信道编码的发展历程

1、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)2022-4-103Introduction to LDPC codes a class of linear block codes with low-density parity-check matrices.Descriptions:Generation matricesParity-check matricesTanner graphs2022-4-104

2、Introduction to LDPC codesFig1. Descriptions of LDPC codes with Parity-check matrices and Tanner graphs10101010100101010110011001011001 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的目标 未来移

3、动通信系统中的信道特点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 针对速率问题针对速率问题 针对抗衰落的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解决上述问题的常用方法单天线系统单天线系统1 空时码提出的背景-3 针对速率问题针对速率问题方式：方式：采用多天线阵系统依据：依据：

4、多天线阵的信道容量理论解决上述问题的一种新思路解决上述问题的一种新思路多天线阵系统多天线阵系统 针对抗衰落的问题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：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：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

5、道特性未知LST 1996，Bell USTM 2000 BellSTBC 1998, AT&TDSTM 2000 AT&T, 2001 BellSTTC 1998, 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, Layered Space-Time Code) 分组空时码(STBC, Space-Time Block Code) 网格空时码(STTC, Space-Time Trellis Code )3.1 分层空时码编码算法 发展概况 VLST、DLSTC (1996) Threaded

6、STC(TSTC) (2001) IT No.6 Wrapped STC(WSTC) (2003) IT No.63.1 分层空时码编码算法图3 LSTC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STBC Almouti(1998) Tarokh(1998) Liang(20

7、03)(m+1)/2m, 其中n=2m-1或2m 2 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*2212xxxxC22222222*22*11*3*3*22*11*3*33*1*23213xxxxxxxxxxxxxxxxxxC3.2 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*, 211tmjijitmjjjjjccrr3.2 分组空时码

8、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 STTC Tarokh(1998) MTCM Lin(2002) SOSTTC Jafsrkhani (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

9、码方式比较STTCSTBCLSTC速率b bitsn=2, b bitsn2 b bits nb bits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STBC0b1b2b3b0b1b2b3b2b1b3b0bAntenna 1Antenna 2图5 3G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6 3G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7

10、3G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HSDPASTTDAnt 1Ant 2+STTDSTTD21,xx+扰码多码复用扩频码 N扩频码 121,xx*1*2,xxNNxx212,NNxx212,*12*2,NNxx图8 3G中HSDPA的解决方式之二STTD方式4 空时码在3G中的应用HSDPA图9 3G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1

11、AntTx techniqueCode rateModulationData rate(1,1)Conventional64QAM10.8 Mbps(2,1)STTD64QAM10.8 Mbps(2,2)Code re-use8PSK10.8 Mbps(4,4)Code re-use + 8/9 puncQPSK10.8 Mbps码片速率 3.84 Mchips/sec 扩频因子 32chips/Symbol谱效率 4.5information bits/Symbol扩频码数 N=20速率 (3.84/32) * 4.5 * 20 = 10.8Mbps05101520253010-310-21

12、0-1100FEREb/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1AntTx techniqueCode rateModulationData rate(1,1)Conventional64QAM10.8 Mbps(2,1)STTD64QAM10.8 Mbps(4,4)Code re-useQPSK14.4 Mbps(4,4)Code re-use8PSK21.6 Mbps4 空时码在3G中的应用比较2码片速率 3.84 Mchips/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 4.5information bit/symbol (2,1) 谱效率 4.5information bit/symbol (4,4) 谱效率Q 6 information bit/symbol (4,4) 谱效率8 9 information bit/symbol 05101520253010-310-210-1100FEREb/N0