（通信与信息系统专业论文）ldpc码和空时编码在ofdm中的组合应用研究.pdf

南京邮电学院硕士学位论文摘要 摘要 纠错编码技术作为改善数字信道通信可靠性的一种有效手段，在数字通信的 各个领域中获得了极为广泛的应用。l d p c 码是近年来倍受关注的纠错码，最初 是由g a l l a g e r 发现并研究的，其关于迭代译码算法的介绍是最重要的创新，指 出了一条以低的译码复杂度就可以具有逼近仙农限的性能的编码之路。在沉寂了 3 0 年之后，随着m a c k a y 和n e a l 及w i b e r g 等人对l d p c 码的重新研究和扩充， 证明了l d p c 码在许多信道上均能非常接近信道容量。 正是由于l d p c 码具有编码增益高、译码速度快、性能逼近s h a n n o n 限的优点， 因此将它应用于o f d m ，能有效提高o f l 3 m 环境下的b e r 性能。 空时编码技术是近几年来在通信领域新兴的研究方向，它将信道编码技术与 天线分集技术相结合，为无线传输提供了分集增益和编码增益，为解决无线信道 的带宽问题提供了一条新的解决途径。 本文研究内容包括l d p c 编译码的仿真实现，以及空时编码的仿真实现，并 在o f d m 中将两种技术加以组合应用，构造出复杂的系统模型。通过仿真测算其 误比特率性能，证实了两种技术完全可以组合应用，并共同改善通信系统的性能， 为今后的应用提供了一种选择方寨。 南京邮电学院硕士学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t e r r o rc o r r e c t i o nc o d i n gt e c h n i q u e sh a v eo b t a i n e de n o r m o u sa p p l i c a t i o n si nt h e w h o l ea r e ao fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi sa ne f f i c i e n tm e a n so fi m p r o v i n gt h e c o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t yo fd i g i t a lc h a n n e l s l d p cc o d e sa r eo n eo ft h eh o t t e s t t o p i c si nc o d i n gt h e o r yt o d a y o r i g i n a l l yi n v e n t e db yg a l l a g e r , l d p cc o d e sa r e c a p a b l eo fp e r f o r m a n c ee x t r a o r d i n a r i l yc l o s et ot h es h a n n o nl i m i tw h e na p p r o p r i a t e l y d e c o d e d t h ei n t r o d u c t i o no fi t e r a t i v ed e c o d i n ga l g o r i t h mw a st h em o r ei m p o r t a n t i n n o v a t i o n a f t e r3 0y e a r s ，m a c k a y , n e a la n dw i b e r ge ta 1 r e d i s c o v e r e dl d p cc o d e s ， a n dt h e yh a v ep r o v e dt h a tl d p c c o d e s p e r f o r m a n c ei sv e r yc l o s et os h a n n o nl i m i ti n m a n yc h a n n e l s l d p cc o d e sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hc o d i n gg a i n s ，d e c o d i n g s i m p l ea n dp e r f o r m a n c ec l o s et os h a n n o nl i m i t t h e r e f o r et h e yc a ni m p r o v et h eb e r p e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e m ，w h i c hw i l lb e c o m et h ep h y s i c a ll a y e rt e c h n i q u eo f n e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t h et e c h n i q u eo fs p a c e t i m ec o d i n g ( s t c ) h a sb e e na d v a n c e dd r a s t i c a l l yi nr e c e n t y e a r s b yc o m