信道编码的发展历程

LDPC码简介信道编码的发展历程•Hamming码•卷积码•循环码、BCH码•TCM(1982)•Turbo码、Turbo-like码(1974,1993)•LDPC码(1962,1996)•空时码(70年代的传输分集、1996)2020/1/203IntroductiontoLDPCcodesLDPCcodes:aclassoflinearblockcodeswithlow-densityparity-checkmatrices.Descriptions:GenerationmatricesParity-checkmatricesTannergraphs2020/1/204IntroductiontoLDPCcodes•TannerGraphFig1.DescriptionsofLDPCcodeswithParity-checkmatricesandTannergraphs101010101001010101100110010110011.1962年，Gallager的二元规则LDPC码:2.1974年,BCJR算法逐符号最大后验概率(MAP)译码3.1981年，Tanner图码4.1996年，Mackay和Neal在稀疏随机图上定义的LDPC码5.1996年，Sipser和Spielman的线性复杂度扩展图码6.1996年，Wiberg图包含隐含状态变量Pearl置信传播快速傅立叶变换BCJR前向/后向算法VA算法LDPC码的大数判决算法开尔曼(Kalman)滤波器空时码在未来无线通信中的应用主要内容•空时码提出的背景•空时码研究现状•三种基本的空时编码技术•空时码在3G中的应用•工作简介1空时码提出的背景-1未来移动通信系统的目标未来移动通信系统中的信道特点支持更高容量高质量的语音和数据传输20Mbps有更严重的码间干扰有更大的多谱勒频移通信终端在更高的移动速度下实现可靠传输香农信息理论的限制1空时码提出的背景-2针对速率问题针对抗衰落的问题多址方式的变化：TDMA、FDMA、CDMA信道编码技术——主要利用时间分集接收分集技术——主要利用空间分集调制方式的变化：高阶调制方式、OFDM解决上述问题的常用方法—单天线系统1空时码提出的背景-3针对速率问题方式：采用多天线阵系统依据：多天线阵的信道容量理论解决上述问题的一种新思路——多天线阵系统针对抗衰落的问题空时编码技术——同时利用时间分集和空间分集2空时码研究现状-基本思想图1接收天线等于发送天线空时系统的遍历信道容量2空时码研究现状-基本思想图2、空时编码系统示意图2空时码研究现状-基本思想拟解决的问题：在带宽有限的信道中实现信息的高速传输解决方法：a)利用空间传递冗余信息；b)利用多天线技术提供的并行信道传输信息带来的问题a)信道容量；b)发送信号设计；c)接收端信号检测2.空时码研究现状信道特性已知信道特性未知LST1996，BellUSTM2000BellSTBC1998,AT&TDSTM2000AT&T,2001BellSTTC1998,AT&T目前，STBC和LST(MIMO)已经被3Gpp协议采纳。3三种基本的空时编码技术•分层空时码(LSTC,LayeredSpace-TimeCode)•分组空时码(STBC,Space-TimeBlockCode)•网格空时码(STTC,Space-TimeTrellisCode)3.1分层空时码—编码算法•发展概况VLST、DLSTC(1996)↓ThreadedSTC(TSTC)(2001)ITNo.6↓WrappedSTC(WSTC)(2003)ITNo.63.1分层空时码—编码算法信道编码空时映射天线1天线2天线n调制器1调制器2调制器n图3LSTC编码器示意图3.1分层空时码—译码算法•ZF算法——性能最差，复杂度最低•MMSE算法•球包限算法•ML算法——性能最好，复杂度最大3.1分层空时码—优缺点•优点速率变化比较灵活速率随发送天线数线性增加•缺点分集较小，可认为是一种空间复用技术•结论与接近信道容量的二进制编码方式联合使用将是一种较好的应用方式。