LDPC码在未来移动通信系统中的应用研究

摘要

信道编码技术是未来宽带移动通信系统中的关键技术之一。LDPC码具有逼近香农限的优异性能，是当前信道编码研究领域的一个热点。LDPC码从诞生到复苏，直至今日的几近成熟和应用，已经经历了近半个世纪，众多研究人员在其构造方法、编译码算法、硬件实现等领域进行了大量的研究工作，本论文主要针对LDPC码在未来移动通信系统中的应用问题展开了研究。 信道编码技术自诞生以来在短短的六十年间，已由最初简单的线性分组码发展到当今的具有超强纠错能力的turbo码和LDPC码，各种分析工具的发展使这些信道编码技术日趋完善，已经成为各种通信系统不可或缺的一部分。另一方面，移动通信系统也在短短的三十年间，由第一代模拟移动通信系统演进到第三代宽带移动通信系统，目前各机构已经在致力于第四代移动通信系统的研究工作。移动通信系统的突飞猛进离不开信道编码技术的发展，同时也为信道编码技术提供了发展的动力和展示其魅力的舞台。因此如何将信道编码技术与移动通信系统有机结合成为提高移动通信系统性能的关键问题之一。 OFDM技术是第四代移动通信系统的关键技术之一。在OFDM系统中，各子载波具有不同的频域响应，而非正则LDPC码编码比特也具有不同的特性，这就启发了根据OFDM系统的频域响应和非正则LDPC码编码的列重，在OFDM系统中对编码比特进行自适应比特分配的思想，利用LDPC码自身结构的特点，提高系统的误码性能。论文提出将列重较重的编码比特分配到轻度衰落的子载波上传输，而将列重较轻的编码比特分配到深度衰落的子载波上。类似的，在比特分配后进行子载波间的功率截取和重新分配，可以进一步提高系统的误码性能。论文提出固定被截取的子载波数在整个OFDM系统子载波数中所占的比例，最优截取比例通过密度演进来确定，并提出相应的两种功率重分配方案。 HARQ技术是信道编码和自动重传请求相结合的链路自适应技术，II型HARQ和III型HARQ在实际系统中应用较多。DP-HARQ协议是II型HARQ协议的一种，在多次重传中使用相同的编码器和译码器，硬件结构简单。论文针对DP-HARQ协议提出一种多层译码算法，充分利用了各重传码字的纠错能力，进一步提高DP-HARQ协议的吞吐量。RB-HARQ协议是III型HARQ的一种，吞吐量性能优异，但其需要大量的反馈信息，系统开销较大；sRB-HARQ协议在一定程度上克服了RB-HARQ协议系统开销大的缺点，但性能损失严重。论文提出一种基于校验式判决的III型HARQ协议，不仅吞吐量性能能够逼近RB-HARQ协议，而且系统开销较低。 PCGC是在turbo结构的唐发下诞生的、以LDPC码作为分量码的并行级联码，通常采用两个码率相同的正则码作为分量码。由于不同码率的码具有不同的特性，非正则码具有更灵活的结构和更好的渐进性能，论文提出采用不同码率的非正则LDPC码作为分量码，分量码的参数通过EXIT图或密度演进以及优化算法确定，优化了PCGC的结构，进一步提高了PCGC的误码性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明、通用英文缩略语

声明

第1章绪论

1.1论文研究背景

1.2信道编码技术简介

1.2.1信道编码技术的起源

1.2.2信道编码技术的早期发展

1.2.3逼近香农限的信道编码

1.3论文的主要工作及章节安排

第2章移动通信系统中的信道编码技术

2.1移动通信系统的发展历史和现状

2.2移动通信系统中的信道编码技术

2.2.1第一代模拟移动通信系统中的信道编码

2.2.2第二代数字移动通信系统中的信道编码

2.2.3第三代移动通信系统中的信道编码

2.2.4新一代移动通信系统中的信道编码

2.2.5信道编码在移动通信系统中的其它应用

2.3本章小结

第3章LDPC码基础

3.1 LDPC码基础

3.1.1 LDPC码的矩阵表示

3.1.2 LDPC码的二分图表示

3.1.3 LDPC码的最小码距特性

3.2 LDPC码校验矩阵的构造

3.2.1随机构造法

3.2.2基于数学理论的构造方法

3.2.3一种常用的随机构造方法——PEG构造法

3.3 LDPC码的编码

3.4 LDPC码的译码

3.4.1 LDPC码的硬判决译码算法

3.4.2 LDPC码的软判决译码算法

3.4.3各种改进的译码算法

3.5 LDPC码的密度演进

3.5.1离散域的密度演进

3.5.2密度演进的高斯近似

3.6 LDPC码在通信系统中的应用

3.6.1 LDPC码在通信系统中的应用

3.6.2 802.16e中的LDPC码

第4章基于列重排序的非正则LDPC码编码的OFDM系统比特分配

4.1 OFDM技术的基本原理

4.2基于列重排序的非正则LDPC码编码的OFDM系统

4.3系统性能分析

4.4数值仿真

4.5本章小结

第5章LDPC码编码的OFDM系统子载波功率截取与分配

5.1 LDPC码编码的OFDM系统子载波功率截取和分配

5.1.1固定比例功率截取方案：FR

5.1.2平均功率分配方案：APA

5.1.3反注水功率分配方案：IWFPA

5.2截取比例的计算和系统性能分析

5.2.1采用APA方案的最佳截取比例计算和性能分析

5.2.2采用IWFPA方案的最佳截取比例计算和性能分析

5.3数值仿真结果

5.4本章小结

第6章LDPC码编码的HARQ协议设计

6.1 HARQ协议与LDPC码编码的HARQ协议

6.2 LDPC码编码的DP-HARQ协议的多层译码算法

6.2.1 LDPC码编码的DP-HARQ协议

6.2.2 LDPC码编码DP-HARQ协议的多层译码算法

6.2.3采用多层译码算法的LDPC码编码DP-HARQ协议的密度演进分析和最佳打孔率计算

6.2.4数值仿真结果

6.2.5本节小结

6.3基于校验式判决的LDPC码编码的HARQ协议

6.3.1 LDPC码编码的RB-HARQ协议

6.3.2 LDPC码编码的sRB-HARQ协议

6.3.3基于校验式判决的HARQ协议

6.3.4数值仿真结果

6.3.5本节小结

第7章PCGC的优化和设计

7.1 PCGC简介

7.1.1 PCGC编码器

7.1.2 PCGC的译码

7.2 PCGC的分析方法

7.2.1 PCGC的EXIT图分析

7.2.2 PCGC的密度演进分析

7.3 PCGC参数的优化和设计

7.3.1基于EXIT图的PCGC优化搜索

7.3.2基于密度演进的PCGC优化搜索

7.4 PCGC的优化和设计结果

7.4.1基于EXIT图的PCGC优化结果

7.4.2基于密度演进的PCGC优化结果

7.5本章小结

第8章论文总结

8.1总结与贡献

8.2不足与展望

参考文献

作者在博士生期间的主要成果

致 谢