b i n i n gt h et e c h n i q u eo fc h a n n e lc o d i n g a n dt h a to fd i v e r s i t y ，t h i s t e c h n i q u ec a i lg i v ed i v e r s i t yg a i na n dc o d i n gg a i ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i ti s i n t e n d e dt op r o v i d en e ws o l u t i o n st ot h ep r o b l e mo fl i m i t e db a n d w i d t h i nt h i sp a p e r ，ih a v ea c c o m p l i s h e dt h es i m u l a t i o no fl d p ce n c o d i n ga n d d e c o d i n g ，a n dt h es i m u l a t i o no fs p a c e t i m ec o d i n g s u b s e q u e n t l yb yt h ec o m b i n a t i o n o ft h et w ot e c h n i q u e si no f d m ，ih a v ec o n s t r u c t e das y s t e mm o d e l b ys i m u l a t i o nw e c a no b s e r v et h ep e r f o r m a n c eo fb e r ，w h i c hd e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h e c o m b i n a t i o no ft h et w ot e c h n i q u e si no f d m t h i sc a np r o v i d ean e ws c h e m ef o rt h e f u t u r e 2 南京邮电学院学位论文独创性声明 y 7 6 5 1 4 4 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名；导师签名： 日期 堕巫堕壁鲎堡堡主堂焦逭茎一一 一 苎二童堡堡 1 1 引言 第一章绪论 “当今无线技术的发展就如同20 年前个人电脑技术的发展那样突飞猛进， 令人难以跟上它的节奏。”i n t e r 副总裁兼首席技术官帕特基辛格如此描述无 线网络的崛起。 1 9 9 7 年8 0 2 1 1 标准的制定是无线局域网发展的里程碑。其定义了单的m a c 层和多样的物理层，先后推出了i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 l g 物 理层标准。1 1 b 标准采用c c k ( 补码键控) 扩频调制编码，数据传输速率达1 1 mb p s ， c c k 为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现非常困难。因此，8 0 2 1 l 工作组为了推动无线局域网的发展，又引入o f d m 技术。最近正式批准的1 l g 标准与1 1 a 样，采用o f d m 技术，数据传输速率可达5 4 m b p s 。 新的技术标准不断的推出，极大地推动了无线局域网的发展。下一代移动通 信的关键技术，如o f d m 技术，m i m o 技术、智能天线( s m a r ta n t e n n a ) ，l d p c ( 低 密度奇偶校验码) 、自适应技术和软件无线电s d r ( s o f td e f i n e dr a d i o ) 等，丌 始应用到无线局域网中，提升了w l a n 的性能。 m i m o 技术与o f d m 技术相结合是下一代无线局域网发展的趋势。m i m o 与o f d m 技术相结合，可以将无线通信的信号处理从时频分集扩展为时空频分集，进一步 分割信道为时空频f 交的子信道。研究表明，在瑞利衰落信道环境下，o f d m 系 统非常适合使用m i m o 技术提高容量。采用多输入多输出( m i m o ) 系统是提高频 谱效率的有效方法。多径衰落是影响通信质量的主要因素，但m i m o 系统却能有 效地利用多径的影响来提高系统容量。系统容量是干扰受限的，不能通过增加发 射功率来提高系统容量。而采用m i m o 结构不需要增加发射功率就能获得很高的 系统容量。 纠错编码技术作为改善数字信道通信可靠性的一种有效手段在数字通信的 各个领域中获得了极为广泛的应用。l d p c ( 低密度奇偶校验码) 是一类可以用非 常稀疏的p a r i t y c h e c km a t r i x ( 奇偶校验矩阵) 或b i p a r t i t eg r a p h ( 二分图) 定义的线性分组纠错码。因为l d p c 码具有编码增益高、译码速度快、性能逼近 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 s h a n n o n 限的优点，因此将它应用于o f d m ，能有效提高多径环境下o f d m 的b e r 性能。 