3.2分组空时码•发展概况1基于正交设计原理的正交STBCAlmouti(1998)↓Tarokh(1998)↓Liang(2003)(m+1)/2m,其中n=2m-1或2m2准正交STBC(2001)——以分集为代价换取速率3基于代数构造设计的非正交STBC(2002)3.2分组空时码—编码算法*1*2212xxxxCΡ22222222*22*11*3*3*22*11*3*33*1*23213xxxxxxxxxxxxxxxxxxCΡ3.2分组空时码—译码算法mjtjtjttjtjtccrccr12*1,2*2,11122,21,11211212,211,2*2*,111tmjijitmjjjjjccrr221212,221,1*2*,211tmjijitmjjjjjccrr3.2分组空时码—优缺点•优点编译码简单获得满分集•缺点速率损失无编码增益，可认为是一种分集技术3.3网格空时码—编码算法•发展概况STTCTarokh(1998)↓MTCMLin(2002)↓SOSTTCJafsrkhani(2003)•优化成对错误概率↓距离谱特性3.3网格空时码—编码算法T0T1调制调制0b1b图4、基于QPSK调制的4状态STTC编码器及对应状态转移图3.3网格空时码—译码算法•Viterbi译码算法——适用于非级连系统•MAP算法——适用于级连系统3.3网格空时码—优缺点•优点能够获得编码增益，性能好可获得满分集•缺点实现复杂度较大速率受限制3.4三种编码方式比较STTCSTBCLSTC速率bbitsn=2,bbitsn2bbitsnbbits分集nmnmnm复杂度最大最小4空时码在3G中的应用•发展概况STBC的应用LSTC的应用4空时码在3G中的应用—STBC0b1b2b3b0b1b2b3b2b1b3b0bAntenna1Antenna2图53G中STTD空时编码方式4空时码在3G中的应用—STBC随机交织STTD复用器XX天线1天线2STTDSTTD速率匹配信道编码扰码控制信息控制信息图63G中STTD应用方式—语音业务4空时码在3G中的应用—HSDPAAnt+1x扰码多码复用扩频码N扩频码1Nx图73G中HSDPA的解决方式之一——传统解决方式4空时码在3G中的应用—HSDPASTTDAnt1Ant2+STTDSTTD21,xx+扰码多码复用扩频码N扩频码121,xx*1*2,xxNNxx212,NNxx212,*12*2,NNxx图83G中HSDPA的解决方式之二—STTD方式4空时码在3G中的应用—HSDPA图93G中HSDPA的解决方式之三——LSTC解决方案扩频码1天线1天线n++扰码多码复用扩频码M扩频码2扩频数据扩频数据扩频数据第1组子信息第M组子信息导频序列1导频序列n数据流4空时码在3G中的应用—比较1AntTxtechniqueCoderateModulationDatarate(1,1)Conventional¾64QAM10.8Mbps(2,1)STTD¾64QAM10.8Mbps(2,2)Codere-use¾8PSK10.8Mbps(4,4)Codere-use½+8/9puncQPSK10.8Mbps码片速率3.84Mchips/sec扩频因子32chips/Symbol谱效率4.5informationbits/Symbol扩频码数N=20速率(3.84/32)*4.5*20=10.8Mbps05101520253010-310-210-1100FEREb/N0(dB)Conv(1,1)STTD(2,1)CR(4,4)CR(2,2)图10.平坦衰落信道下的性能，传输速率10.8Mbps终端速度3km/hr4空时码在3G中的应用—比较1AntTxtechniqueCoderateModulationDatarate(1,1)Conventional¾64QAM10.8Mbps(2,1)STTD¾64QAM10.8Mbps(4,4)Codere-use¾QPSK14.4Mbps(4,4)Codere-use¾8PSK21.6Mbps4空时码在3G中的应用—比较2码片速率3.84Mchips/sec扩频因子32chips/Symbol扩频码数N=20速率(3.84/32)*20=2.4Mbps(1,1)谱效率4.5informationbit/symbol(2,1)谱效率4.5informationbit/symbol(4,4)谱效率Q6informationbit/symbol(4,4)谱效率89informationbit/symbol05101520253010-310-210-1100FEREb/N0(dB)CR(4,4)14.4MbpsCR(4,4)21.6MbpsConv(1,1)10.8MbpsSTTD(2,1)10.8Mbps4空时码在3G中的应用—比较2图11.平坦衰落信道下的性能，终端速度3km/hr5工作简介•STTC——码性能的优化和设计——级连系统下的STTC构造——解决方案•LSTC——检测算法(MMSE、ML)•STBC——针对块衰落信道，提出一种多层STBC设计方法