 1 o 0 o o o 1 1 0 o o o 0 l 1 o o o 0 o l 1 o o o o o 1 l o o o 0 o 0 1 0 0 0 0 o 0 0 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 h 4 以及映射矢量v 產(chǎn)生碼矢量c v 定義為方程 2 1 2 的解 i t p c p v h c 4 2 1 3 令 h i u u 是三角矩陣 式 2 1 3 運(yùn)算時取模2 和 則 c u v 2 1 4 先計算v 再利用式 2 1 4 轉(zhuǎn)換v 計算出c p 己知c j 構(gòu)造出h p 和t t d 利 用式 2 1 3 禾1 式 2 1 4 計算出的c p 可得到碼字向量c 值得注意的是 不一定采 用對i t p 求逆的方法來求得c 可直接對式 2 1 3 前一個等式采用高斯消去法求得 c p 使計算具有線性復(fù)雜度 同時 由于t t p 是雙對角的上三角矩陣 對于給定 的信息位向量c d 嘭 j l 2 k 根據(jù)式 2 9 和式 2 1 2 很容易求得校驗位向 量c p 只 江1 2 n k 七 a 嘭乃 2 1 5 j l n k 只 見一 嘭嘭 i 0 l m l 2 1 6 j i 式 2 11 中 i i p 矩陣的行 列重僅為2 需要對半隨機(jī)l d p c 碼進(jìn)行改進(jìn) 令i i p 為如下形式 h p io li o o io ii 2 1 7 其中 i 是m x m 單位矩陣 o 是m x m 全零矩陣 i t 由鼠x k m 階基矩陣和多個m m 階分量矩陣構(gòu)成 這兒s m n k k m k 基矩陣由 0 和 l 組成 分量矩陣為同構(gòu)矩陣 將基矩陣中元素為 l 的位置用不同分量矩陣代替 基矩 陣中元素為 0 的位置用m 朋全零矩陣代替 同時為進(jìn)一步簡化半隨機(jī)l d p c 碼的編碼 可對式 2 9 中的信息位矩陣h j 采 用結(jié)構(gòu)化編碼 得到結(jié)構(gòu)半隨機(jī)l d p c 碼 文獻(xiàn) 2 0 中就是使用該結(jié)構(gòu)的碼為信 道編碼 半隨機(jī)l d p c 碼校驗矩陣h 中子矩陣h p 采用式 2 1 1 和式 2 1 7 的雙對角形 式 使碼率 碼長的選擇具有很大的靈活性 1 2 第二章l d p c 碼概述 無論是半隨機(jī)l d p c 碼還是結(jié)構(gòu)半隨機(jī)l d p c 碼都是碼率兼容碼 事實上半 隨機(jī)l d p c 碼可以看成p c l d p c 碼的一個特例 若式