1 2 正交频分复用( o f d m ) 技术 1 2 1 概述 o f d m 是由多载波调制( m c m ) 发展而来。美国军方早在上世纪的5 0 、6 0 年代 就创建了世界上第一个m c m 系统，在1 9 7 0 年衍生出采用大规模子载波和频率重 叠技术的o f d m 系统。但在以后相当长的段时间，o f d m 理论迈向实践的脚步放 缓了。由于o f d m 的各个子载波之间相互正交，采用f f t 实现这种调制，但在实 际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及 射频功率放大器的线性要求等因素都成为o f d m 技术实现的制约条件。后来经过 大量研究，终于在2 0 世纪8 0 年代，m c m 获得了突破性进展，大规模集成电路让 f f t 技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的困难也都得到了解 决，自此，o f d m 走上了通信的舞台，逐步迈入高速m o d e m 和数字移动通信的领 域。在各个子信道中的币交调制和解调可以采用i f f t 和f f t 方法实现。 2 0 世纪9 0 年代，o f d m 开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据 通信，数字音频广播( d a b ) 、高清晰度数字电视( h d t v ) 和无线局域网( w l a n ) 。 随着d s p 芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟 技术的应用，o f m d 技术的实现和完善指同可待。 1 2 2 原理 o f d m 技术是多载波( m u l t i c a r r i e f 。m c ) 传输技术的一种特殊形式，它能更有 效地使用系统的可用频谱。目| j f f ，人们已不再严格区分o f d m 与m c ，而是将它们 彼此视为同义词。o f d h 技术的基本思想是将高速数据流分解成多个低速数据流， 各个低速数据流在不同的子载波上并行传输。子载波上较低的传输数据速率实际 上意味着每个子载波信道都具有平衰落特性，因此o f d m 技术能够有效克服频率 选择性衰落所带来的不利影响，从而减少由于码问干扰( i s i ) 所带来的性能损 失。图1 - 1 给出了o f d m 系统的发射与接收框图。 2 南京邮电学院硕十学位论文 第一章绪论 o f d m 块 信遁噪声 黔 圈卜io f d 、| 系统的发射与接收框图 如图卜l 所示，o f d m 系统发射机端的逆离散傅立叶变换( tn v e r s eo is c r e z e f o u r i e rt r a n s f o r m ，i d f t ) 操作与接收机端的d f t 操作，分别是o f d m 调制器组 ( m o d u l a t i o nb a n k ) 与o f 洲解调器组( d e m o d u l a t i o nb a n k ) 的数字实现。 o f d m 技术允许相邻子载波的频谱有很大程度重叠，从而能更加有效地利用可 用频段。图1 2 给出了o f d m 系统的频谱结构示意图。如图l 一2 所示，o f d m 系统 中相邻子载波的频谱几乎有5 0 的重叠度。各个子载波之间具有正交性。 留1 2o f d m 系统的频谱结构示意幽 1 2 3o f d m 系统设计 首先，在频域进行编码映射，再经过串并变换( 编码映射可根据实际情况安 排在串并转换之前或之后，见图卜3 ) 和i f f t 变换后变换到时域，即相当于调 制到了各个正交的子载波上完成了正交频分复用。根据需要加入保护日j 隔即循 环前缀，在发送到信道之前还可能有一个上采样过程，具体情况还要根据实际系 堕至塑堕堂堕堡主堂垡笙苎 蔓二里笪堡 统的实现方法而定。还要对o f d m 信号加窗函数以降低带外信号的功率。接收端 完成一个与发送端相反的过程，f f t 将时域信号解调到频域，经过均衡、判决、 译码后输出。 ( b ) 接收 ( 1 ) 编码映射在前 ( 2 ) 编码映射在后 图卜3o f d m 通信系统框图 保护间隔。为了消除i s i 每个o f d m 符号都加上了一个保护时间，保护时间 大于信道的多径时延。使得相邻符号不会造成串扰，如果保护时问内不传送信号， 那么可能导致i c i ，因为子载波之洲不再具有正交性。为了避免子带问的串扰， 保护间隔内采用循环扩展。在o f d m 系统中，保护时间的引入会引起带宽利用率 的下降，因为它不承载任何信息。保护时间的选择根据多径时延而定，一般的规 则是：保护时间由多径时延均方时延而定，一般的规则是：保护时间是多径时延 均方值的2 4 倍。在高速调制方案中( 如3 2 q a m ，6 4 q a m ) ，信号对1 s 1 和i c l 非 常敏感，也是必须考虑的因素。 符号周期。为了减小保护时间引起的信噪比性能损失，符号周期必须远大于 保护时阳j ，但符号周期的增加意味着子载波数量的增加以及系统复杂度的上升。 一般选择符号周期时应使信号在一个符号周期内保持稳定。实际系统设计时，符 号周期一般至少是保护时间的4 5 倍。符号周期的大小影响载波间距以及编码 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 调制延迟时间。若信号星座固定，则符号周期越长，抗干扰能力越强，但是载波 数目和f f t 的规模也越大。 载波间距和子载波数目。在o f d m 系统中，载波间距和子载波数目应根据实 际条件合理选择。符号周期的大小影响载波间距。各子载波间距的大小也受到载 波偏移及相位稳定度的影响。子载波的数量根据信道带宽、数据速率以及符号周 期来确定。 调制方式。o f d m 系统采用的调制方式应根据功率及频谱利用率的要求来确 定，常用q p s k 和1 6 q a m 。另外，不同子信道可采用不同调制方式。性能较好的 子信道应采用频谱利用率高的方式，而衰落较大的子信道应采用功率利用率较高 的方式。 南京邮电学院硕十学位论文第一章绪论 1 2 4 增加和去除c p 的过程 为了对付i s i 或i b i ，通常的作法是为o f d m 系统的每个发射符号块添加c p ， 并要求c p 长度应超过无线f i r 信道的记忆持续期。当有c p 的系统处于无线f i r 信道中时，c p 的存在使其能够比较有效地克服i s i 或i b i 问题。但是，其i s i 或i b i 的克服是以频谱效率的牺牲为代价的，因为c p 的传输毕竟需要占用一部 分宝贵的通信资源，从而不可避免地降低了系统的总体频谱效率。此外，当在系 统中使用c p 时，c p 长度的选择也常常非常棘手。一方面c p 长度过长会对频谱 效率造成更大浪费，另一方面c p 长度过短又不能保证完全消除i s i 或i b i 。增 加和去除c p 的过程见图l 一4 。 ， k q 一 = = = = = i + 丘一 = = = = = l l 一 = = = = 三+ 1 c p 掣 “ i 盘皿i k 上卫l 一卜曼叫一 l 一1 i , i i q l + - 赶l 斗q u 亡= 二= = 二= 丁二二= = = 二= 工= = 二= k 鱼一k j l 一k 曼一 图1 4增加和去除c p 的过程 1 2 5o f d m 技术的优、缺点 o f d m 技术主要有如下几个优点： 首先，抗衰落能力强。o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子 载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多 倍，使o f d m 对脉冲噪声( i m p u l s en o i s e ) 和信道快衰落的抵抗力更强a 同时，通过子载波的联合编码，达到了予信道问的频率分集的作用也 增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严 南京邮电学院硕士学位论文第章绪论 重，就没有必要再添加时域均衡器。 其次，频率利用率高。o f d m 允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是 传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。 再者，适合高速数据传输。o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按 照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时 候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强 的调制方式。再有，o f d m 加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集 中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，o f d m 技术非常适合高 速数据传输。 此外，抗码间干扰( i s i ) 能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干 扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。 造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的， 就会造成一定的码间干扰。o f d m 由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的 能力很强。 o f d m 技术的不足之处包括以下方面： 对频偏和相位噪声比较敏感。o f d m 技术区分各个子信道的方法是利用各 个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会馒各个子载波之恻的正 交特性恶化，仅仅1 的频偏就会使信噪比下降3 0 d b 。存在于发射机和 接收机之间的频率抖动( f r e q u e n c yj i t t e r ) 和多普勒频移( d o p d l e r s h i f t ) ，会导致比较严重的载波间干扰( i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ， i c i ) 。因此，o f d m 系统对频偏和相位噪声比较敏感。 o f d m 技术固有的、相对较大的峰均值比( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ， p a p r ) 或称波峰因子( c r e s t f a c t o r ) ，导致射频放大器的功率效率较低。 与单载波系统相比，由于o f d m 信号是由多个独立的经过调制的子载波信 号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率也就 会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值比。对于包含n 个子信道的 o f d m 系统来说，当n 个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功 率就是均值功率的n 倍。当然这是一种非常极端的情况，通常o f d m 系统 内的峰均值不会达到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器的 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。 负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制 技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度每4 、 时高于3 0 公里时，自适应调制技术就不是很适合了。 1 3l d p c 的技术现状 1 3 1 研究历史 早在i 4 8 年，s h a n n o n 创立信息论时，就已经证明了对于任意信道都存在这 样的分组码系列，使得任意以低于信道容量的速率进行通信的误码率都能够任意 的小。人们称这样的码族为“最优码”。但是，s h a n n o n 的证明利用的是随机编 码理论，是非构造性的，并不能以此得到实用的最佳编码。于是，寻找这样能够 实际应用的“最优码”就成了一项重要的从未间断的工作。在这个过程中，产生 了各种各样的编码和理论，但绝大多数都是非构造性的，且没有能够实际应用的 译码算法，它们的译码问题是所谓的n p ( n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l ) 完全问 题，复杂性大。 卷积码在编码约束长度增加的时候能够逼近s h a n n o n 限，但其译码复杂度相 应地呈指数增加。这样导致在很长的一段时间内，人们普遍地认为就卷积码的实 际应用来随，信道能够实际达到的通信速率“吖是一个低于s h a n n o n 容量的值； 实际中高于的通信速率是不可能的。 纠错编码技术的最近发展使得情况发生了变化。9 0 年代初出现了t u r b o 码， 这是一种最优码，并且是可以实际应用的，于是纠错编码界掀起了研究t u r b o 码 的高潮。传统的t u r b o 码是一种并行级联的卷积码，那么，分组码有没有可实际 应用的最优码呢? 对l d p c ( l o wd e n s i t yp a r i t yc o d e ) 码的重新研究给分组码带来了新的希望。 其实，这种编码最初在1 9 6 2 年就已经由g a l l a g e r 提出，故亦称g a l l a g e r 码a 但是由于当时的技术条件的限制，再加上人们普遍认为级联码更易于实用化，导 致人们逐渐淡忘了这种编码。经数十年的沉寂，随着计算机能力的增强和相关理 论( 如图论、信度传播、t u r b o 码等) 的发展，这种编码被m a c k e y 和n e a l 重新发 南京邮电学院硕七学位论文 第一章绪论 现了，并证明它在与基于b p ( b e l i e f p r o p a g a t i o n ) 的迭代译码相结合的条件下 具有逼近s h a n n o n 限的性能。l d p c 的重新发现是继t u r b o 码后在纠错编码领域 又一重大进展a 使得人们重新认识到l d p c 码所具有的优越性能及其巨大的实用 价值。这种编码是最优码，并且在现在的技术条件下也是能够实际应用的。 在许多方面，l d p c 码被认为是t u r b o 码的强有力的竞争对手。特别是l d p c 码 在渐近性能上要好于t u r b o 码，并且它们允许在性能和译码复杂性之间有一个更 大范围的权衡。关于l d p c 的一个主要争议是其编码复杂性较高。t u r b o 码可在线 性时间内编码，而l d p c 码一个简单编码器实现的复杂性是与码块长度的平方成正 比的。 1 3 2l d p c 介绍 l d p c ( l o wd e n s i t yp a r i t yc o d e ) 码是一类可以用非常稀疏的奇偶校验矩阵 或b i p a r t i t eg r a p h ( 二分图) 定义的线性分组纠错码。l d p c 码的特点是与t u r b o 码相比，具有较大灵活性和较低的差错平底特性( e r r o rf l o o r s ) ：描述简单，对 严格的理论分析具有可验证性；译码复杂度低于t u r b 码，且可实现完全的并行 操作，硬件复杂度低，因而适合硬件实现；吞吐量大，极具高速译码潜力。 以往的研究结果显示，对于二元输入的b i a w g n 信道，码率为l 2 的 i r r e g u l a r ( 非正则) l d p c 码可以具有距容量不到0 0 6 d b 的门限；计算机仿真结 果表明，最好的非正则l d p c 码( 长度为1 0 6 ) 可获得在b e r = 1 0 “时仅偏离容量 0 1 3 d b 的性能，优于迄今所知道的最佳t u r b o 码：当码长为l o7 、r = 1 2 时， 其性能距s h a n n o n 限只差0 0 4 d b 。 6 e e l e h h e r i o u 2 7 2 9 等提出基于二元l d p c 码的多电平编码，并研究了用 于宽带接人网中不对称数字用户线( a d s l ) 的传输性能；给出了在a w g n 信道上采 用l d p c 编码调制( 从4 - q a m 至1 6 3 8 4 一q a m ) 的性能仿真结果和在规定编译码时延 ( c o d i n gl a t e n c y ) 约束下l d p c 编码采用d u a i l a t e n c yp a t h 结构时的性能。 h s o n g 3 0 研究了在磁记录信道中应用l d p c 码的情况。e y e o 3 1 等提出 了用于磁记录的2 类l d p c 码的译码方案和相应的串行结构，它们具有高的吞吐 率和低的计算复杂度。 9 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 m c h i a n i 3 2 等对l d p c 码用于有记忆块衰落( b l o c kf a d i n g ) 信道时的性能 进行了评估。j h o u 3 3 等研究了用于瑞利衰落信道l d p c 码的优化和性能分析， 沃为移动通信终端在宽范围移动速度情况下，优化的非正则码( 块长为3 0 7 2 ) 性 能优于相应的t u r b o 码。b m y h r e 3 4 提出一种速率自适应l d p c 编码调制的方案 用于慢变化平坦衰落信道，经推广还可应用于f e c - a r q 系统。t w a d a y a m a 3 5 针对l d p c 码应用于突发信道( 包括衰落信道) 的情况，提出了适合于隐马尔可夫 噪声信道模型的由和积算法和前后向似然估计构成的迭代译码算法。 f l a r i o n 3 6 开发的集成了v - l d p c 的f l a s h o f d m 移动无线芯片组已可用于 基于i p 的移动宽带网，以期增大传输距离和在无线信道中的坚韧性，其数据速 率可达3 m b i t s 。 v o c a lt e c h n o l o g i e s ，l t d 3 7 推出了一种用于w l a n 的l d p c t u r b o 不对称 解决方案，即下行链路采用l d p c 码，上行链路采用t u r b o 码，目的在于节能。 据称，采用该方案后用于i e e e8 0 2 1 1 a b gw l a n 移动终端的电池寿命可延长 至原来的4 倍。 l d p c 码的优异性能及其在信息可靠传输中的良好应用前景，将在深空通信、 光纤通信、卫星数字视频和声频广播、磁光全息存储、移动和固定无线通信、 电缆调制解调器和数字用户线( d s l ) 中得到广泛应用，已引起世界各国学术界 和i t 业界的高度重视，成为当今信道编码领域最瞩目的研究热点。研究l d p c 码 的学术意义、商业价值和对i t ( 特别是通信) 领域相关技术发展的推动作用是巨 大的。近几年国际上对l d p c 码的理论研究已取得重要进展，在应用基础乃至工 程应用和v l s i ( 超大规模集成电路) 实现方面的研究亦正在全方位丌展。 1 4m i m o 技术和空时编码 在过去的十年中，个人通信和移动无线通信服务得到了极其迅猛的发展而 未束无线通信服务的目标是要传输比现在通用系统速率高的多的数据。随着现代 无线通信技术的发展，人们对通信的质量以及信道的容量提出了比以往更高的要 求，然而带宽的限制、传播的衰减、信道的时变特性、噪声、干扰( 主要是共信 道干扰c c i ) 以及多路径阅题，例如：通信的容量和质量主要受多径传播的时延、 0 南京邮电学院硕十学位论文 第一章绪论 衰减和相位的制约，从而导致了时延的传播，造成了一种信号的扰动码间串 扰i s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，码问串扰严重限制了传播速率的最大 值。所有以上这些因素都严重制约着无线通信业务的扩展。 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统，该技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相 对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g e i n p u tm u l t i p i e o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u t s i n g l eo u t p u t ) 系统。 m i m o 技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用 率。它可以定义为发送端和接收端之间存在多个独立信道，也就是说天线单元之 间存在充分的间隔，因此消除了天线间信号的相关性，提高了信号的链路性能， 增加了数据吞吐量。 对于发射天线数为n 、接收天线数为m 的多入多出( m i m o ) 系统，假定信道 为独立的瑞利衰落信道，并设n 、m 很大，则信道容量c 近似为 4 3 ： c = m i n ( m ，n ) b l 0 9 2 ( d 2 )( 1 1 ) ( 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，n ) 为m 、n 中的较小 者) 。 式( 1 1 ) 表明，信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以 利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况 下，频谱利用率可以成倍地提高。 利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低 误码率。前者是利用m i m o 信道提供的空问复用增益，后者是利用m i m o 信道提供 的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的blast 算法 1 8 、zf 算法、m mse 算法、m l 算法。m l 算法具有很好的译码性能，但 是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。zf 算法简单 容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是bla s t 算法。该算法实际上是使用zf 算法加上干扰删除技术得出的。 目前m i m o 技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块 码、空时格码。空时码的主要思想是利用空问和时嘲上的编码实现一定的空间分 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 集和时间分集，从而降低信道误码率。 1 9 9 6 年，b e l l 实验室首先提出了空时编码技术的概念，为高速数据的传输 提供了一条新的选择，空时编码技术利用多发射和多接收天线，将发射分集和接 收分集技术相结合，在各阵元的发射信号之间引入了时域和空域的相关。空时编 码技术将信号处理技术与编码技术有机的结合在了一起，空时编码技术理论研究 表明，它具有非常优异的性能：有效地补偿了信道的衰减、增加了系统的容量、 有效地抑制了噪声和干扰( 提高了传输的质量、降低了误码率) ，并获得了很高 的编码增益和分集增益，研究表明：空时编码具有广阔的应用前景。 1 4 1 无线通信系统的下行传输 在无线通信中，根据信号的传播方向，一般的将传输分为两类：上行( u p l i n k ) 传输和下行( d o w n l i n k ) 传输。上行传输是指从移动端( m o t i o ns t a t i o n ，简记 为m s ) 到基站( b a s es t a t i o n ，简记为b s ) 的传输，下行传输是指由基站到移动 端的传输。对于上行传输，已有很多的研究成果，上行传输一般情况下是一种接 收分集技术；而对于下行传输的研究，相关的研究还处于发展阶段，下行传输 般情况下属干发射分集技术的范畴，由于移动端的位置和速度的不确定性，下行 信道的信息一般是不确定的，所以发射机和接收机的设计较上行的情况复杂 些，所以无线信道的下行传输的研究更具有挑战性。 1 4 2 多天线阵的信道容量理论 空时编码系统增加无线通信系统容量的理论依据为多天线系统的信道容量 理论，如果接收机能准确估计信道状态，并保证不同发射一接收天线之间的衰 落相互独立，在相同的发射功率和带宽下，一个拥有n 个发射天线和m 个接收天 线的系统能达到的信道容量为单天线系统的m i n ( n ，m ) 倍，所以信道的容量与 m l n ( n ，m ) 成难比关系。 1 4 3 空时编码技术的发展 空时编码的发展主要可以划分为以下几个阶段： 发射分集( t r a n s m i td i v e r s i t y ) 技术的研究： w il t n e b e n 在文献 t 4 3 中、s e s h a d r i 和w i n t e r s 在文献 1 5 3 中提出了时 延分集( d e l a yd i v e r s i t y ) 的概念，并对其性能进行了分析：y e ( g e o f f r e y ) 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 l i 等人将嚣换分集( p e r m u t a t i o nd i v e r s i t y ) 1 6 技术应用于o f d m 系统中， 并与时延分集、编码分集( c o d i n gd i v e r s i t y ) 1 7 作了比较。 ：分层空时编码( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ，简记为l s t c ) 技术的研 究： 1 9 9 6 年由美国的b e l l 实验室提出了分层空时编码的概念，他们于1 9 9 8 年提 出了分层空时编码技术的框架 1 8 ，并申请了专利，在此基础上开发出b l a s t ( b e l ll a y e r e ds p a c e t i m e ) 试验系统，这种系统的结构简单，易于实现。 空时格型编码( s p a c e t i m et r e l l isc o d i n g ，简记为s t t c ) 技术的研 究： a t t 实验室的t a r o k h 等人提出了用于高速数据无线通信的空时格型编码 s t t c 1 7 ，这种空时码以格型编码调制为基础，具有很高的编码增益和分集增 益，能够有效地抗衰落和抑制干扰和噪声，但其缺点是编译码方法复杂，在天线 数目较高和发射速率较高时，接收机的结构变得极其复杂而难于实现 空时分组编码( s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ，简记为s t b c ) 的研究： 由于s t t c 的编译码比较复杂，美国的c a d e n c e 公司的研究人员提出了一种 基于正交设计的空时码空时分组码( s t b c ) 的方案，虽然它得性能比空时 格型码的性能略差，但由干其译码方法简单，很快引起了通信界的广泛关注。 i 5 论文的内容和框架 本文对l d p c 码编译码、o f d m 系统原理及空时编码技术做了一系列研究，并 将l d p c 码和空时编码组合应用到o f d m 系统中，并对其性能做了仿真。本文从第 二章开始的内容如下： 第二章介绍了l d p c 码的结构，分为正则码和非j 下则码，并分析了码、图、环 之自j 的关系。 第三章讨论了l d p c 码的编译码算法的实现，并分别举例说明了两种译码算法 的具体过程。 第四章讨论了空时编码技术的实现，介绍了三种常用的空时编码技术及其性 能比较。 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 第五章将l d p c 码和空时编码组合应用到o f d m 中，并对其性能做了仿真。 第六章对全文进行总结，并展望未来的研究工作。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章l d p c 码的构造和分析 第二章l d p c 码的构造和分析 l d p c 码的结构可采用几何方法、图论方法、实验设计方法、置换( p e r m u t a ti o n ) 方法来设计 6 。好的l d p c 码关键在于要有好的码性能和需要较少的编码时间。 迄今找到的好码都是借助于大量的计算和筛选生成的，因为尚未提出构建l d p c 码的系统( 或代数) 方法。在设计实验和统计分析相结合的实验设计方法中， b i b d ( b a l a n c e di n c o m p l e t eb l o c kd e s i g n ) 方法 3 8 较为典型。 m g l u b y 3 9 等指出，基于非正则图定义的码性能优于相应的基于正则图 定义的码。m c d a v e y 4 0 提出，在非二元有限域中定义码和采用具有非均匀 行、列重量的非正则p a r i t y - - c h e c k 矩阵均可改善码的性能。在寻找好的码结构 方面，d j c m a c k a y 4 1 等提出对菲正则码采用先选择轮廓再选择结构的两 步选择方法，验证了s u p e r p o i s s o n 结构具有较好性能并指出：能快速编码的 l d p c 矩阵通常具有下三角形( 1 0 w e r t r i a n g u l a r ) 结构。 t f r i c h a r d s o n 等通过优化非正贝u 图的次数( d e g r e e ) 结构来寻找逼近容量 的非正则l d p c 码。t j r i c h a r d s o n 和r i l u r b a n k e 探讨了要获得高效编 码器如何确定奇偶校验矩阵稀疏度的问题，以及如何构造码，使编码时阳j 与码块 长度实际上符合线性关系( 线性时间编码) ，而非通常认为的平方关系。m ，g l u b y 等也提出了类基于级联二分图( b i p a r t i t eg r a p h ) 的l d p c 码，用于可抹 ( e r a s u r e ) 信道，称为e r a s u r ec o r r e c t i n g 码，它不仅是线性时间编码，而且也 可实现线性时间译码。 d a s p j e l m a n 开发了一种试探法束寻找非正则l d p c 码参数的好的分布， 掘此构建了在很低s n r 下b e r 低于t u r b o 码的码率为l 2 的l d p c 码。j c a m p e l l 0 等提出采用扩展的b i t f 儿【i n g 算法柬设计具有商码率、高g i r t h 和b e r 性能良 好的l d p c 码。y m a o 和a h b a n i h a s h e m 则基于性能准则，提出根据g i r t h ( 图 中摄小环长) 的分布来设计好的l b p c 码的方法。s j j o h n s o n 和s r ，w e l l e r 提出种基于k i r k m a nt r i p l e 系统的组合设计方法，适合于构建短码长、高码 率和在其t a n n e r 图中不出现环长为4 、g i r t h 至少为6 的正则l d p c 码。 y k o u 。s l i n 和m p o s s o r i e r 探讨了基于有限几何学的l d p c 码结构。j r o s e n t h a l 和p v o n t